Ausbau der Eigenstromerzeugung Potenzialanalyse und Umsetzung

Transkript

1 Ausbau der Eigenstromerzeugung Potenzialanalyse und Umsetzung Dr.-Ing. Klaus Siekmann Dipl.-Ing. Jürgen Jakob

2 Entwicklungstendenzen Regenerative Energie Abwasser / Klärschlamm Quantität und Qualität bekannt Energie kalkulierbar und speicherbar Kontinuierliche Nutzung möglich Klärschlamm als Energieträger und Düngemittel

3 Entwicklungstendenzen Ziele für Planung und Betrieb der Kläranlage Einhaltung der Ablaufgrenzwerte Ordnungsgemäße Entsorgung der Reststoffe Betriebssicherheit Rationeller und ressourcenschonender Energieeinsatz Rückführung des Phosphors (endlicher Rohstoff!) in den Stoffkreislauf

4 Entwicklungstendenzen Größtes energetisches Einsparpotential: Umrüstung von gemeinsamer aerober Stabilisierung auf Faulung PS ÜSS Thermische Behandlung

5 Stromkosten

6 Aerobe Stabilisierung oder Faulung Einsatzbereich der anaeroben und aeroben Stabilisierung Bisheriger Einsatzbereich Anschlussgröße (E) Zukünftiger Einsatzbereich Anschlussgröße (E)

7 Aerobe Stabilisierung oder Faulung früher: Neubau Fragestellung heute: Ist es wirtschaftlich, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten?

8 Aerobe Stabilisierung oder Faulung Gemeinsame aerobe Stabilisierung Faulung Hohes Schlammalter (t TS = 25 Tage) Großes Belebungsbecken (ca. 300 l/e) Hoher Energieaufwand (Belüftung und Durchmischung) Keine Vorklärung Geringes Schlammalter (t TS = Tage) Kleine Belebungsbecken (ca. 150 l/e) Gaserzeugung/-verstromung Vorklärung

9 Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der GK 4

10 Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung (Faulung) auf einer KA der GK 4

11 Ist-Zustand Baden-Württemberg Anzahl der Kläranlagen: 961 Ausbaugröße: in organischen Frachten geb. Energie: ca. 21 Mio. E ca Mio. kwh / a Stromverbrauch aller Kläranlagen: 538 Mio. kwh / a (i.m. 33,1 kwh / (E x a) Anzahl der KA mit Faulung: ca. 275 hiervon: Anzahl mit Stromerzeugung: ca. 220 d. h. ca. 55 Anlagen mit Faulung, aber ohne Stromerzeugung Eigenstromerzeugung: ca. 171 Mio. kwh/a (d. h. Deckungsgrad ca. 31%, Bund: ca. 27%)

12 Ist-Zustand Baden-Württemberg GK 4 ( E) Anzahl der KA mit gemeinsamer aerober Stabilisierung: ca. 50 Annahme: 105 KA mit gemeinsamer aerober Stabilisierung (> E) bzw. mit Faulung, aber ohne Stromerzeugung Mittlere Ausbaugröße: E Eigenstromerzeugungspotenzial (17 kwh / (E x a)) = ca. 27 Mio. kwh / a (Erhöhung des Deckungsgrades auf ca. 37%) Quelle: DWA-Leistungsvergleich 2012, Statistisches Landesamt Baden-Württemberg

13 Studie Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in RLP tectraa Ergebnisse der Studie unter:

14 Kostenfunktionen Maßgebende Kostenfaktoren für Umrüstung (Ausbaugröße: E): Erforderliches Belebungsbeckenvolumen (bei Umstellung auf Faulung) Vorklärbeckenvolumen (bei t = 1,0 h) und Primärschlammpumpwerk A Zwischenpumpwerk Faulbehälter und Technikgebäude Rohschlammbehälter Maschinelle Voreindickung Gasspeicher Blockheizkraftwerk

15 Entwicklung eines 2-stufigen Kompaktfaulbehälters Optimierungsansätze: Einfache Bauwerkskubatur Kompakte Anordnung durch quadratische Grundrissgestaltung Durchmischung mit kostengünstigen Zentralrührwerken Aufteilung des Gesamtvolumens auf mehrere Reaktoren zur Nutzung der verfahrenstechnischen Vorteile der mehrstufigen Abbaukinetik und zur Erhöhung der Betriebssicherheit

16 2-stufiger Kompaktfaulbehälter

17 2-stufiger Kompaktfaulbehälter

18 2-stufiger Kompaktfaulbehälter Kläranlage Linz-Unkel

19 Gasproduktion auf der KA Linz-Unkel + ca. 16 % 2013

20 Vergleich des Stromfremdbezugs (Betriebsjahre 2010 und 2012) KA Linz-Unkel - ca. 54 %

21 Vergleich der Klärschlammmengen (Betriebsjahre 2011 und 2012) KA Linz-Unkel [t/mo] - ca. 35 % Betriebsjahr 2011 Betriebsjahr 2012

22 2-stufiger Kompaktfaulbehälter Kläranlage Westerburg

23 Auszeichnung

24 Wirtschaftlichkeit 4% 2%

25 Wirtschaftlichkeit Unter Berücksichtigung der erläuterten Rahmenbedingungen sowie der Zukunftsentwicklungen wird den Betreibern von Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von mehr als EW empfohlen, die Möglichkeiten einer Umstellung der Verfahrensführung auf ihrer Anlage zu untersuchen!

26 Checkliste für die Umstellung der Verfahrensführung Die Checkliste wurde in drei Blöcke untergliedert: Block 1 : Basisabfrage Ausbaugröße; Ermittlung der tatsächlichen Anlagenbelastung; überschlägige Prüfung der Wirtschaftlichkeit Block 2 : Verfahrenstechnik Prüfung des Anlagenbestands hinsichtlich der weiteren Verwendbarkeit bei Umstellung auf Schlammfaulung; Einbindung zusätzlicher Anlagenstufen (z. B. VKB); Ermittlung des erforderlichen Belebungsbeckenvolumens (Kann Beckenvolumen stillgelegt werden?) Block 3 : Abschätzung der voraussichtlichen Investitionskosten Vgl. hierzu:

27 Semizentrale Klärschlammbehandlung KA Selters

28 2-stufiger Kompaktfaulbehälter KA Selters KA Selters

29 Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Eigenstromproduktion Co-Vergärung von organischen Reststoffen Erhöhung des Wirkungsgrades der Kraft-Wärme-Kopplung ggfls. Desintegration des Schlammes zur Erhöhung der Gasausbeute Unabhängig von Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung: Photovoltaik Windkraft

30 Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Eigenstromproduktion Co-Vergärung von organischen Reststoffen Voraussetzung: Reserven im Faulbehälter Bewirtschaftung bzw. separate Behandlung des Schlammwassers (erhöhte Rückbelastungen) Effekt (unter Berücksichtigung der tatsächlich vorhandenen FB-Reserven): Erhöhung des Medianwertes der Faulgasausbeute von ca. 20 auf 26 l /(E x d) N alternativ: Mitbehandlung der Schlämme benachbarter Gebietskörperschaften prüfen

31 Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Eigenstromproduktion Erhöhung des Wirkungsgrades durch Kraft-Wärme-Kopplung Durchschnittlicher elektrischer Wirkungsgrad von BHKW s: ca. 30% Moderne BHKW s im Volllastbetrieb: bis zu 40% Effekt bei Austausch: Steigerung der Eigenstromerzeugung von ca. 14 auf 19 kwh / (E x a) (Steigerungsrate ca. 33%) Anlagen mit Faulung, aber ohne Gasverstromung, sind zwingend mit Kraft-Wärme-Kopplung nachzurüsten.

32 Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Eigenstromproduktion Desintegration des Schlammes Zerstörung der Bakterienzellen durch Einwirkung äußerer Kräfte (bspw. Ultraschall) Freisetzung von org. Substanz, Enzymen und Proteinen Steigerung des Biogasanfalls Erhöhung der Faulgasausbeute bis zu 20% möglich Schwankende Ergebnisse bei eingesetzten Desintegrationsverfahren nur im Einzelfall prüfen.

33 Zukunftsperspektiven Kein Hinterherhetzen nach Energieautarkie besser: Einbindung von Kläranlagen (ggfls. gemeinsam mit Biogasanlagen und anderen Energieproduzenten sowie Verbrauchern) in integrierte Energiekonzepte Kläranlagen mit Faulung bieten aufgrund ihrer Speichermöglichkeiten (Klärschlamm, Co-Substrate, Faulgas) hervorragende Perspektiven, Knotenpunkte in integrierten Energiekonzepten zu werden. eine Möglichkeit: Einbindung von Kläranlagen in Virtuelle Kraftwerke s. auch: Projekt Uni Luxembourg: BioVirt (Hien, Hansen 2013)

34 DWA-Arbeitsgruppe KEK Themenband Schlammfaulung oder aerobe Stabilisierung bei Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe vor der Fertigstellung

35 Kläranlagen - die Energiefabriken der Zukunft? nein aber...