Schlammfaulung auf mittelgroßen Kläranlagen

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1 Schlammfaulung auf mittelgroßen Kläranlagen Wirtschaftlichkeit hk it und Perspektiven Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Technische Hochschule Mittelhessen Tel.: Gliederung : 1 Einleitung, Rahmenbedingungen 2 Untersuchungen im Regierungsbezirk Gießen 3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4 Optimierung von Investitionen der Klärschlammfaulung 1

2 Einleitung Ca.75% aller Klärschlämme in Deutschlang werden in Faulungsanlagen behandelt und so energetisch genutzt. Bisher wurden Anlagen mit < EW vorwiegend als aerob stabilisierende Anlagen, mit > EW vorwiegend mit anaeroben Schlammbehandlungen (Faulungen) realisiert. anaerobe Stabilisierung (Faulung) aerobe Stabilisierung Einwohnerwerte Einleitung Wenn alle Kläranlagen ab EW eine Faulung hätten, kämen bundeweit ca Anlagen dazu und 90% aller Schlämme würden anaerob stabilisiert. 2

3 Aspekte bei nachträglicher Errichtung einer Faulung Vorteile Reduzierung des Stromverbrauchs der Belebungsanlage durch VKB Produktion und energetische Nutzung von Faulgas Reduzierung des externen Strombezugs ca % Reduzierung der zu entsorgenden / verwertenden Schlammmenge um ca % (v.a. durch Verbesserung der Entwässerungseigenschaften) Nachteile zusätzliche Betriebspunkte (Vorklärung, Faulung, BHKW) dadurch erhöhter Personalaufwand spezielle betriebliche Probleme beachten (Überschäumen, Ablagerungen, Verzopfungen, MAP-Ausfällungen, Zentratwasserbehandlung u.a.) Reduzierung des Kohlenstoffs durch VKB im Zulauf der Belebungsanlage (ggf. Auswirkung auf Deni und Bio-P) Schlammalter in Belebung sollte deutlich reduziert werden Kläranlagen in Hessen > EW ohne Faulung REGIERUNGSPRÄSIDIUM GIESSEN KA Name Ausbaugrößwerte Einwohner- [ - ] EW EW 1KA Ehringshausen h KA Haiger KA Lahnau-Dorlar KA Runkel / Steeden KA Limburg Lahn / Eschhofen (2009) KA Weilmünster KA Biebertal / Rodheim-Bieber KA Lollar KA Homberg Nieder-Ofleiden KA Mücke Nieder-Ohmen KA Schlitz Hutzdorf KA Brechen / Niederbrechen (Goldener Grund) KA Dautphetal / Elmshausen KA Rabenau / Londorf KA Lauterbach Hessen: 44 Kläranlagen ca EW Bachelorarbeit S. Lakicevic,

4 Szenario: 44 Kläranlagen in Hessen > EW derzeit ohne Faulung werden ausgerüstet mit: Vorklärung Einzelfallbetrachtung llb Schlammeindickung erforderlich!!! Faulbehälter Gasspeicher Gasverwertung Primärschlamm: ca kg TS/d Überschussschlamm: ca kg TS/d Klärgasmenge ca m³/a Methan CH 4 ca m³/a bei Verstromung im BHKW ca kwh el /d Strom η el = 32 % ca kw el Leistung Bachelorarbeit S. Lakicevic, 2013 Szenario: 44 Kläranlagen in Hessen > EW derzeit ohne Faulung werden ausgerüstet mit: Faulbehälter: i. M. ca. 600 m³ Einzelfallbetrachtung Gasverwertung: i. M. 35 kw el erforderlich!!! aktueller Stromverbrauch: GK 4: i. M. 35 kwh/(ew*a) (DWA A 216, Entwurf) ca kwh/d Strom aus Gasverwertung: ca kwh/d = ca. 45 % Reduzierung des Stromverbrauchs in der Belebung ca kwh/d Gesamt-Reduzierung: ca kwh/d = ca MWh/a ersparte Energiekosten ca. 3,6 Mio. /a (bei 0,20 /kwh) Bachelorarbeit S. Lakicevic,

5 Offene Fragen: Ist es energetisch sinnvoll, nachträglich eine Faulung zu errichten? Ist es wirtschaftlich sinnvoll, nachträglich eine Faulung zu errichten? Was kann die Landesregierung tun, um im Bereich Abwasserbehandlung einen Beitrag zu den energiepolitischen Zielen des Landes zu erbringen? Beispiel: Kläranlage ca EW nachträglich ausgerüstet mit Vorklärung, Faulung und BHKW 5

6 FB 550 m³, h = 7 m Gasspeicher ca. 200 m³, D 7,5 m NKB m³ Bio-P 500 m³ BB m³ KA EW Vorklärung, Faulung, Klärgasnutzung VKB 150 m³, D = 8,75 m BB m³ Beispiel: KA EW Ermittlung der erforderlichen Investitionen: sehr individuell Ansatz hier auf der Basis der Kostenrichtwerte gem.verordnung über Zuweisungen zum Bau von Abwasseranlagen 2006, Kostensteigerung seit 2006: 20 % (lt. Stat. Bundesamt) 6

7 Beispiel: KA EW Kostenrichtwerte Beispiel anaerobe Schlammstabilisierung [HMULV; 2006] bei EW: 450 * ,23 = 49,3 /EW Preissteigerung seit 2006: ca. 20 % (Faktor 1,2) 49,3 /EW Kostenansatz (2013): 49,3 * 1,2 = 59,1 /EW EW Kosten Faulung: * 59,1 = Bau: 60 % = M+E: 40 % = Beispiel: KA EW Abschätzung des verfügbaren Energieangebots: Primärschlamm: 525 kg TR/d 70 % otr 368 kg otr/d Klärgasproduktion 550 L/kg otr 202 m³/d Überschussschlamm: 500 kg TR/d 60 % otr 300 kg otr/d Klärgasproduktion 350 L/kg otr 105 m³/d Klärgasnutzung: Gesamt-Klärgasmenge 307 m³/d 65 % CH 4 Methan-Menge 200 m³/d ca kwh/d ca. 81 kwh/h BHKW η el = 32 % ca. 26 kwh el /h 7

8 Kostenbetracht tung Statische Kläranlage Beispiel EW VKB 150 m³, Faulung 550 m³, Gasspeicher, BHKW Einwohnerwerte EW Primärenergie 81,1 kw Schmutzwassermenge m³/d eta_el = 32,0% 26,0 kwel eta_th = 52,0% 42,2 kwth INVESTITIONEN Planung 12% von Invest , Bautechnik Preiserhöhung gegenüber % Vorklärbecken 756 /m³ 150 m³ ,00 Faulbehälter, Gasspeicher 35,5 /EW EW ,03 Rohrleitungen pschl ,00 Erweiterung Betriebsgebäude 1500 /m² 75 m² ,00 0,00 Unvorhergesehenes 10% von Invest ,40 Σ Bautechnik ,44 M- und E-MSR-Technik Preiserhöhung gegenüber % Vorklärbecken 504 /m³ 150 m³ ,00 maschinelle Voreindickung ,00 Faulbehälter, Gastechnik 23,7 /EW EW ,36 Erweiterung Heizungsanlage, Einbindung in vorh. Anlage ,00 BHKW (inkl. Peripherie) ,00 E-MSR-Technik ,00 Unvorhergesehenes 10% von Invest ,94 Σ M- und E-MSR-Technik ,29 SUMME INVESTITIONEN ,01 Kostenbetracht tung Statische Kläranlage Beispiel EW VKB 150 m³, Faulung 550 m³, Gasspeicher, BHKW Einwohnerwerte EW Primärenergie 81,1 kw Schmutzwassermenge m³/d eta_el = 32,0% 26,0 kwel eta_th = 52,0% 42,2 kwth SUMME INVESTITIONEN ,01 KAPITALKOSTEN Bautechnik und Planung 40 Jahre, 3 % Zinsen Annuitätsfaktor a= 0, ,11 /a Maschinen- und E-MSR-Technik 20 Jahre, 3 % Zinsen Annuitätsfaktor a= 0, ,05 /a SUMME KAPITALKOSTEN ,16 /a FESTE BETRIEBSKOSTEN Spez. Ansätze Wartung/Reparatur Bautechnik 1,0 %/a der Inv ,41 /a Maschinen- und E-MSR-Technik 2,5 %/a der Inv. Allg. (ohne BHKW) ,36 /a Aktivkohleaustausch 500,00 /a - spezifische Vollwartung (inkl. Generalüberholung) 1,50 /Bh ,00 /a Summe Wartung / Reparatur ,77 /a Personal (zusätzl. erforderlich) 30,00 /h 8,0 h/wo ,00 /a FESTE BETRIEBSKOSTEN ,77 /a SUMME FESTE KOSTEN ,93 /a VARIABLE BETRIEBSKOSTEN Energie Strombedarf 0,175 /kwh kwh/a ,40 /a Eigen-Strombedarf BHKW 0,175 /kwh kwh/a 2.184,53 /a Stromproduktion BHKW -0,175 /kwh kwh/a ,20 /a Propangas für Gebäude 0,75 /l l/a ,00 /a Summe Energiekosten variabel ,07 /a Klärschlammentsorgung 50,00 /t -97 t/a ,52 /a SUMME JAHRESKOSTEN netto ,35 /a spez. Kosten pro EW*a 7,08 /(EW*a) 8

9 Was kann die Landesregierung tun, um im Bereich Abwasserbehandlung einen Beitrag zu den energiepolitischen Zielen des Landes zu erbringen? Förderung von Investitionen zur energetischen Optimierung von Kläranlagen, die ohne Förderung nicht wirtschaftlich sind. Kostenbetracht tung Statische Kläranlage Beispiel EW VKB 150 m³, Faulung 550 m³, Gasspeicher, BHKW Einwohnerwerte EW Primärenergie 81,1 kw Schmutzwassermenge m³/d eta_el = 32,0% 26,0 kwel eta_th = 52,0% 42,2 kwth SUMME INVESTITIONEN 30 % Zuschuss?? ,30 KAPITALKOSTEN Bautechnik und Planung 40 Jahre, 3 % Zinsen Annuitätsfaktor a= 0, ,59 /a Maschinen- und E-MSR-Technik 20 Jahre, 3 % Zinsen Annuitätsfaktor a= 0, ,13 /a SUMME KAPITALKOSTEN ,72 /a FESTE BETRIEBSKOSTEN Spez. Ansätze Wartung/Reparatur Bautechnik 1,0 %/a der Inv ,41 /a Maschinen- und E-MSR-Technik 2,5 %/a der Inv. Allg. (ohne BHKW) ,36 /a Aktivkohleaustausch 500,00 /a - spezifische Vollwartung (inkl. Generalüberholung) 1,50 /Bh ,00 /a Summe Wartung / Reparatur ,77 /a Personal (zusätzl. erforderlich) 30,00 /h 8,0 h/wo ,00 /a FESTE BETRIEBSKOSTEN ,77 /a SUMME FESTE KOSTEN ,49 /a VARIABLE BETRIEBSKOSTEN Energie Strombedarf 0,175 /kwh kwh/a ,40 /a Eigen-Strombedarf BHKW 0,175 /kwh kwh/a 2.184,53 /a Stromproduktion BHKW -0,175 /kwh kwh/a ,20 /a Propangas für Gebäude 0,75 /l l/a ,00 /a Summe Energiekosten variabel ,07 /a Klärschlammentsorgung 50,00 /t -97 t/a ,52 /a SUMME JAHRESKOSTEN netto ,91 /a spez. Kosten pro EW*a 5,12 /(EW*a) 9

10 Dynamische Kostenbetrachtung / Kostenvergleichsrechnung KVR nach LAWA/DWA: KVR ermittelt den Projektkosten-Barwert, das sind alle Kosten, die in dem Betrachtungszeitraum (40 Jahre) anfallen, abgezinst auf den Zeitpunkt 0. Erst-Investition im Jahr 0 Ersatz-Investition (v.a. Maschinen- und E-MSR-Technik) im Jahr X, abgezinst auf das Jahr 0 alle Betriebskosten (Wartung, Personal, ), abgezinst auf das Jahr 0 Energieertrag, abgezinst auf das Jahr 0 allgemeine Preissteigerung wird herausgerechnet Dynamische Kostenbetrachtung / Kostenvergleichsrechnung KVR nach LAWA/DWA: KVR ermittelt den Projektkosten-Barwert, das sind alle Kosten, die in dem Betrachtungszeitraum (40 Jahre) anfallen, abgezinst auf den Zeitpunkt 0. Sensitivitätsanalyse: Maßgebliche veränderliche Parameter sind: kalkulatorischer Zinssatz (ohne Berücksichtigung der üblichen Preissteigerung) angenommene Kostensteigerung für allgemeine Leistungen nicht über die übliche Preissteigerungsrate hinaus angenommene Kostensteigerung für Energie über die übliche Preissteigerungsrate hinaus 10

11 Abhängigkeit: Preissteigerung Strom i.m. + 1,7 %/a i.m. + 5,7 %/a Differenz ca. 4 %/a Beispiel: KA EW Veränderung der Projektkostenbarwerte (Zeitraum 40 Jahre) in Abhängigkeit der Kostensteigerung der Energiepreise, Basis 0,175 /kwh (2013) VKB, Faulung, BHKW ohne Zuschuss VKB, Faulung, BHKW mit 30% Zuschuss VKB, Faulung, BHKW mit 30% Zuschuss, geringere Investitionen Preissteigerungsdifferenz Energiepreise gegenüber Lebenshaltungsindex 0,0%/a 1,0%/a 2,0%/a 3,0%/a 4,0%/a 5,0%/a 6,0%/a ca / 40 a ca /a ca. 0,80 /(EW*a)

12 Beispiel: KA EW Projektkostenbarwerte Zeitraum 40 Jahre in Abhängigkeit der Kostensteigerung der Energiepreise, Basis 0,175 /kwh (2013) VKB, Faulung, BHKW ohne Zuschuss VKB, Faulung, BHKW mit 30% Zuschuss VKB, Faulung, BHKW mit 30% Zuschuss, geringere Investitionen Preissteigerungsdifferenz Energiepreise gegenüber Lebenshaltungsindex 0,0%/a 1,0%/a 2,0%/a 3,0%/a 4,0%/a 5,0%/a 6,0%/a Investition und Betrieb einer Faulung ist langfristig wirtschaftlich h Ist eine Reduzierung der Investitionen möglich? (Beispiel: landw. Biogasanlagen) Billiger ist besser Billiger ist schlechter Warum sind Faulungsanlagen so teuer? Biogasanlagen sind sicherheitstechnisch bedenklich! Das geht auch billiger, sieht man doch bei den Ich brauche eine Anlage mit Biogasanlagen! geringem g Wartungsaufwand! Der Kläranlagenstandard ist zu hoch! Wer billig kauft, kauft zweimal! Müller-Schaper, PFI-Ingenieure,

13 Ökonomische und technische Rahmenbedingungen Parameter Faulungsanlagen Landw. Biogasanlagen Nutzungsdauer Bautechnik: a Bautechnik: 20 a (bei Sanierung weitere a) M- u. E-Technik: a (Förderung lt. EEG) M- u. E-Technik: a Substrat - TS Input ca. 2,5 5 % TS bis 35 % TS - Org. Anteil ca % ots i.d.r. > 90 % ots - min. Anteil Sehr kleine Korngröße z.t. Sand Gasproduktion im i.m. ca. 450 NL / kg ots zu bis ca. 700 NL / kg ots zu ca % CH 4 ca % CH 4 Raumbelastung B R 1,5 2 kg ots /(m³*d) 2-4 (bis 8) kg ots/(m³*d) TS bzw. TR im Reaktor ca. 1,5 3 % TS ca % TR Aufenthaltszeit t R ca Tage i.d.r. > 100 Tage Verzopfungsgefahr gegeben nicht gegeben ergänzt nach Müller-Schaper, PFI-Ingenieure, 2012 Ist eine Reduzierung der Investitionen möglich? ca. 1,0 Mio. landwirtschaftliche Biogasanlage: - Fermenter m³ - BHKW 200 kw el - Nachgärer m³ - BG ca. 75 m² plan-et-biogastechnik-gmbh 13

14 Bauform von landwirtschaftlichen Biogas-Fermentern flache Behälter, innenliegende Rührwerke, Gasspeicher direkt über Fermenter / Gärrestlager, einfache Entschwefelung über Luft Ist eine Reduzierung der Investitionen von kommunalen Faulungsanlagen möglich? wesentliche Unterschiede zu landwirtschaftlichen Biogasanlagen, die zu Mehrkosten führen: Vorklärbecken zusätzlich erforderlich Überschussschlammeindickung erforderlich Einbindung von VKB, Faulung, Eindickung, BHKW in die vorhandene E-MSR-Technik und in das PLS 14

15 Ansätze zur Verringerung der Investitionen von Faulungsanlagen Herstellerspezifisches Komplettsystem mit integriertem Gasspeicher Fermentersystem mit integrierter Gasspeicherhaube Fermenterheizung außen (KomBio-Reaktor Fa. Lipp) Ansätze zur Verringerung der Investitionen von Faulungsanlagen Ausführungsbeispiel eines kleinen Faulbehälters ( EW) Einfache Zylinderform Beschickung, Umwälzung und Abzug variierbar Rührwerk ziehbar keine Installationen im Reaktionsraum Beton in der Regel nicht teurer als Stahl Müller-Schaper, PFI-Ingenieure,

16 Ansätze zur Verringerung der Investitionen von Faulungsanlagen Vertikaler Pfropfenstromfermenter Impuls-Mischsystem Biogas Raumbelastung B R ca. 5 8 kg otr / (m³*d) Aufenthaltszeit t R ca Tage Faulbehälter deutlich kleiner geringer Energieverbrauch zur Durchmischung: 1,5 Wh/m³ Gärrest Substrat Sediment Morawe, Schwarting Biosystem, 2012 KA Schozachtal, ca EW V FB : 280 m³ t R = 6 7 Tage Ansätze zur Verringerung der Investitionen von Faulungsanlagen Niederdruckgasbehälter mit Doppelmembran und Stützluftgebläse Müller-Schaper, PFI-Ingenieure,

17 Ansätze zur Verringerung der Investitionen von Faulungsanlagen Klein-BHKW im Container mit Fackel Haase Energietechnik AG Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Wir sollten uns um die Zukunft sorgen, denn wir werden den Rest unseres Lebens darin verbringen nach Charles Kettering, Amerikanischer Erfinder ( ) Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Technische Hochschule Mittelhessen Tel.: Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen 17