Möglichkeiten und Potenziale der. Energieerzeugung mittels Abwasser

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1 Möglichkeiten und Potenziale der Energieerzeugung mittels Abwasser PD Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn

2 Potenziale für die Energieerzeugung 1. Klärschlamm 2. Co-Substrate (z.b. Fett, Bioabfall) 3. Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) 4. Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten)

3 Anaerobe Schlammstabilisierung Faulung von - Primärschlamm - Überschussschlamm Verfahrensführung - 1-stufig - mehrstufig - mesophil - thermophil

4 Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme TS = 3,5% ( Primärschlamm ) F TS = 7% ( 9% ) F TS = 3,0% ( PS : ÜS = 1,1 : 1 ) F TS = 3,3% ( Überschußschlamm ) F TS = 5,5% ( FS - Rückführung ) F TS = 0,9% F Aufenthaltszeit t TS in d (Kapp, 1984) Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit

5 Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate Substrat Primärschlamm Überschussschlamm PS+ÜS Kohlenhydrate Eiweiße Fette* Gasproduktion [NL/kg otr zu ] CH 4 -Gehalt 60-65% 60-65% 60-65% 50% 84% 70% (*1 kg Fett = 10 kwh Primärenergie) Gaspotenzial aus biogenen Reststoffen

6 Der Wert des deutschen Rohschlamms (RS) Ressource Marktwert Wert RS [ /ttr] Ressourcenpotential Deutschland [ /a] Phosphor (P) 3,13 /kg P 89, Stickstoff (N) 1,03 /kg N 38, Feststoffe (TS) 0,094 /kg TS 93, Σ = 530 Mio. /a bzw. 220 / t TR Rohschlamm

7 Abwasser als Gemisch von Ressourcen N, P, K H 2 O "Problemstoffe" Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen

8 Stoffstromanalyse kommunales Abwasser 97,5% 87% Wassermenge Stickstoff (N) Phosphor (P) Kalium (K) Organik (CSB) Anteile [%] 34% 41% 50% 54% 40% 47% 10% 3% Grauwasser 12% 12% 10% 0,8% 1,8% Gelbwasser Braunwasser (nach Otterpohl, 2002)

9 Organische Verbindungen (CSB) als Ressource Aerober Abbau CSB Belüftung - 0,35 kwh EL /kg CSB CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 + 0,9 kwh EL /kg CSB CSB BHKW Biogas- Anlage

10 Die Ressource Stickstoff (N) - Energiebilanz von Erzeugung und Elimination N 2 N 2 N-Dünger Haber-Bosch - 10 kwh EL /kg N - 3 kwh EL /kg N Σ = - 13 kwh EL /kg N bzw kwh Prim. /kg N

11 Angepasste Abwassertechnik Bisher (herkömmliches Abwasser) P N 2 CSB, NH 4 + Vergleich V BB -75% Nach Abtrennung von Gelbwasser P + N 2 CSB NH 4 O 2-50% ÜS d +5% Fe %

12 Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für Deutschland Aerober Abbau Belüftung - 2,2 Mio. MWh EL /a (= 250 MW EL ) 3,6 Mio. t CSB/a + 0,3 Mio. t N/a CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 3,6 Mio. t CSB/a BHKW Biogas- Anlage + 4 Mio. MWh EL /a (= 460 MW EL )

13 Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW

14 Marktwert der Ressource Abwasser (für 6,6 Mrd. Menschen) P K 13,6 Mrd. /a 8,6 Mrd. /a N 27,3 Mrd. /a Σ = 87,9 Mrd. /a CSB 38,4 Mrd. /a ( 43,8 GW EL )

15 ...und Kosten für deren Entsorgung Wert der Ressourcen 87,9 Mrd. /a 495 Mrd. /a Entsorgungskosten (bei 75 /EWa)

16 Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Faulgas Schwarzwasser 55 C Fest/Flüssig- Trennung Feststoff zur landwirtschaftl. Verwertung Produkte: Faulung MgO H 2 SO 4 MAP-Fällung NaOH Luft Fest/Flüssig- Trennung flüssig Ammoniak- Strippung MAP Flüssigphase zur Kläranlage Luft (NH 4 ) 2 SO 4 - Lösung

17 Konzept zur direkten Verwertung Anbau Nachwachsender Rohstoffe

18 Stoffstromanalyse des Fallbeispiels BS ( EW) Zudüngung Mineraldünger 0 kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S ca. 1/3 der Stromproduktion vom HKW BS-Mitte; Düngung mit Schwarzwasser kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Maisanbau auf ha Verluste kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S t/a Mais FM Biogasanlage Maissilage Biogas Einspeisevergütung: ca. 9,7 Mio. BHKW 10,3 MW Externe Vermarktung Output Wirtschaftsdünger kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S 90,5 GWh el. /a 54 GWh therm. /a

19 Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 82 Mio. EW) Energiebedarf/-ertrag [MW prim Leistung] Abwasserreinigung (AR) (32 kwh/ewa) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR

20 Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 82 Mio. EW) Energiebedarf/-ertrag [MW prim Leistung] Abwasserreinigung (ARA) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA 4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe

21 Synergien zur CO 2 -Reduzierung durch Energieerzeugung aus Abwasser 1. Energiegewinn aus Abwasser 2. Energieeinsparung auf konventionellen Kläranlagen 3. Energieeinsparung bei der Düngemittelproduktion 4. Aufbau von Wertschöpfungsketten (z.b. Anbau von NaWaRo) Stoffstromseparation und Verwertung

22 Danke!