Energieautarke Kläranlage Utopie oder Realität?
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- Catharina Lehmann
- vor 7 Jahren
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1 42. Tagung Klärwerkpersonal des Kantons Graubünden Klosters-Serneus Energieautarke Kläranlage? Dr. Jürg Kappeler, Kappeler Concept AG Kontakt: 18. August 2010
2 Inhalt Einleitung Aktuelle Situation Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Muster-Kläranlage Folgerungen
3 Einleitung von 1990 bis 1995 erste Welle von Massnahmen zur Energieoptimierung in Kläranlagen (z.b. Grob- und Feinanalysen; CH führend) danach Energiebewusstsein wieder abnehmend inzwischen erneute Sensibilisierung der Gesellschaft hinsichtlich Energieproblematik (z.b. Vielzahl von neuen Vorgaben zu Ideal-Energieverbrauch oder Eigenversorgungsgrad etc.)
4 Einleitung Bedeutung des Energieverbrauchs Kostenfaktor (Senkung der Betriebskosten durch Reduktion des Energieverbrauchs möglich) Einsparung von nicht erneuerbaren Rohstoffen durch Produktion und Nutzung von Klärgas als wertvollen Energieträger Klimaschutz (Reduktion des CO 2 -Ausstosses) Kläranlagen grosser Energieverbraucher in Kommunen (ca. 1/7 des gesamten Stromverbrauchs)
5 kwh/(ew CSB,120,mittel *a) Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation spezifischer Elektrizitätsverbrauch Gesamtanlage Spezifischer Elektrizitätsverbrauch Gesamtanlage spezifischer Energieverbrauch Gesamtanlage Richtwert gesamter Elektrizitätsverbrauch sortiert nach Anlagenbelastung (EW CSB,120,mittel )
6 kwh/(ew CSB,120,mittel *a) Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation spezifischer Elektrizitätsverbrauch nach Kostenstellen Spezifischer Elektrizitätsverbrauch Gesamtanlage bezogen auf Kostenstellen sortiert nach Anlagenbelastung (EW CSB,120,mittel ) spez. Elektrizitätsverbrauch Diverse spez. Elektrizitätsverbrauch Trocknung/Verbrennung spez. Elektrizitätsverbrauch Entwässerung spez. Elektrizitätsverbrauch Faulung spez. Elektrizitätsverbrauch 4. Stufe spez. Elektrizitätsverbrauch Biologie spez. Elektrizitätsverbrauch mech. Stufe inkl. P-Fällung spez. Elektrizitätsverbrauch Zulaufhebewerk
7 % Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation Eigenversorgungsgrad Elektrizität Eigenversorgungsgrad Elektrizität 100 Eigenversorgungsgrad Elektrizität Richtwert Eigenversorgungsgrad elektrisch sortiert nach Anlagenbelastung (EW CSB,120,mittel ) Anlage 6: Gas an Fernwärme Anlage verkauft Anlage 12: keine Faulung, keine Gasproduktion Anlage 1: keine Faulung, keine Gasproduktion Anlage 13: keine Faulung, keine Gasproduktion
8 % Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation Eigenversorgungsgrad Wärme Eigenversorgungsgrad Wärme Richtwert Eigenversorgungsgrad Wärme Eigenversorgungsgrad Wärme sortiert nach Anlagenbelastung (EW CSB,120,mittel ) Anlage 6: Gas an Fernwärme Anlage verkauft Anlage 12: keine Faulung, keine Gasproduktion Anlage 1: keine Faulung, keine Gasproduktion Anlage 13: keine Faulung, keine Gasproduktion
9 Strombilanz (Mio. kwh/a) Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation Energieproduktion, -einkauf und bedarf Stromeinkauf Stromproduktion restl. Anlagen Schlammentwässerung Biologie Produktion/Einkauf Verbrauch
10 Wärmeproduktion versus Wärmebedarf (kwh/monat) Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation Wärmeproduktion und Wärmebedarf Wärmeeinkauf (verbrauchtes Heizöl) Gasheizung (Primärenergie Faulgas) produzierte Wärme BHKW Wärmebedarf 0 Mrz 08 Apr 08 Mai 08 Jun 08 Jul 08 Aug 08 Sep 08 Okt 08 Nov 08 Dez 08 Jan 09 Feb 09
11 Wärmebedarf resp. -produktion (kwh/mon) Energieautarke Kläranlage- Aktuelle Situation Eigenversorgungsgrad Wärme Lüftungen Gebäude Schlammbehandlung Rechengebäude BG/SG mit Garage Faulraum Abstrahlung Frischschlammerwärmung mittlere Wärmeproduktion ARA Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
12 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Energieoptimierung 1. Priorität effiziente Vorklärung und allenfalls Einsatz einer Vorfällung Optimierung der Biologie Kontrolle Steuerung Energiemanagement Optimierung von BHKW und/oder Mikrogasturbine Eindickung des Überschuss- oder Frischschlamms (bei ungenügender eigener Wärmeproduktion)
13 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen effiziente Vorklärung und allenfalls Einsatz einer Vorfällung Faulung von partikulären organischen Abwasserinhaltsstoffen statt Oxidation Nachteil: bessere Feststoffabscheidung in Vorklärung bewirkt geringere Stickstoffelimination (Denitrifikation) Kompensation durch separate Behandlung der mit Ammonium hochbelasteten Rückläufe aus der Schlammbehandlung möglich
14 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Biologie höchster Elektrizitätsverbrauch nach Kostenstellen Betrieb der Belebtschlammbiologie anhand Sicherheitsfaktor gegen Ausspülen der Nitrifikanten (Reduktion des Trockensubstanzgehalts in warmen Monaten) Denitrifikation richtig ausgelegte Gebläse (z.b. auch nachts) oder allenfalls intermittierender Betrieb Vorsicht bei Minimierung Belüftung (O 2 -Gehalt; Entstehung von klimaschädlichem Lachgas)
15 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Biologie Wirbelbettverfahren klassisches Wirbelbett nicht mehr zeitgemäss Hybrid-Wirbelbett als zweckmässiges Verfahren (Ideal-Zustand: O 2 -Messung in jedem Kompartiment und Anpassung O 2 - Eintrag) mit Hybrid-Wirbelbett nahezu Energieeffizienz von Belebtschlammanlagen erreichbar
16 Erdgasbezug resp. Notkühler (kwh/d) Energieautarke Kläranlage- Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Kontrolle Steuerung Energiemanagement Steuerung: Erdgasbezug und gleichzeitig Notkühlung Faulturm als riesiger Wärmespeicher Anpassung Soll-Temperatur von Faulung (Sommer/Winter) 30'000 25'000 Erdgas Notkühler 20'000 15'000 10'000 5'
17 effektiver elektrischer Wirkungsgrad BHKW (%) Energieautarke Kläranlage- Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Optimierung von BHKW und/oder Mikrogasturbine Einsatz alter Blockheizkraftwerke und/oder ungünstiger Betrieb in Teillast oft mit schlechtem Wirkungsgrad Mikrogasturbinen: starke Verschlechterung des Wirkungsgrads bei ungenügender Wärme- abfuhr
18 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Eindickung des Überschuss- oder Frischschlamms falls Anlage nicht wärmeautark (z.b. Faulturm im Grundwasser), dann wirkungsvollste Massnahme
19 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen Energieoptimierung 2. Priorität Verbesserung der Wirkungsgrade Anpassung Temperaturniveaus (z.b. bei Entlüftung mit Luftwechsel) Reduktion der Pumpenhöhe Gebäudeisolation Reduktion der Wassermenge (Fremdwasser) Co-Vergärung (v.a. gelöste Substrate) Wärmerückgewinnung des ausgefaultem Schlamm Wärmenutzung von Gebläsestation, Kollektorleitungen etc. Wärmenutzung aus Abwasser Einsatz von Photovoltaik
20 Prioritäre Einflussfaktoren für energieeffiziente Kläranlagen zu beachten bei Kennzahlenvergleichen: Industrieabwasseranteil (z.b. bei Vergleich von kwh/ew.a) Verarbeitung von Co-Substraten und Fremdschlämmen (spezifische Gasproduktion, Eigenversorgungsgrad) Entwässerung und Trocknung der Schlämme
21 Muster-Kläranlage kommunale Kläranlage mit mechanischer Stufe Belebtschlamm-Biologie Phosphatfällung Faulung mit Gasverwertung Entwässerung Annahme Wärmeautarkie Eigenversorgungsgrad Elektrizität ca. 45% Randbedingungen kein Einsatz von Fremdschlamm oder Co-Substraten in der Faulung Entwässerung des gefaulten Schlamms (keine Trocknung)
22 Standardfall Standardfall mit Vorklärung 1.5 h Standartfall mit Vorfällung Standardfall mit Vollastbetrieb BHKW Standardfall mit Denitrifikation 30% Alle Optimierungsmassnahmen zusammen (Vorfällung, Deni, BHKW) Eigenversorgungsgrad Elektrizität (%) Energieautarke Kläranlage- Muster-Kläranlage 1.Fall: Standard (Daten 2009) 2.Fall: mit Vorklärung 1.5h 3.Fall: mit Vorfällung 4.Fall: mit Vollastbetrieb BHKW 5.Fall: mit Denitrifikation 30% 6.Fall: alle Massnahmen zusammen Eigenversorgungsgrad 85% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
23 Folgerungen energieautarke Kläranlage ist realistisch (Hinweise aus BM-Projekten) zukünftige energieeffiziente Kläranlage sehr grosse Vorklärung (allenfalls mit Vorfällung) Verfahren Biologie: Belebtschlamm oder Hybrid-Wirbelbett separate Behandlung der Rückläufe (z.b. Anammox- Verfahren) Überschussschlamm- oder Frischschlamm-Eindickung BHKW bei voller Leistung mit Wirkungsgrad 35% Energiedaten in Controlling-Instrument integrieren
24 Folgerungen Vorgehen bei Optimierung 1. relevante Kennzahlen ermitteln 2. Vergleich (z.b. mit Datensatz aus Benchmarking-Projekt), um Kennzahlen in Zusammenhang zu stellen und Potenziale zu ermitteln 3. Erstellung und Beurteilung von Massnahmen (Machbarkeit/Wirtschaftlichkeit) 4. Umsetzung der Massnahmen 5. Erfolgskontrolle
25 Folgerungen energieautarke Kläranlage wird in ca. 5 Jahren Realität!
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