KLÄRANLAGEN & ENERGIE HERAUSFORDERUNGEN & PERSPEKTIVEN. Markus Schröder, Aachen

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1 KLÄRANLAGEN & ENERGIE HERAUSFORDERUNGEN & PERSPEKTIVEN Markus Schröder, Aachen

2 Begriffsabgrenzungen nach Handbuch Energie auf Kläranlagen NRW, im Druck Energieautarkie Energieautonomie Null-Energie-Kläranlage - Energieintelligente Kläranlage - Energieplus-Kläranlage. Vollständige Energieautarkie Vollständige Energieautarkie bedeutet, dass eine Abwasseranlage in der Lage ist, den Energieverbrauch jederzeit durch die lokal auf dem Kläranlagengelände verfügbaren Eigenenergiequellen zu decken. Vollständige abwasserinduzierte Energieautarkie Vollständige abwasserinduzierte Energieautarkie liegt vor, wenn der Energieverbrauch jederzeit nur durch die abwasserinduzierten Eigenenergiequellen abgedeckt wird. Auf die Nutzung von lokaler Windund Solarenergie und Energie aus zugelieferten Primärenergieträgern kann verzichtet werden.

3 Begriffsabgrenzungen Bilanzielle Energieautarkie Im Unterschied zur vollständigen Energieautarkie wird hier der Energiebedarf nicht jederzeit durch die Eigenenergiebereitstellung gedeckt, sondern bilanziell nur im Jahresmittel. Bilanzielle abwasserinduzierte Energieautarkie Im Unterschied zur vollständigen abwasserinduzierten Energieautarkie wird hier der Energiebedarf nicht jederzeit durch die Eigenenergiebereitstellung gedeckt, sondern bilanziell nur im Jahresmittel. Inselbetrieb Inselbetrieb bezeichnet eine netzunabhängige Energieversorgung, also eine Energiebereitstellung ohne Anbindung an ein übergeordnetes Netz. Ein Inselbetrieb kann auch nur auf das Stromnetz bezogen werden.

4 Begriffsabgrenzungen Energieautonomie Energieautonomie bezeichnet den Zustand, dass eine Abwasseranlage als unabhängig agierendes System in der Lage ist, den Energieverbrauch jederzeit ohne Anbindung an die Energienetze und ohne sonstige externe Energiequellen zu decken. Ein Inselbetrieb wäre dabei möglich, wenn die technischen Voraussetzungen geschaffen würden. Null-Energie-Kläranlage Die Null-Energie-Kläranlage ist gleichbedeutend mit der bilanziellen Energieautarkie. Energieneutrale Kläranlage Die energieneutrale Kläranlage ist gleichbedeutend mit der bilanziellen Energieautarkie bzw. der Null-Energie-Kläranlage.

5 Begriffsabgrenzungen Energieplus-Kläranlage Unter der Voraussetzung einer (bilanziellen) Energieautarkie oder Energieautonomie ergibt sich ein bilanzieller Eigenenergieüberschuss der Kläranlage im Jahresmittel. KLÄRANLAGEN & ENERGIE HERAUSFORDERUNGEN & PERSPEKTIVEN Energieintelligente Kläranlage (EKA) Als energieintelligente Kläranlage werden Anlagen bezeichnet, die die Interaktion mit den umgebenden Energienetzen (Strom, Gas, Wärme) als wesentliche Zielgröße definiert haben. Dies sind zum Beispiel Anlagen, die Regelenergie bereitstellen oder sich an einem virtuellen Kraftwerk beteiligen. Es ist eine Verknüpfung mit den smarten Netzen der Zukunft auf Prozessleitebene notwendig.

6 EKA der Zukunft ein komplexes System Kläranlage Bildquelle modifiziert und erweitert nach: Stemplewski, 2012

7 EKA Abwassertechnisches Gesamtsystem betrachten! Gebäude Kanäle Kläranlage Vertikalwindräder Photovoltaik Wasserkraft Photovoltaik Klärgas, Klärschlammverbrennung Windkraft Photovoltaik Wasserkraft Abwasserwärme Geothermie Solarthermie Abwasserwärme Geothermie Solarthermie Abwasserwärme Geothermie Solarthermie

8 EKA - alle benötigten Energieformen betrachten! 15 bis 100 kwh / (E BSB5 a) ähnlich Strom, jahreszeitlich schwankend (bei getrennter anaerober Schlammstabilisierung) ( ) Bilanzielle Energieautarkie meist gegeben? 5 bis 7,5 kwh / (EBSB5 a)

9 Perspektive Power-to-X Gebäude Kanäle Kläranlage Vertikalwindräder Photovoltaik Wasserkraft Photovoltaik Klärgas, Klärschlammverbrennung Windkraft Photovoltaik Wasserkraft Abwasserwärme Geothermie Solarthermie Abwasserwärme Geothermie Solarthermie Biomethan, Wasserstoff, Methanol Abwasserwärme Geothermie Solarthermie

10 Perspektive Power-to-X Über 20 Jahre Forschungstätigkeit

11 Beispiel power-to-gas: Wasserstoff auf Kläranlagen

12 Gesamtkonzept EuWaK H2 aus Faulbzw. Biogas Legende Biomasse Gaserzeugung z.b. Faulung, Pyrolyse, Hydrolyse Gasaufbereitung Reinigung, Reformierung Erdgas Biogas Biomethan Sauerstoff Strom Bioabfall Wasserstoff Wärme Klärschlamm Sauerstoffspeicher Abwasserreinigung (Haupt- oder Nebenstrom) Sonstige Stoffströme Interner Stromverbrauch (z. B. Gebläsestation) Luft Interner Wärmeverbrauch Wind Elektrolyseur Sonne Wasserstoffspeicher Wasserstoffnutzung Brennstoffzelle, Gasmotor, Gasturbine Wasser Fahrzeugbetankung H2 und O2 aus Wind+Sonne EVU-Netz

13 Methanolsynthese auf Kläranlagen

14 Methanolsynthese auf Kläranlagen

15 Methanolsynthese auf Kläranlagen

16 Perspektive Getauchte Bio-Brennstoffzelle zu Vorreinigung (Kohlenstoff) Zulauf Sandfang Vorklärung C-Quelle DN N DN Belebungsbecken Energie für Rezirkulation entfällt! Rechen Filter Erhöhte Energiegewinnung in der Faulung! Ablauf Bildquelle Brennstoffzelle:

17 Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft - ERWAS Herausforderung Ressourcen effiziente Abwasserbehandlung

18 Ökologischer Fußabdruck Deutschland: April 2016!!! Quelle:

19 Das Drei-Säulen-Modell der Nachhaltigkeit Ziel: Alle drei Säulen müssen im Gleichgewicht sein Neue Bewertungsansätze bei der Kläranlage der Zukunft Soziales Ökonomie Ökologie

20 Aufgabe der Wasserwirtschaft: Schutz der Ressource Wasser Aber im Sinne der Nachhaltigkeit: Ganzheitliche Bewertung des Ressourcenverbrauchs für die Aufgabenerfüllung Neue Planungsansätze bei der Kläranlage der Zukunft

21 Nachhaltiger Bau von Kläranlagen Baustoffeinsatz bisher: Baustoffeinsatz zukünftig: Cradle-to-Grave-Prinzip Cradle-to-Cradle-Prinzip Life-Cycle-Engineering Nachhaltige Planung Ist ein zweiter, dritter, Durchlauf des Lifecycles betrachtet worden? Quelle: EPEA, 2014 Materialienzersetzung Nährstoffe Künstliche Materialien Zirkulation auf nachwachsende Rohstoffe gleichbleibendem Qualitätsniveau

22 Herausforderung Zukunftsstadt Abwasserwiederverwertung zur Bewässerung? Hygienisierung der Kläranlagenabläufe! Energieintensive Verfahrensstufe Abwasserverteilung durch Tankwagen! Kraftstoffverbrauch Quelle:

23 Herausforderung Zukunftsstadt Urban gardening, urban farmning Bildquelle: Bildquelle: Bildquelle: Weitgehende dezentrale Abwasserbehandlung mit Phosphor-Rückgewinnung? Energieeinsatz hoch, aber Energie ist keine limitierte Ressource!

24 Vom netzgebundenen Haus/Quartier in zentralisierten Systemen zum... IKT Brauchwasser Wärme Gas Elektrizität Trinkwasser Schmutzwasser

25 ...zum netzfreien Haus/Quartier in dezentralisierten Strukturen Wasserstoff, ICT Abfall, Reststoffe IKT Brennstoffzelle: Energie (Strom/Wärme) Membran-Kleinkläranlage: Schmutz-/Brauchwasser Ultrafiltration: Trinkwasser

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!