Optimierung der Klärschlammbehandlung für eine flexible Energienutzung

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1 Optimierung der Klärschlammbehandlung für eine flexible Energienutzung 01. Oktober Neustadt an der Weinstraße Fortbildungsveranstaltung der DWA (Pfalz) und des BWK (Pfalz) Christian Schaum und Peter Cornel Dorothee Lensch, Robert Lutze und Johannes Rühl

2 Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Verbundprojekt mit 11 Partnern Koordination: TU Darmstadt, Institut IWAR Laufzeit: Förderung: 2,7 Mio. Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung - Förderkennzeichen: 02WER1322

3 Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Stromnetz Batterie Abwasserbehandlung Stromverbrauch Stromerzeugung Wärme Gasspeicher Substratspeicher Kälte Gasnetz

4 Gliederung Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Vom Energieverbraucher zum Energiedienstleister Zusammenfassung und Ausblick Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 4

5 Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Wasser für Energie Kühlung für Kraftwerke, Ölförderung, Biomasseanbau Energie für Wasser Wassergewinnung, -aufbereitung und -transport, Wassernutzung, Abwassertransport und -behandlung Energie aus Wasser Wasserkraft, Wärmenutzung, Faulung/Faulgaserzeugung, Verbrennung 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 5

6 Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Energie vs. Klimaschutz Einsatz von fossilen, endlichen Energieträgern (Kohle, Erdgas, Öl) Mitverursacher der globalen Erwärmung Atomenergie: Fragestellung der Endlagerung und Sicherheit Ausbau der erneuerbaren Energien Relevanz für die Abwasserbehandlung Steigerung der Energieeffizienz durch Minimierung Energieverbrauch & Maximierung Energieerzeugung Berücksichtigung von Lastgängen (Flexibilisierung) Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft zur Energiewende 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 6

7 Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Wasser für Energie Kühlung für Kraftwerke, Ölförderung, Biomasseanbau Energie für Wasser Wassergewinnung, -aufbereitung und -transport, Wassernutzung, Abwassertransport und -behandlung Energie aus Wasser Wasserkraft, Wärmenutzung, Faulung/Faulgaserzeugung, Verbrennung Siedlungswasserwirtschaft? 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 7

8 Energieverbrauch Basis: Statistische Daten Deutschland [Daten: Branchenbild Wasserwirtschaft (2011), UBA (2006)] Endenergieverbrauch Warmwassererzeugung einschl. Waschund Spülmaschine [AGEB (2011), RWI/forsa (2011)] Einleitung Schmutzstoffe (Toilette, Küche, etc.) 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 8

9 Energieinhalt und Nutzung Potentielle Thermische Chemische [Cornelsen, 2004] 1,2 kwh/(ea) Wasserrad, Turbine Verschiedene Anlagen realisiert: z.b. Kläranlage Freital, Dresden, Mannheim 750 kwh/(ea) Wärmetauscher [www.ipp.mpg.de] 150 kwh/(ea) Faulgas/BHKW Verbrennung/ Turbine Stand der Technik

10 Energieverbrauch und Erzeugung Konventionelle Siedlungswasserwirtschaft Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 10

11 Energiepotential in der Abwasserbehandlung Zum Vergleich: Gesamtstromverbrauch in Deutschland rd. 516 TWh/a Stromverbrauch Stromerzeugung (nur BHKW) Ist-Zustand Optimierung nach MURL (1999) Ist- Richtwert Idealwert Zustand Ausrüstung aller ABA > E Erhöhung Wirkungsgrad BHKW Einsatz von Co-Substrat TWh/a TWh/a TWh/a TWh/a TWh/a TWh/a TWh/a 4,0 3,6 2,7 0,94 1 1,74 2 3,14-3,93 3 1, elektrischer Wirkungsgrad 26 % 2 elektrischer Wirkungsgrad 32 % 3 alle ABA < E, elektrischer Wirkungsgrad 40 % bzw. mit Brennstoffzelle 50 % 4 Co-Substrat: Bioabfall, Abschätzung nach DWA (2010) über freie Faulraumkapazitäten [nach DWA (2010)] 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 11

12 Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 12

13 Optimierung Energieeffizienz Jahresmittelwert/Jahressummen Durchführung Energieanalyse Diverse Handbücher/Publikationen Energie in Kläranlagen, MURL (1999) Energiecheck und Energieanalyse Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen (DWA-A 216) Prinzip: Aufnahme und Bewertung Energieverbräuche nach verfahrenstechnischen Einheiten Vergleich mit Kennzahlen (Optimierungspotential) Ableitung von Maßnahmen Breite Anwendung in Abwasserwirtschaft Stand der Technik Stromverbrauch nach Verbrauchergruppen 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 13

14 Exemplarische Maßnahmen Beispiel: Kommunale KA mit EW Biologie Erneuerung Rührwerke in den Belebungsbecken (von 30 kw/becken auf 12 kw/becken) Klärschlammbehandlung Austausch Spiralwärmetauscher (Erwärmung der Faulbehälter) Erneuerung der maschinellen Eindickung (von Zentrifuge auf Siebband) Erneuerung Pumpen (Sicherstellung Betriebspunkt) Erneuerung der Elektromotoren Haustechnik Beleuchtungssteuerung über Zeit oder Bewegungsmelder Erneuerung von Laborkühlschränken Optimierung der Straßenbeleuchtung 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 14

15 Energetische Optimierung Kläranlage 2025 Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 15

16 Jahresgang Strom (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) kein ausgeprägter Jahresgang im Stromverbrauch Schwankungen im Faulgas durch Co-Substrat 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 16

17 Jahresgang Wärme (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) ausgeprägter Jahresgang im Wärmeverbrauch Nutzung Wärmeüberschuss im Sommer? Heizwasserkreislauf C 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 17

18 Exemplarische Maßnahmen Beispiel: KA mit EW Nutzung Wärme zur Kälteerzeugung Adsorptionskälteanlage Kälteleistung: 32 kw Absorptionskälteanlage mit Kälteleistung: 200 kw Ersatz für elektrisch betriebene Klimageräte/Kältemaschinen Einsparung von Strom durch die Nutzung von Abwärme 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 18

19 Steigerung der Energieeffizienz: Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 19

20 Flexibilisierung Energiesystem Kläranlage (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) Abhängigkeit von Zulauf (Regenwetter) ausgeprägter Tagesgang (Trockenwetter) 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 20

21 Stromlastgang (Leistungsspitzen) Beispiel KA mit EW Jahr 2013 > kw nur bei rd. 300 Bh/a (< 3 %) Auswertung Jahresgang (Leistung des Strombezugs) [Zhukova, 2014] 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 21

22 Auswertung Spitzen mittels Spektralanalyse Beispiel KA mit EW Visualisierung von Lastspitzen im Tagesgang Entwicklung Lastmanagement [Zhukova, 2014]

23 Faulgaserzeugung mittels Co-Substrate Faulgaserzeugung einer kommunalen Kläranlage, Ausbaugröße EW Faulbehälter 1: Dosierung von Rohschlamm sowie Co-Substrat Faulbehälter 2: Dosierung von Rohschlamm

24 Faulgaserzeugung mittels Co-Substrate Erhöhung der Faulgaserzeugung durch Zugabe von Co-Substrat

25 Nutzung Co-Substrat für Flexibilisierung Umsatzrate/Geschwindigkeit? spez. Gasproduktion? Baustein für ein intelligentes Steuerungssystem Einsatz für Lastspitzen (Lastmanagement) [Daten Substrat C: EnviroChemie 2015]

26 Energiespeicher Co-Substrat Modellrechnung KA mit EW [Lensch et al., 2015] 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 26

27 Untersuchung im halbtechnischen Maßstab Inbetriebnahme Feb./April 2015 Hochlastfaulung mit Mikrofilter SRT HRT konventionelle Faulung SRT = HRT 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 27

28 Steigerung der Energieeffizienz: Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Regelenergie Nutzung und Erweiterung der Strategien für die Bereitstellung von Regelenergie Interaktion mit Stromnetz Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 28

29 Regelenergie Ziel: Verhinderung von Ungleichgewichten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch (Sicherstellung einer konstanten Netzfrequenz von 50 Hz) [dena, 2012]

30 Sekundärregelleistung Positive Regelleistung Defizit im Netz; Minimierung Energiebezug oder Maximierung Energieerzeugung Minutenreserve Negative Regelleistung Überschuss im Netz; Maximierung Energiebezug oder Minimierung Stromproduktion [Daten: Regelleistung, 2015]

31 Durchschnittliche Leistungspreise in /(MW h) [Consentec, 2014; Pilgram, 2014] Sekundärregelleistung positiv 9,82 8,33 2,53 7,82 negativ 15,74 11,79 11,89 11,66 positiv 1,10 0,31 0,61 0,95 Minutenreserve negativ 3,12 4,21 3,04 5, Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 31

32 Abwasserbehandlung und Regelenergie Energiespeicher Kläranlage Flexibilisierung des Betriebs der Klärschlammbehandlung Nutzung der chemisch gebundenen Energie in Klärschlamm, Co-Substrat und Faulgas als Speicher Flexibilisierung der Faulung bzw. Faulgaserzeugung bedeutet eine Verringerung des Bedarfs an Faulgas- oder Batteriespeicher spez. Energiedichte [kwh el /kg] Primärschlamm 7 % TR 0,05 Co-Substrat 20 % TR 0,2 Faulgas 65 % CH 4 1,6 Lithium-Ionen-Akku 0,1 [Schaum, 2015] 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 32

33 Regelenergiemarkt vs. Leistung Kläranlage Teilnahme am Regelenergiemarkt min. 5 MW Zusammenschluss zu virtuellen Kraftwerken Annahme: A = 15 kwh el /(E a), B = 20 kwh el /(E a) Bh/a, keine Redundanzen 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 33

34 Flexible Energieerzeugung: Nur eine technische Fragestellung? Innovationsmanagement Identifikation der zentralen Akteure, ökonomischen, technischen, rechtlichen sowie gesellschaftlichen Treiber und Hemmnisse für eine passfähige Ausgestaltung und erfolgreiche Verbreitung der ESiTI-Verfahrensvarianten Experten-gestütztes Bewertungstool für Kläranlagenbetreiber und kommunale Entscheidungsträger Welche Zielstellung (I. Optimierung Energieeffizienz, II. Ausgleich Energie im Jahresgang, III. Ausgleich Energie im Tagesgang, IV. Regelenergie) sollte auf der Kläranlage verfolgt werden? Welche Verfahrensvariante, d.h. welche Kombination aus Technologiebausteinen und Bewirtschaftungsstrategien, ist hierfür am besten geeignet? 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 34

35 Gliederung Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Vom Energieverbraucher zum Energiedienstleister Zusammenfassung und Ausblick Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 35

36 Zusammenfassung und Ausblick Zukunftsfähige Abwasserbehandlung Sicherstellung: Gesundheits- und Gewässerschutz Ressourcenschutz: hier Energie, d.h. Erhöhung der Energieeffizienz; (flexible) Minimierung Energieverbrauch, (flexible) Maximierung Energieerzeugung Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Innerhalb der Abwasserbehandlungsanlage: Lastmanagement, Erhöhung Energieproduktion bspw. durch Co-Vergärung; Nutzung organischer Substanz als Energiespeicher Kontext zum Stromnetz: Nutzung der Abwasserbehandlungsanlage im Bereich der Regelenergie Anforderungen: Erhöhung Flexibilität, Zusammenführung aller Energieströme ( smart grid ), chem. gebundene Energie als Speicher (Substrat, Faulgas), Zusammenführung von mehreren Anlagen in virtuellen Kraftwerken Bestandteil aktueller Forschungsarbeiten innerhalb von ESiTI 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 36

37 ERWAS-Querschnittsthema-Klärschlamm ERWAS-Querschnittsthema: Nutzung der Energieressource Klärschlamm: Klärschlamm und Co-Substrate, Faulgas, KS-Verwertung 20 Teilnehmer aus den Verbundprojekten arrivee, E-Klär, ESiTI und KRN-Mephrec sowie aus ERWASNET Aktuell: Durchführung einer CSB- Vergleichsmessung von (Klär-)Schlamm; Laborgärversuche in Planung Leitung und Kontakt: Dr.-Ing. Christian Schaum 01. Oktober 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Lensch Cornel 37

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