Auf dem Weg zur energieautarken Kläranlage - Smarter Arealnetzbetrieb

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1 Auf dem Weg zur energieautarken Kläranlage - Smarter Arealnetzbetrieb Frank Obenaus Emschergenossenschaft / Lippeverband 12. IFWW-

2 Gliederung Einführung/Motivation Basisdaten Bausteine zur Erhöhung der Eigenenergieerzeugung Zielgrößen Arealnetzbetrieb Planungs- und Entwicklungswerkzeug Szenario für die Standortentwicklung Fazit 12. IFWW-

3 Einführung/Motivation Effizienzsteigerung und weitestgehende Unabhängigkeit von der externen Stromversorgung seit längerem Zielstellung von Betreibern und Planern kommunaler Kläranlagen Reduktion der CO 2 -Emissionen aktuelle Herausforderung / Zusätzlicher Impuls durch erforderliche Energiewende Hindernisse durch lokale Randbedingungen (Zulaufbedingungen, Anlagenbestand, Anlagenausrüstung) Energie-autonome Anlage im Entwurf denkbar im Bestand nur mit erheblichen zusätzlichen Aufwendungen umsetzbar zusätzliche Energiequellen umfangreiche Umbau-/Erneuerungsarbeiten (z. B. Belüftungssystem) Dynamische Bewirtschaftung des Gesamtsystems aus Erzeugung, Verbrauch und Speicherung maßgeblicher Erfolgsfaktor Lokale Rahmenbedingungen bieten jedoch auch Potentiale 12. IFWW-

4 Basisdaten - Emschergenossenschaft/Lippeverband Ɖ 60 Kläranlagen / Kapazität 7,3 Mio. EW to TR/a und ca. 172 GWh/a 4 % des Klärschlammanfalls und des Stromverbrauchs aller Kläranlagen in Deutschland 12. IFWW-

5 Basisdaten - Kläranlage Bottrop Standortverbrauch: ca. 50 GWh/a Erzeugungsquote: ca. 60 % Erhebliche Abwärmeüberschüsse 12. IFWW-

6 Bausteine zur Erhöhung der Eigenenergieerzeugung - Standard Erneuerung der BHKW-Anlagen relative Steigerung % Co-Vergärung großes Potential, jedoch schwieriger Markt, substratabhängig ggf. hoher Betriebsaufwand, genehmigungsrechtlich kompliziert Neubau Wirbelschichtofenanlage deutliche Wirkungsgradsteigerung Weiterentwicklung zum Schlammkraftwerk Obligatorisch: Lastmanagementsysteme Abnahmeausgleich/Spitzensteuerung Gründung DENA-AK Lastmanagement 02/ IFWW-

7 Bausteine zur Erhöhung der Eigenenergieerzeugung - Windkraft Rotordurchmesser/Nabenhöhen: < 20 > 100 m / < 40 > 150 m Erträge inzwischen um % gesteigert Drehzahlvariabilität / Pitchfähigkeit Übliche Leistungen onshore inzwischen 2 3 MW Gestehungskosten ( /MWh el ) inzwischen marktfähig / gegenüber 1980 um rd. 2/3 gesenkt Rotordurchmesser [m] Nabenhöhe [m] 1980 HEUTE 12. IFWW- Aus: Die Zukunft der Energieversorgung Herausforderungen durch die Energiewende in Deutschland, Prof. Dr. Fritz Vahrenholt, Ingenieurtag des Bistums Essen, Haus der Technik, 30. Januar 2012

8 Bausteine zur Erhöhung der Eigenenergieerzeugung - Speicheroptionen Klärgasspeicher / Hochdruckgasspeicher (Kugelgasbehälter) Pumpspeicherkraftwerke (Speicherung/Rückgewinnung von Förderenergie) Wirtschaftlichste Speicherform / nicht 1 : 1 übertragbar auf KLA Energiespeicherung über Brennstoffmanagement in der Wirbelschichtofenanlage Speicherung von Überschuss-Windstrom über Elektrolyse in Form von Sauerstoff und Wasserstoff (optional: Druckerhöhung mit Überschusswindstrom) Perspektivisch: Druckluftspeicher, Batterien derzeit noch nicht marktfähig 12. IFWW-

9 Bausteine zur Erhöhung der Eigenenergieerzeugung Solarenergie/Photovoltaik/Wasserkraft Solarunterstützte Klärschlammtrocknung mit Abwärme Stand der Technik Photovoltaik Wirtschaftlichkeit ist regelmäßig zu überprüfen Kleine Wasserkraft Potential im Fall Bottrop max. 1 2 % des derzeitigen Standortverbrauchs Effiziente Technik bei kleinen Fallhöhen (1 2 m) noch nicht marktverfügbar 12. IFWW-

10 Zielgrößen Arealnetzbetrieb Kurz- bis mittelfristig: Spitzensteuerung / Optimiertes Lastprofil Langfristig: Netzorientierte Verbrauchs- und Produktionssteuerung ( Demand Side Management ) Stellgrößen: Einspeisung, Entnahme, Speicherung, Lastabwurf MW MW Zielstellung für Abnahmepunkt: Kurz- bis mittelfristig h h MW SOLL IST MW SOLL IST Zielstellung für Netzbe- und -entlastung: langfristig h h 12. IFWW-

11 Planungs- und Entwicklungswerkzeug Dynamische Simulation Stand der Technik für Klär- und Energieanlagen Zusammenführung zu einem integrierten Standortmodell Einfluss von Störgrößen Durchführung von Langzeitbetrachtungen Effekte unterschiedlicher Betriebsstrategien Gewinnung von Basisdaten für die verfahrenstechnische Auslegung und Dimensionierung der Komponenten Identifikation und Entwicklung der maßgeblichen Steuerstrategien und Algorithmen z. B. Bedarfsdeckung Strom und Wärme der Kläranlage Stromverbrauchsprognosen. Grundlagen für die Implementierung in das Prozessleitsystem F + E Projekt 12. IFWW-

12 Szenario für die Standortentwicklung - Hybridkraftwerk Erzeugungsquote je Szenario: ca % 12. IFWW-

13 Szenario für die Standortentwicklung - Hybridkraftwerk Szenario Windenergie 1 WEA 2 MW 7 % 2 WEA je 2 MW 13 % 2 WEA je 2 MW 13 % BHKW 4 BHKW je 1,2 MW 35 % 4 BHKW je 1,2 MW 34 % 4 BHKW je 1,2 MW 35 % Dampfturbine Kleiner Ofen 14 MW* 51 % Großer Ofen 18 MW* 59 % Kleiner Ofen 14 MW* 51 % % vom Gesamtverbrauch 93 % 106 % 99 % * Feuerungswärmeleistung 12. IFWW-

14 Szenario für die Standortentwicklung - Hybridkraftwerk IST-Zustand CO 2 -Emissionen: - 35 % Perspektivisch* 12. IFWW- Wärmeverluste: - 70 % Abwärmenutzung: + 53 % Wirkungsgrad Energieerzeugung: + 90 % * Ohne Windkraft und BHKW

15 Fazit Bisherige Denkansätze aussichtsreich Planerische Vertiefung erforderlich konventionell / zu optimieren: BHKW zzgl. Gasspeicher Stand der Technik / Neubau: Solare Klärschlammtrocknung, Windkraft, kleine Wasserkraft Innovativ / zu entwickeln: Intelligenter Arealnetzbetrieb, Integration von PV-Anlagen in den Betrieb der solarunterstützten KS-Trocknung, Wasserstoffproduktion und speicherung. Weitestgehende Unabhängigkeit von der externen Stromversorgung realisierbar Erhöhte Anforderungen an das standortbezogene Energiemanagement Überwachung / Steuerung / dynamische Bewirtschaftung Qualifikationsbedarf Relevanter Beitrag zur Nachhaltigkeit und Stabilität der Energieversorgung der Zukunft 12. IFWW-

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 12. IFWW-