EuWaK Erdgas und Wasserstoff aus Kläranlagen. Dr.-Ing. K.-Georg Schmelz, Dipl.-Ing. Patrick Schulte Emschergenossenschaft/Lippeverband

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1 EuWaK Erdgas und Wasserstoff aus Kläranlagen Dr.-Ing. K.-Georg Schmelz, Dipl.-Ing. Patrick Schulte Emschergenossenschaft/Lippeverband

2 Faulbehälter

3 Konzept zur Faulgasnutzung auf einer Kläranlage BHKW Strom Eigenbedarf Einspeisung nach EEG Heizkessel Wärme Heizung Faulbehälter + Gebäude Notkühler (z.t. im Sommer) Fackel Wärme Heizung Faulbehälter + Gebäude nur in Ausnahmefällen

4 Steigende Herausforderungen bei Energieversorgung und Verkehr Ziel der Bundesregierung: Ausbau der Biokraftstoffe von 6 % (2006) auf 17 % (2020) Neue Lösungen für Energieversorgung und Mobilität nötig Wasserstoff als wichtiger Baustein Voraussetzung: Bereitstellung der Infrastruktur steigende Preise steigende Mobilität Abhängigkeit von Erdöl Emissionen

5 Kläranlagen als Produzenten von Erdgas und Wasserstoff Kläranlagen als Baustein der Erdgas- und Wasserstoff-Infrastruktur: - flächendeckendes Netz - Infrastruktur und technisches Know-how vorhanden - dezentrale Erzeugung, Fahrzeugflotten als Abnehmer - Faulgas als Rohstoff für die Erdgas- und Wasserstoffproduktion Perspektiven für Kläranlagen: kurzfristig: Erdgas als Kraftstoff und Einspeisung ins Netz langfristig: stationäre und mobile Wasserstoffnutzung aus Kläranlagen als Teil der Energie- und Klimaschutzstrategie NRW

6 Kläranlagen in Deutschland (> EW) 237 Kläranlagen > EW

7 Emschergenossenschaft und Lippeverband in der EU

8 Kläranlagen bei Emschergenossenschaft und Lippeverband flächendeckendes Netz von Kläranlagenstandorten

9 Potenzialabschätzung Wasserstoff aus Faulgas Wasserstoff-Potenzial bei EG/LV: - 60 Mio. m³ pro Jahr - Versorgung von ca PKW Wasserstoff-Potenzial aus Faulgas in Deutschland (> EW): Mio. m³ Wasserstoff (1% der gesamten -Produktion) Wasserstoff-Potenzial aus dem gesamten Faulgas in Deutschland: - 1,65 Mrd. m³ Wasserstoff - entspricht km-leistung von 525 Mrd. km/a (1,2% der gesamten PKW-Fahrleistung in Deutschland)

10 Nutzungsmöglichkeiten für Faulgas Wärmeerzeugung (Heizkessel) Strom- und Wärmeerzeugung mit Faulgas-BHKW Faulgas Erdgas Wasserstoff Direktantrieb (z.b. Gebläse) Verkauf von Faulgas als Sondergas Einspeisung in das Erdgasnetz Faulgas Strom- und Wärmeerzeugung mit Wasserstoff-BHKW Kraftstoff für Wasserstoff-Fahrzeuge Kraftstoff für Erdgasfahrzeuge Portable Anwendungen (Kartuschen für Laptops, Mobiltelefone etc.) Lieferung an externe Verbraucher (Hausbrennstoffzellen)

11 Zusammensetzung von Faulgas Konzentration Hauptkomponenten Methan [Vol-%] Wasserstoff [Vol-%] 0-1,5 Sauerstoff [Vol-%] 0-1,5 Stickstoff [Vol-%] 0-5 Kohlendioxid [Vol-%] Nebenkomponenten Summe Silizium (Siloxane) [mg/nm³ ] bis zu 150 Summe Fluor [mg/nm³ ] 1-5 Summe Chlor [mg/nm³ ] 1-5 Summe Schwefel [mg/nm³ ] Benzol [mg/nm³ ] 0-5 Toluol [mg/nm³ ] 0-10 Xylol [mg/nm³ ] 0-10 Höhere Kohlenwasserstoffe [mg/nm³ ] Halogenierte Kohlenwasserstoffe [mg/nm³ ] Relative Feuchte [%] (Quelle: Hiller und Urban 2005)

12 Aufbereitung von Faulgas zu Erdgas und Wasserstoff Faulgas 60 % 35 % CO 2 N 2, Spurenstoffe Entfernung von Spurenstoffen Druckwechseladsorption Erdgas % < 4 % CO 2 + N 2 Reformierung Wasserstoff > 99 % CO 2 N 2 CH CH 4 4 CO 2 N 2 N2 CO 2 CH4 N 2 H 2 H2 H2 CO2 N 2 CO 2 CO 2 N 2 N 2 N 2 N 2 CO N 2 CO 2 CO 2 N 2 CO

13 Historie 1948 bis 1956: Verkauf von Emscherbrennstoff aus der Flasche an der Gastankstelle der Kläranlage Essen-Frohnhausen

14 Beispiele zur Aufbereitung von Faulgas und Biogas Deutschland: Aufbereitung auf Erdgasqualität mittels Druckwäsche bei - Kläranlage Stuttgart-Mühlhausen (1986 bis 1993) Einspeisung in Erdgasnetz - Kläranlage Mönchengladbach-Neuwerk (Niersverband, 1986 bis 1993) Erdgas-L-Qualität, Einspeisung in Erdgasnetz Derzeit 14 Projekt in Deutschland zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz (geplant oder im Bau) Schweden: umfangreiche großtechnische Erfahrungen mit guter Wirtschaftlichkeit (mind. 12 Tankstellen für Bio-Erdgas, Stand 2000) Schweiz: mehrere Anlagen mit Gasaufbereitung, Tankstellen und Einspeisung (Bioabfallvergärungsanlagen, KA Luzern)

15 Forschungsprojekt EuWaK Projektförderung: - MKULNV NRW - Europäische Union Projektbeteiligte: - Emschergenossenschaft - Stadt Bottrop - bte Beratungsteam: TUTTAHS & MEYER IBR FiW

16 Konzept für Erdgas und Wasserstoff aus Kläranlagen Biomasse Faulgaserzeugung Gasaufbereitung Reinigung Reformierung Methananreicherung Bioabfall Wasserstoffspeicher Klärschlamm Biogas Wasserstoff Erdgas Legende Sonstige Stoffströme Quelle: nach Schröder, M.: Produktionsunternehmen Kläranlage - Baustein der zukünftigen Infrastruktur zur Energie und Wasserversorgung. KA - Abwasser, Abfall 2002 (49) Nr. 10, S Einspeisung in das Erdgasnetz Gas Tankstelle mit Wasserstoff und Erdgas Wasserstoff Externer Verbraucher (Wasserstoffmotor im Schulzentrum mit Schwimmbad)

17 Verfahrenstechnik Verdichter Faulgas 120 Nm³/h Entfeuchtung durch Kühlung Aktivkohlefilter BTEX / KW und Siloxan Elimination Aktivkohlefilter Entschwefelung PSA Reformierung CO-Shift PSA Druckerhöhung & Speicherung Wasserstoff für Verbraucher Nm³/h 4 Druckerhöhung & Speicherung Tankstelle Biomethan für Fahrzeuge Nm³/h Wasserstoff Tankstelle für Fahrzeuge

18 Projektziele Pilothafte Realisierung der gesamten Wasserstoffinfrastruktur (stationär und mobil) Quelle: Quelle: Medienforum Deutscher Wasserstofftag 2003 Praxistest Reinwasserstoffherstellung aus Faulgas Wirtschaftlichkeitsuntersuchung der Wasserstoffproduktion aus regenerierbaren Energiequellen Langfristig: Bereitstellung der Infrastruktur für die mobile Brennstoffzellenanwendungen ( -Tankstelle)

19 Räumliche Übersicht Kläranlage - Schulzentrum Erdgastankstelle Wasserstoffleitung (ca. 900 m) -Tankstelle Erdgas- und Wasserstoffaufbereitung Schulzentrum Welheimer Mark: BHKW-Standort

20 Aufstellung Gasaufbereitung - Aufstellung in drei Containern Steuerung Wasserstofferzeugung Erdgasanreicherung

21 Wasserstoffleitung Genehmigung nach GasHL-VO Begleitung durch TÜV-Gutachten Betriebsdruck 13 bar ständige Überwachung über Betriebszentrale Lecküberwachung (Bilanzierung)

22 Bio-Erdgas Tankstelle Verdichtung auf 250 bar Speicherung in 3-Bank- Flaschenspeicher Abgabe an Dienstfahrzeuge Quelle:

23 BHKW Gasmotor umgerüstet für Betrieb mit 100 % Wasserstoff Leistung 65 kw el besondere Lärmschutzmaßnahmen erforderlich (Einhaltung der Immissionsrichtwerte für Wohngebiete) Einbindung in das Strom- und Wärmenetz der Schule

24 Wasserstoff-Tankstelle zwei Zapfsäulen mit Fülldrücken 200 und 350 bar Betankung von zwei Brennstoffzellen-Bussen im HyChain-Projekt (Vestische Straßenbahnen GmbH) Anbindung an die EuWaK-Wasserstoffproduktion geplant grüner Wasserstoff für Fahrzeuge

25 Betriebserfahrungen in 2009/2010 noch geringe Auslastung durch Wartungsarbeiten, Optimierung und Störungsbeseitigung, höhere Auslastung in 2011 Anpassungen beim -Motor (Prototyp): Optimierung Zündzeitpunkte, Gasregelstrecke Biomethan mit sehr guter Qualität (im Mittel >97% Methan) zusätzlicher Aktivkohlefilter zur BTEX- und KW-Elimination erforderlich (Online-Überwachung mittels Prozessgasanalysator) Wirkungsgrade: - Faulgas Biomethan: 90% - Biomethan Wasserstoff: 50%

26 Das Gesamtkonzept Gaserzeugung Gasaufbereitung z.b. Faulung, neue Verfahren Reinigung Reformierung Biogas Sauerstoff Strom Wasserstoff Wärme Legende Sonstige Stoffströme Abwasserreinigung (Haupt- oder Nebenstrom) Gebläsestation Luft Interner Wärmeverbrauch Klärschlamm Wasserstoffspeicher Wasserstoffverbrennung Brennstoffzelle, Gasmotor, Gasturbine EVU-Netz (Quelle: Wöffen, 2011)

27 Das Gesamtkonzept Gaserzeugung Gasaufbereitung z.b. Faulung, neue Verfahren Reinigung Reformierung Biogas Sauerstoff Strom Wasserstoff Wärme Legende Sonstige Stoffströme Klärschlamm Sauerstoffspeicher Abwasserreinigung (Haupt- oder Nebenstrom) Gebläsestation Luft Interner Wärmeverbrauch Wind Elektrolyseur Sonne Wasserstoffspeicher Wasserstoffverbrennung Brennstoffzelle, Gasmotor, Gasturbine Wasser EVU-Netz (Quelle: Wöffen, 2011)

28 Das Gesamtkonzept Biomasse Bioabfall Gaserzeugung Gasaufbereitung z.b. Faulung, neue Verfahren Reinigung Reformierung Biogas Sauerstoff Strom Wasserstoff Wärme Legende Sonstige Stoffströme Klärschlamm Sauerstoffspeicher Abwasserreinigung (Haupt- oder Nebenstrom) Gebläsestation Luft Erdgas Wind Elektrolyseur Externe Anlieferung Interner Wärmeverbrauch Sonne Dreistoff- Tankstelle Wasserstoffspeicher Wasserstoffverbrennung Brennstoffzelle, Gasmotor, Gasturbine Wasser Gas Biodiesel Wasserstoff Externe Verbraucher (Hausbrennstoffzelle) EVU-Netz (Quelle: Wöffen, 2011)

29 Reduzierung Stromverbrauch / Steigerung der Eigenerzeugung Entwicklung des Energieverbrauchs der Kläranlagen 2002 bis 2008 Eigenerzeugung KA EG/LV Gesamtverbrauch KA EG/LV EW (CSB85%-3a) EGLV Mio. kwh/a % - 13 % + 42 % 38 % ,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Mio. EW (CSB-85%-Wert, 3a) Die Eigenenergieerzeugung wurde im Vergleich mit 2002 um 42 % gesteigert und der Energieverbrauch um 13 % gesenkt.

30 Reduzierung Stromverbrauch / Steigerung der Eigenerzeugung Energieanalysen / Benchmarking Optimierung des Energieverbrauchs z. B. durch - bessere Regelung (Belüftung, Umwälzung ) - Antriebe mit höherem Wirkungsgrad - Lastmanagement Steigerung der Eigenenergieerzeugung z. B. durch - BHKW auch auf kleinen Kläranlagen - BHKW mit besseren Wirkungsgraden - Einführung der Co-Vergärung

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!