Energy Efficiency Measures at Munich Waste Water Treatment Plants. Maßnahmen zur Energieeffizienz in den Münchner Klärwerken

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1 Energy Efficiency Measures at Munich Waste Water Treatment Plants Maßnahmen zur Energieeffizienz in den Münchner Klärwerken Dipl.-Ing. Robert Schmidt CEO Technical / Technischer Werkleiter, City of Munich Waste Water Management, Germany / Münchner Stadtentwässerung, Deutschland 23. September 2008, Shanghai

2 Energiebedarf von kommunalen Klärwerken - Die Klärwerke in Deutschland verbrauchen ca GWh/a, das entspricht etwa 1 % des bundesweiten Stromverbrauchs - Alle Klärwerke in Deutschland zusammen verbrauchen soviel Energie, wie alle Haushalte in der Hauptstadt Berlin - Aber: Klärwerke sind die größten kommunalen Stromverbraucher mit einem Anteil von etwa 20 % - Mehrere Studien in den letzten Jahren zeigen Einsparpotentiale von bis zu 40 % auf. Luftbild des KLW München 1, im Hintergrund das Fußballstadion 2

3 Gesetzliche Rahmenbedingungen IVU-Richtlinie - Richtlinie 2008/1/EG des Europäischen Parlaments und des Rates über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung -Forderung nach Stand der Technik -Umsetzung in Deutschland WHG: Energieeffizienz ist ein Kriterium für den Stand der Technik Erneuerbares Energiengesetz in Deutschland -Klärgasnutzung wird schlechter vergütet als die Verwertung von Gülle oder nachwachsenden Rohstoffen aber: wichtiger Beitrag zur Erreichung der Klimaziele! 3

4 Spezifischer Energieverbrauch, Vergleichszahlen Klärwerk München 2 (2007) Sandfilter und UV-Entkeimung 32 Klärwerk München 1 (2007) 2 Abwasserpumpwerke und Rezirkulation 36 Medianwert Baden- Württemberg Medianwert (NRW) 41 Modellanlage (nach Handbuch NRW) bei optimaler Effizienz + besonderen Stufen bei optimaler Effizienz 18 derzeit (bei Anlagen > EW) spezifischer Energieverbrauch [kwh/(ew a)] 4

5 Münchner Kläranlagen Klärwerk München 1 - Gut Großlappen Ausbau: 1971 bis 2007 Investitionen seit 1972: ca. 520 Mio. Abwassermenge: m³/d Ausbaugröße: 2 Mio. EW Jährlicher Energieverbrauch: ~49 Mio. kwh Klärwerk München 2 - Gut Marienhof ,UV-Desinfektion Investitionen seit 1984: ca. 290 Mio. Abwassermenge: Ausbaugröße: Jährlicher Energieverbrauch: m³/d 1 Mio. EW ~26 Mio. kwh 5

6 Hauptverbraucher 100% 90% 80% 70% 60% Mechanische Reinigung Abwasserhebewerk Infrastruktur und Sonstiges Schlammbehandlung Flockungsfiltration / (UV-Anlage) Biologische Reinigung und Nachklärung 50% 40% 30% 20% 10% 0% D KLW I KLW II Trotzdem sind Maßnahmen zur Energieoptimierung notwendig! 6

7 Energieoptimierung contra Reinigungsanforderungen? Weitergehende Reinigungsanforderungen vergrößern den notwendigen Energieeinsatz: UV-Anlage im KLW München 2 - Wasserrechtsbescheid fordert, dass Nges im Ablauf <13 mg/l: Sandfilteranlage notwendig! - EU-Badegewässerrichtline fordert für KLW 2 die Hygienisierung: UV-Anlage notwendig! - Ungünstige Lage an Wohngebieten: Abluftbehandlung durch Biofilter / chemische Luftwäsche notwendig! 7

8 Baden an der Isar in München 8

9 Energienutzung auf Kläranlagen Klärgas Schlammfaulung KLW 1 und KLW 2: - Input: ca t/a Trockenrückstand - Output: ca m³/a Klärgas, das sind MW Primärenergie Eigenversorgungsgrad: KLW 1: 54 % (incl. Schlammverbrennung) KLW 2: 79 % 9

10 z.b. Möglichkeiten der Klärgasnutzung Heizung Wärme Nutzung vor Ort Klärgas CO 2 +CH 4 Gas-Otto-Motor Mikroturbine Brennstoffzelle Strom + Wärme Nutzung vor Ort Erdgas Einspeisung ins Erdgasnetz Aufbereitung Wasserstoff Speicherung als Treibstoff 10

11 Maßnahmen und Ziele zur Energieoptimierung in München: durchgeführte Maßnahmen: - Abhitzekesseloptimierung der Gas-Otto-Motoren zur Vermeidung der Zuschaltung der Notheizzentrale (nur mit Erdgas betrieben) - Reinigung der Belüfterkerzen und Optimierung der Denitrifikation, KLW 2 - Lufteintragsregelung in Belebungsbecken mittels Blendenregulierschieber anstatt Klappen (Versuch abgeschlossen an 1 BB) geplante Maßnahmen: - kleinere Turboverdichter - effektivere Gas-Otto-Motoren mit µ = 42 % elektrischem Wirkungsgrad. - Ausarbeitung der Vorschläge diverser Energiestudien durch Ingenieurbüros - Restwärme aus Luftkondensator der Klärschlammverbrennung für die Faulbehälterheizung 11

12 Maßnahmen zur Energieoptimierung in München: durchgeführte Maßnahmen: - Abhitzekesseloptimierung der Gas-Otto-Motoren zur Vermeidung der Zuschaltung der Notheizzentrale (nur mit Erdgas betrieben) - Reinigung der Belüfterkerzen und Optimierung der Denitrifikation, KLW 2 - Lufteintragsregelung in 10 BB mittels Blendenregulierschieber anstatt Klappen (Versuch abgeschlossen an 1 BB) geplante Maßnahmen: dadurch Verringerung des Erdgasbezugs - kleinere Turboverdichter von m³/a auf m³/a, Einsparung von ~97 % - effektivere Gas-Otto-Motoren mit µ = 42 % elektrischem Wirkungsgrad. - Ausarbeitung der Vorschläge diverser Energiestudien durch Ingenieurbüros - Restwärme aus Luftkondensator der Klärschlammverbrennung für die Faulbehälterheizung 12

13 Maßnahmen zur Energieoptimierung in München: durchgeführte Maßnahmen: - Abhitzekesseloptimierung der Gas-Otto-Motoren zur Vermeidung der Zuschaltung der Notheizzentrale (nur mit Erdgas betrieben) - Reinigung der Belüfterkerzen und Optimierung der Denitrifikation, KLW 2 - Lufteintragsregelung in 10 BB mittels Blendenregulierschieber anstatt Klappen (Versuch abgeschlossen an 1 BB) Verringerung der Jahreskosten für den Fremdenergiebezug bei gleichzeitig höherer Belastung des Klärwerks geplante Maßnahmen: - kleinere Turboverdichter - effektivere Gas-Otto-Motoren mit µ = 42 % elektrischem Wirkungsgrad. - Ausarbeitung der Vorschläge diverser Energiestudien durch Ingenieurbüros - Restwärme aus Luftkondensator der Klärschlammverbrennung für die Faulbehälterheizung 13

14 Reinigung Belüfterkerzen, Optimierung Denitrifikation Strombezug Gesamtkosten Ölbezug E+EW Jahreskosten in Euro Belüfterreinigung Biologie 1 Reduzierung der Bereitstellungsleistung Denitrifikation Einwohnergleichwerte steuerfreies Gasöl von 1992 bis 1994 hohe Eigenstrom erzeugung, Heizöl/Diesel statt Gasöl Erstattung Mineralölsteuer

15 Energieeffizienz im Klärwerk 2 Energieeinsatz KLW 2: MWh Energieverbrauch KLW 2: MWh Öl 8% Strombez. 9% Wärme 50% Kraft 3% Stromerz. 36% Klärgas 83% Strombez. 11% Gesamtwirkungsgrad 79,8% 15

16 Maßnahmen zur Energieoptimierung, Klärwerk 1: durchgeführte Maßnahmen: - Abhitzekesseloptimierung der Gas-Otto-Motoren zur Vermeidung der Zuschaltung der Notheizzentrale (nur mit Erdgas betrieben) - Reinigung der Belüfterkerzen und Optimierung der Denitrifikation, KLW 2 - Lufteintragsregelung in Belebungsbecken mittels Blendenregulierschieber anstatt Klappen (Versuch abgeschlossen an 1 BB) geplante Maßnahmen: - kleinere Turboverdichter Verringerung der - Leistungsaufnahme effektivere Gas-Otto-Motoren von mit µ = 42 % elektrischem Wirkungsgrad. - Ausarbeitung der Vorschläge diverser Energiestudien durch kw auf 930 kw, Ingenieurbüros Einsparung von ~7 % - Restwärme aus Luftkondensator der Klärschlammverbrennung für die Faulbehälterheizung 16

17 Maßnahmen zur Energieoptimierung in München: durchgeführte Maßnahmen: Regenbecken Hirschgarten, V = m³ - Abhitzekesseloptimierung der Gas-Otto-Motoren zur Vermeidung der Zuschaltung der Notheizzentrale (nur mit Erdgas betrieben) - Reinigung der Belüfterkerzen und Optimierung der Denitrifikation, KLW 2 - Lufteintragsregelung in Belebungsbecken mittels Blendenregulierschieber anstatt Klappen (Versuch abgeschlossen an 1 BB) geplante Maßnahmen: - kleinere Turboverdichter - effektivere Gas-Otto-Motoren mit µ = 42 % elektrischem Wirkungsgrad. - Ausarbeitung der Vorschläge diverser Energiestudien durch Ingenieurbüros - Restwärme aus Luftkondensator der Klärschlammverbrennung für die Faulbehälterheizung 17

18 Untersuchung von Maßnahmen zur Energieoptimierung: externe Klärgasnutzung interne Klärgasnutzung Klärgasverkauf Klärgasdurchleitung ins KLW I weitere Nutzungsmöglichkeiten Absorptionskältemaschine Klärgastankstelle Gasturbine Brennstoffzelle Gas-Otto-Motor Nachgeschaltete Prozesse 18

19 Gründe für die Untersuchungen: Anlagen sind 20 Jahre in Betrieb Ersatzteilbeschaffung immer schwieriger und kostenintensiver Effektivere Klärgasnutzung möglich durch neue Techniken mit höheren elektrischen Wirkungsgraden Steigerung der Energieeffizienz um 1% ergibt Kosteneinsparung von pro Jahr 19

20 Kosten/Erlöse der Klärgasnutzungsvarianten im Vergleich Ohne Klärgasnutzung Eigene Durchleitung ins KLW I Wärme mit Heizöl und neue GOMs Eigene Durchleitung ins KLW I Wärme mit Klärgas und neue GOMs Durchleitung ins KLW I Wärme mit Heizöl und neue GOMs Durchleitung ins KLW I Wärme mit Klärgas und neue GOMs Kärgasverkauf Wärme mit Heizöl Klärgasverkauf Wärme mit Klärgas Brennstoffzellenhybridtechnik Brennstoffzellenhybridtechnik und Dampf Brennstoffzellenhybridtechnik mit Förderung Gasturbine Gasturbine und Dampf GOM GOM und Dampf GOM und ORC Kosten in Mio /a Kapitalkosten in /a Wärmekosten in /a Strombezug EVU in /a Erlöse in /a Eingesparte Stromkosten in /a 20

21 Resultat der Untersuchungen: optimale Klärgasverstromung durch neue Motorentechnik Modernisierung der überlasteten Elektrotechnik weitergehende Wärmenutzung durch nachgeschaltete Prozess zur Stromerzeugung bis zu 80% des Strombedarfs werden derzeit durch Eigenproduktion gedeckt. Deckung des Strombedarfs zu 100% durch Eigenproduktion möglich durch + 14 % effektivere Klärgasverstromung mittels GOM-Technik + 13 % zusätzliche Klärgasverstromung (Co-Fermentation) + weitere energieeinsparende Maßnahmen Energieautarkes Klärwerk 2 (k)eine Illusion? 21

22 Grundsätze der nachhaltigen Energieeffizienz auf Kläranlagen: Wichtige Aspekte bei der Planung - Standortfrage bei Neubau - Modularer Aufbau - Standardelemente - Messtechnik und PLT als Voraussetzung Wichtige Aspekte beim Betrieb der Anlagen - Benchmarking als Instrument zur Einordnung des eigenen Verbrauchs - Laufende interne Optimierungsarbeit Baustelle der Faulbehälteranlage 22

23 Resümee - Kläranlagen sind große Energieverbraucher und haben entscheidenden Anteil an den Energiekosten einer Kommune - Laut verschiedener Studien besteht erhebliches Einsparpotenzial ist die energieautarke Kläranlage nur eine Illusion? - Integrierte Betrachtungsweise der Umweltauswirkungen verlangt Optimierung zwischen Energieeffizienz und maximaler Reinigungswirkung Trockengasbehälter, V = m³ 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 24

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