Die energieoptimierte Kläranlage

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1 Munich Wastewater Authority Die energieoptimierte Kläranlage - Erzeugung und Verbrauch - The Energy-Optimized Wastewater Treatment Plant (WWTP) Production and use Bilanzrahmen Framework Aktuelle Daten zu Klärschlamm und Energieerzeugung Current sludge and energy production data Optimierung des Stromverbrauchs Optimierung der Klärgasnutzung Optimization of electrical and biogas usage

2 Framework for Energy Analysis Bilanzrahmen Energiebetrachtung heat and electricity steam WWTP I users turbo compressor Combined heat and power unit (CHP) wastewater producer wastewater treatment sludge handling sludge pumping station dewateríng and incineration Co-incineration Mitverbrennung im Combined Heat and Power Plant North 2

3 Klärwerk Gut Marienhof (KLW II) - Übersicht WWTP II Gut Marienhof - General Plan Abwasserreinigung inkl. zweistufiger Biologie, Sandfiltration + UV- Desinfektion Klärschlammbehandlung + Maschinenhaus Wastewater treatment incl. 2-stage biological treatment, sandfilter + UV-disinfection Sludge treatment + Machine building 3

4 Klärwerk Gut Großlappen (KLW I) - Detail WWTP I Gut Großlappen - Detail Klärschlammverbrennungsanlage (KVA) für KLW I und KLW II Sludge incineration for WWTPs I and II 4

5 Summary of Key Data Zusammenstellung der Eckdaten Establishing current load factor (Population Equivalents = PE) Ermittlung der aktuellen Anschlussgrößen [EW] aus Schmutzfracht div. Parameter: CSB, P ges, NH 4 -N, (BSB 5 ) KLW I: KLW II: rd. 1,05 Mio EW rd. 0,85 Mio EW Kenndaten im Kläranlagenverbund ( ) Rohschlamminput Faulbehälter: 2900 m³/d bzw. 165 t TR/d bzw. 120 t otr/d Klärgasanfall: Nm³/d Stromerzeugung: kwh/d Stromverbrauch: kwh/d Raw sludge input in digester Eigenstromdeckungsgrad: rd. 57% (inkl. KVA) Self-produced electrical coverage ratio incl. Incineration unit From pollution loads of various parameters (COD, BOD, etc.) Biogas yield Characteristics WWTP Group Electricity production Electricity consumption 5

6 Anschlussgröße [T EW] Establishing current load factor ( ) of the WWTP Group Ermittlung der Anschlussgröße ( ) im Klärwerksverbund in Abhängigkeit der Schmutzfracht Auswirkungen Ermittlung der der Anschlussgröße ermittelten Anschlussgrößen ( ) im auf spezifische Kennwerte (hier Stromverbrauch ) Klärwerksverbund in Abhängigkeit der Schmutzfracht Gew. 1,9 Mio EW Effect of load factor on specific characteristics (here electrical consumption) 2200,0 2000,0 Bemessungsgrundlage BSB 5 wg. Unplausibilität nicht verwendet 1800,0 1600,0 1400,0 1,8 < EW < 2,1 Mio. unplausible data CSB120 BSB60 BSB53 Pges1,8 NH4-N8 1200,0 1000,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 User- specific energy consumption Einwohnerspezif. Stromverbrauch [kwh/ewa] Stromverbrauch (ohne KVA) kwh/ew*a Energy consumption (without sludge incineration) Datengrundlage: Mittelwerte der Schmutzfracht aus Trockenwetterauswertung 6

7 g TR/EW d g otr/ew d g otr/ew d Sludge Composition in WWTP Group (1.9 mio PE) Klärschlammanteile im Verbund (1,9 Mio EW) Roh- und Faulschlammanfall [TR] Raw and digested sludge yield (dry) 87 g g TR/EW*d 46 g < g TR/EW*d Rohschlamm Verbund Faulschlamm Roh- und Faulschlammanfall [otr] Raw and digested sludge yield (organic dry) 62 g Rohschlamm 1 26 g Faulschlamm Anteil organischer Trockensubstanz Portion of volatile solids 36 g Output Faulbehälter Verbund Abgebaut im Faulbehälter Vergleich mit diversen Literaturwerten In comparison to literature values Klärgasanfall: rd. 560 l/kg otr zu rd. 980 l/kg otr ab Biogas of volatile solids > l/kg otr zu > l/kg otr ab 7

8 Electric power consumption Degree of Electrical Energy Self-Sufficiency: Actual State and Potential in the Future Stromverbrauch [kwh/ew*a] current self-generated power Aktuelle Eigenerzeugung Eigenstromversorgungsgrad Ist und Potential % Aktueller Stromverbrauch Current electric power consumption - 25% Verbrauch Degree of self-sufficiency Eigenstromversorgungsgrad 60% 70% 80% 90% 100% Im Kläranlagenverbund (1,9 Mio. EW) für den gesamten Abwasserreinigungsprozess inkl. Klärschlammverbrennung Optimierung der Technik WWTP Group (1.9 Mio. PE) for all wastewater treatment processes including sludge incineration GOM alte Generation η=32% (Bestand) GOM neue Generation η=42% GOM neu + ORC η=45% Brennstoffzelle η=50% Eigenerzeugung [kwh/ew*a] Self-generated power 8

9 Energy Consumption in Sub-Processes 2009 Stromverbrauch in den Teilprozessen 2009 WWTP Group (1,900,000 PE) Klärwerksverbund ( EW) 15% 5% 10% mechanische Reinigung Abwasserhebung Primary treatment Wastewater pumping biologische Reinigung 1. Stufe 18% 0% 24% biologische Reinigung 2. Stufe Filtration Desinfektion (in 2008 rd. 3%) Stage 1+2 biological treatment 5% Schlammbehandlung, Gasaufbereitung 23% sonstiges Miscellaneous Sludge handling, biogas conditioning Σ = 40 [kwh/e*a] zzgl. rd. 7 [kwh/e*a] für KVA 9

10 Specific Projects and Analysed Measures Konkrete Projekte und betrachtete Maßnahmen Modernisation of 1st Biological Treatment Stage Modernisierung der 1. Biologie auf dem KLW I Einbeziehung der Lufterzeugung beider biologischer Stufen Prüfung der Nitritation Neuordnung der Energieanlagen auf KLW I und KLW II Abstufung der Größe der Turboverdichter nach Luftbedarf Erneuerung der Motorentechnik Considering aerification of both biological stages Examining nitrification Reorganization of the Energy Facilities in WWTP I + II Abstimmung von Turboverdichtern + Energieerzeuger (GOMs) Coordination of turbo compressors + energie producers (gas engines) Anpassung der Elektrotechnik und Verfahrenstechnik Adaption of the electro- and process technology Incrementation of blower size according to air demand.renewing engine technology Einsatz von energieeffizienten Regelungsverfahren und Antrieben Implemetation of energy-efficient process controlling and electrical drives Überprüfung der verfahrenstechnischen Anforderungen, z.b. Druck im Betriebswassernetz Reexamination of process technology demands e.g. pressure in process water grid 10

11 Supplemental Energy Supply Ergänzende Energieversorgung Prüfung von alternativen und regenerativen Energien: Examination of alternative and regenerative energy Photovoltaik ( Pilotprojekt ) Wasserstofftechnologie (F+E-Vorhaben) Hydrogen technology (R + D schemes) Externer Energiebezug (vom EVU) External procurement of energy (from power supply company) Zur Abdeckung der Lastspitzen (im Normalbetrieb) noch erf. For covering peak loads during normal operation still necessary Zur Sicherstellung der Versorgung in Abhängigkeit von Ausfallszenarien To guarantee supply depending on blackout scenarios Unter Berücksichtigung von Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Kosten Energieverbund mit SWM Under consideration of operational reliability, availability and cost Cooperation with SWM (power supply company) Bereitstellung 1 GOM für virtuelles Kraftwerk Provision of 1 gas engine for virtual power station 11

12 Possibilities of Increasing the Gas Yield Möglichkeiten zur Erhöhung der Gasausbeute Einschätzung des Potentials durch Desintegration Estimation of Potential through Desintegration Bereits aktuell hoher otr-abbau (rd. 57%) Presently higher degredation of volatile solids (approx. 57%) Gasertrag mit rd. 560 l/kg otrzu ebenfalls relativ hoch Gas output of 560 l/kg volatile solids is also relatively high Energieinhalt im Faulschlamm für KVA erforderlich Energy retention in digested sludge is required for the incineration unit => Desintegration zur Erhöhung des spezifischen Gasanfalls im Faulbehälter nicht sinnvoll Disintegration for increasing the spezific gas production in digester is not meaningful Übernahme von Co-Substraten Acceptance of Co-Substrates Erhöhung des Schlammanfalls [kg ots/a] Increase of sludge production (kg volatile solids/a) Optimierung der Stromerzeugung Optimization of energy generation Einsatz verbesserter Motorentechnik im KLW I und KLW II Implementation of improved engine technology in WWTP I + II 12

13 Cost Analysis of Biogas Utilization (WWTP II, 2008) Kostenanalyse zur Klärgasnutzung (KLW II, 2008) Kosten der Maschinentechnik zur Klärgasnutzung + Energiekosten im Vergleich Cost of machine technology for biogas + energy costs in comparison Ohne Klärgasnutzung without biogas usage Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Klärgas KLW II conveyance to WWTP 1 Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II conveyance to public grid Klärgasverkauf, Wärme mit Klärgas Klärgasverkauf, Wärme mit Heizöl selling biogas, heat with oil Brennstoffzellenhybridtechnik Brennstoffzellenhybridtechnik und nachgeschaltete Abwärmenutzung fuel cell technology Brennstoffzellenhybridtechnik mit Förderung Gasturbine gas turbine Gasturbine und nachgeschaltete Abwärmenutzung GOM GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Wasser) GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Thermoöl) Gesamtkosten in Mio /a Total Cost in Million GOM-Technik ist für die MSE am wirtschaftlichsten Gas engine technology is the most economical for the MSE 13

14 therm. Wirkungsgrad Motorenanlage machines nachgeschalteter Dampfprozess Zusätzliche Stromgewinnung durch nachgeschaltete Abwärmenutzung KLW II, 2008 Additional Generation of Electricity through Downstream Waste Heat Usage WWTP II, 2008 Degree of electrical efficiency elektr. Wirkungsgrad 42% 2730 kw Total electrical efficiency 45% ges. elektr. Wirkungsgrad 2934 kw ges.elektr. Wirkungsgrad 45 45% % Input Klärgas 6500 kw elektr. Wirkungsgrad 16% 204 kw Verlust 1235 kw 15% 185 kw loss thermischer Wirkungsgrad 38% 69% 846 kw loss 2081 kw ges.therm. Verlust 1235 kw Wirkungsgrad 1300 kw 20,0% 32% Degree of thermal efficiency level Total thermal efficiency 32% 14

15 Gasproduktion in kwh Staffelung Brennstoffzelle KLW II, 2008 Brennstoffzellenhybridtechnik Incrementation of Fuel Cells WWTP II, 2008 Fuel Cell Hybrid Technology Jahresdauerlinie der Gasproduktion mit Abdeckung der Grundlast durch MCFC-Brennstoffzellen Jahresdauerlinie und Abdeckung der der Gasproduktion Spitzenlast durch einen mit GOM Abdeckung der Annual Duration Curve of Gas Production with Coverage of Grundlast durch Brennstoffzellen (BZ) und Abdeckung der Base Load through Fuel Cells and Coverage of Peak Load through a Gas Engine Spitzenlast durch einen GOM Konkurrenzfähig zu GOM + ORC wenn: Strompreis >200% Kosten BZ < 60% Peak Load Gas Engine Spitzenlast: Gas-Otto-Motor Grundlast: 6 Brennstoffzellen Base Load 6 Fuel Cells Betriebsstunden in h Operational time in hours Price-Competitive with gas engine with ORC* when: Electricity Price > 200% Fuel Cell Price < 60% *ORC = Organic Rankine Cycle 15

16 Geplantes Projekt Neubau der Energiezentrale KLW II, 2008 Projected Construction of the new Central Power Plant WWTP II, 2008 Construction of new Central Power Plant Neubau Energiezentrale 16

17 Potential through Implementation of New Gas Engines (WWTP I+II Potential durch Einsatz neuer Motoren (KLW I+ II) Durchschnitt von (nur BHKW) Average from (only Combined Heat and Power Unit (CHP)) Bestand: Existing Klärgasnutzung: rd MWh/a Biogas usage Zündölmenge: MWh/a Amount of ignition diesel BHKW CHP Motorenanlage: 3 Diesel-Klärgas-Motoren 2 direkt betriebene Verdichter Air produced Erzeugte Luft: 90 Mio. Nm³/a entspricht MWh/a 5 Gas-Otto-Motoren Self-generated Eigenerzeugung electricity Strom: Im Mittel 34 % rd MWh/a Deckungsgrad rd. 60 % 3 Diesel-Biogas Engines 2 Blowers, 6 Gas Engines Coverage 60% Nach geplanter Erneuerung: Projected replacement Klärgasnutzung: rd MWh/a Biogas usage BHKW CHP Motorenanlage: 9 Gas-Otto-Motoren + nachgeschalteten-prozess (im KLW II) Im Mittel 43 % 9 Gas Engines + downstream process in WWTP II Self-generated electricity Eigenerzeugung Strom: rd MWh/a Deckungsgrad rd. 76 % Coverage 76% (ohne KVA) without sludge incineration 17

18 Thermal power Wärmeleistung in kw Influence on Heat Utilization Einfluss auf Wärmenutzung Neue Motorentechnik im BHKW führt zu Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads und Verringerung des thermischen Wirkungsgrads µ th von 50% auf 42% Bislang 100% Wärmedeckung im Winter => zukünftig: Intelligentes Wärmemanagement erforderlich Weiterhin Wärmeüberschuss im Sommer Auswertung überschüssiger Wärmeleistung im Sommer (Trendlinie 12-2h Mittelwerte) Exzess heat in Summer will continue => ggf. Nutzung der überschüssigen Wärme (als Kälte) möglich => Utilization of excess heat for cooling is possible if needed New Engine Technology CHP results in increased electrical efficiency and reduced thermal effiency presently 100% Coverage in Winter => Future intellegent heat management necessary kw - Band Mai Juni Juli Aug. Sept. 18 genutzte thermische Leistung theo. max. nutzbare Wärmeleistung neue GOMs 900 kw überschüssige Wärmeleistung

19 Summary from MSE Standpoint Zusammenfassung aus Sicht der MSE Abwasserreinigung behält oberste Priorität; Energie unterstützt den Prozess The treatment of wastewater remains highest priority; energy only supports the process Bilanzrahmen betrifft beide Klärwerke inkl. Verbrennung Framework encompasses both WWTP I + II including sludge incineration Sorgfältige Ermittlung der aktuellen Anschlussgrößen (EW) Accurate determination of current load factor (PE) Vergleiche (mit Literaturwerten) müssen differenziert erfolgen Comparisons using literature values must be carefully differentiated Energieautarkes KLW ist nur im Mittel erst mit deutlicher Reduzierung des Stromverbrauchs und neuer Technik möglich Energetically self-sustained WWTP is possible only in average and only possible with reduced energy consumption and new technologies 19

20 Summary from MSE Standpoint (continued) Zusammenfassung aus Sicht der MSE Neue Motorentechnik (GOM mit ORC) ist aktuell die wirtschaftlichste Lösung für München New engine technology (gas engine with organic rankine cycle ORC ) is presently the most economic solution for Munich Wärme- bzw. Kältebilanz muss in energetischer Gesamtbetrachtung enthalten sein Heating and cooling balances need to be evalued in respect to total energie requirements Externe Energiequellen (Co-Vergärung, Photovoltaik) ggf. ergänzend External energy sources (co-fermentation, photo voltaic) can be supplemented as needed Anschluss an EVU bleibt unumgänglich Connection to the Power Supply Company (PSC) remains absolutely necessary 20

21 Gas-Otto-Motor KLW I Gas Engine WWTP I Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your kind attention! 21