HTC-Check: Energiebilanz und Carbon footprint von Referenztechnologien und HTC-Prozess bei der Klärschlammentsorgung

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1 HTC-Check: Energiebilanz und Carbon footprint von Referenztechnologien und HTC-Prozess bei der Klärschlammentsorgung HTC-Workshop, Christian Remy, Jonas Warneke, Boris Lesjean (KWB) Julien Chauzy (Veolia DT) Christophe Sardet (Veolia Wasser) Project financed by: 1

2 Inhalt Ziele und Aufbau der Studie HTC-Check HTC-Prozess von Terranova: Prozessmodell Kennzahlen Wärmebilanz Energiebilanz mit UMBERTO : Methodik und Definitionen Szenarien: Referenz + HTC Vergleich Zusammenfassung und Grenzen der Studie 2

3 Aufbau der Potentialstudie HTC-Check Studie initiiert durch Veolia Wasser (C. Sardet) Finanzierung: Veolia DT Laufzeit: Okt 2012 Juli 2013 Ziele: Theoretische Energiebilanz von verschiedenen Optionen zur energetischen Klärschlammentsorgung für ein Modellklärwerk ( EW) mit HTC-Verfahren Vergleich der HTC-Konfigurationen mit Referenztechnologien Methodik: Energie- und Stoffstrommodell mit LCA-Software UMBERTO Datenquellen: Referenzsysteme: KWB + Veolia DT HTC-Prozess: TerraNova Pilotanlage 3

4 Prozessmodell, Kennzahlen, Wärmebilanz HTC-PROZESS 4

5 Modell des HTC-Prozesses von TerraNova Thermalölkreislauf aus externer Wärmequelle HX1 HX2 Kühlung Kammerfilterpresse Pumpe Druckablass Wärmetauscherkreislauf Legende: m h Q W - Masse - Enthalpie, z.b. Heizwert - Thermische Energie, z.b. Dampf - Arbeit, z.b. elektrische Energie HTC-Parameter: 180 C, bar, 2,5h 5

6 Wichtige Kennzahlen des Terranova-Prozesses Parameter Formel Wert Literatur Massenausbeute 74% Erhöhung des Heizwerts (wf) DM, char DM, bio HTC-Effizienz 81% HTC m m H H m u, char u, bio DM, char m DM, bio Geringe Karbonisierung mit Klärschlamm H H u, char u, bio 75% (Mittelwert) 109% 106% (Escala) Kohlenstoffeffizienz C m m C, char C, bio 81% 75% (Jeitz) 62 71% (Escala) Legende: DM char bio C t - Trockenmasse - Biokohle - Biomasse - Kohlenstoff - Reaktionszeit Anreicherung von C im Produkt zu erwarten C 6

7 Wärmebilanz des HTC-Prozesses (Pilotanlage, 280 kg/h) Thermalölkreislauf aus externer Wärmequelle Annahme! 54% 10% 24% 100% Info von Terranova: Kann durch Isolation weiter verringert werden -20% 32% Unter Annahme von 3,7 % exothermer Reaktionswärme des Schlamm-Brennwerts (waf) (24% der Wärme im behandelten Schlamm) ergibt sich eine ausgeglichene Wärmebilanz des Reaktors 32% der Wärme im behandelten Schlamm werden in der Pilotanlage über Wärmetauscher rückgewonnen (entwässerter Schlamm mit 20% TS Großtechnik?) 7

8 Systemgrenzen, Szenarien DEFINITIONEN 8

9 Systemgrenzen der Vergleichsstudien in UMBERTO Kumulierter Energieaufwand (VDI 4600) Treibhausgasemissionen (CO 2, fossil, N 2 O, CH 4 nach IPCC 2007) Strom Chemikalien Brennstoffe Primärschlamm + Überschussschlamm mit 5% TS (60/40 der TR) Schlammbehandlung Transport Verbrennung Rückbelastung Biogas Wärme Funktionelle Einheit: Entsorgung von 1 kg TS Klärwerk (vereinfacht) BHKW Gutschrift Strom oder Brennstoff (Ersatz von Braunkohle) Systemgrenze 9

10 Szenarien für Stoff- und Energiebilanz 10

11 Wärmemanagement: Definitionen für Bilanzierung Kein BHKW: Wärmebedarf wird über Erdgasbrenner bereitgestellt Mit BHKW: Abwärme kann genutzt werden (Wirkungsgrad: 38% elektrisch, 21% Wärme bei 90 C, 21% Wärme bei 450 C), ggf. Zufeuerung von Erdgas Schlammtrocknung wird über Erdgas betrieben Überschüssige Wärme wird nicht gutgeschrieben Gutschriften: Strom aus BHKW und Monoverbrennung (Dampfturbine) Ersatz von Braunkohle im Kraftwerk (Produktion und Verbrennung) N-Mineraldünger bei NH 3 -Strippung Entsorgungswege: a) Coverbrennung im Braunkohlekraftwerk (200 km per LKW), berechnet über Heizwerte von Schlamm und Braunkohle b) Trocknung + Coverbrennung im Braunkohlekraftwerk (200 km per LKW) c) Monoverbrennung (50 km per LKW), Stützfeuerung nach Modell Veolia DT 11

12 HTC im Detail, Vergleich ERGEBNISSE 12

13 Energiebilanz: HTC für Rohschlamm Gutschrift Verbrauch 13

14 Energiebilanz: HTC für Faulschlamm Gutschrift Verbrauch Kein Zusatzbrennstoff für HTC Betrieb über Abwärme des BHKW! 14

15 Energiebilanz für Szenarien mit Rohschlamm HTC hat Vorteile im Vergleich zur Zentrifuge mit schlechter Entwässerung ( 23% TS) Nutzung des Biogaspotentials im Prozesswasser führt zu HTC als bestem Szenario 15

16 Energiebilanz für Szenarien mit Faulschlamm HTC hat bessere Energiebilanz als alle Referenzszenarien Optimale Wärmenutzung (kein Zusatzbrennstoff) führt zu energetischen Vorteilen der HTC 16

17 Grenzen der Studie, Ergebnisse und Ausblick ZUSAMMENFASSUNG 17

18 Grenzen der Studie und ihrer Ergebnisse Wärmenutzung kann ggf. optimiert werden (Referenz) Annahmen für HTC-Prozess: Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher? (20% TS im Schlamm, 32% Rückgewinnung) Abbaubarkeit des CSB im Filtrat? (70% zu Biogas) Datenqualität: Referenz: Großtechnische Daten, langjährige Erfahrung HTC: Pilotanlage mit Ergebnissen für einen Klärschlamm Studie ist begrenzt auf Energiebilanz und Treibhauspotential: Refraktärer CSB im Filtrat (Behandlung notwendig?) Schadstoffe (Schwermetalle) Gesetzeslage bei der Verbrennung von HTC-Kohle Nährstoffrückgewinnung (Phosphor) Geruchsprobleme bei Rohschlammverarbeitung? Kostenbetrachtung 18

19 HTC-Prozess von Terranova: Zusammenfassung und Ausblick Transfer von 74% der TS in HTC-Kohle hochbelastetes Filtrat (CSB, N, P) Geringer Wärmebedarf (375 kwh/t TS) durch hohe Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher Sehr gute Entwässerbarkeit in Kammerfilterpresse nach HTC (65% TS) Energiebilanz: Rohschlamm: HTC ist besser als Zentrifugenentwässerung ( 23% TS) und schlechter als Kammerfilterpresse (Nutzung des Biogaspotentials im Prozesswasser?) Faulschlamm: HTC ist allen Referenzverfahren überlegen HTC-Prozess wird nur über BHKW-Abwärme betrieben kein externer Brennstoff benötigt, sehr effiziente Wärmenutzung Nächste Schritte: Prozessdaten der HTC sollten geprüft und im Großmaßstab validiert werden Optionen zur Nährstoffrückgewinnung prüfen Prozesswasserbehandlung notwendig? (refraktärer CSB) Vergleich mit anderen thermischen Vorbehandlungsverfahren? 19

20 KWB Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 20