Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung

Transkript

1 Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung Oliver GRETZSCHEL, Theo G. SCHMITT, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft TU Kaiserslautern Energieoptimierung auf Kläranlagen 1 www.

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen zur Prüfung einer Umstellung 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste zur individuellen Vorabprüfung 5. Zusammenfassung und Ausblick Energieoptimierung auf Kläranlagen 2 www.

3 Vortrag beruht auf Schlussbericht des Projektes NAwaS - Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in Rheinland-Pfalz im Auftrag von Projektbearbeitung Energieoptimierung auf Kläranlagen 3 www.

4 Abwasserbehandlung in der Vergangenheit 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung In der Vergangenheit klare Grenze wann Verfahren der aeroben Stabilisierung bzw. wann Faulung realisiert wurde: Energieoptimierung auf Kläranlagen 4 www.

5 Entscheidungsfindung in der Vergangenheit 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung billige Energie Klärschlamm - Landwirtschaftliche Verwertung üblich Klimawandel? Ressourcenknappheit? Energieoptimierung auf Kläranlagen 5 www.

6 Entscheidungsfindung heute 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Energiepreisanstieg! Entwicklungen Klimawandel! der Klärschlamm rschlamm- Energierecht verwertung Energiewende Ressourcenknappheit! Phosphat Neue Technologien! Umdenken erforderlich! Energieoptimierung auf Kläranlagen 6 www.

7 Energiegehalt von Abwasser 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Begrenztes Potenzial Strombedarfsdeckung: 50 bis 80 %; Wärmebedarf: 100 % Energieoptimierung auf Kläranlagen 7 www.

8 Energiepotenzial vs. Energieverbrauch 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung aerobe Stabilisierung vs. Faulung Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 85 kwh/(e a) (η Kraftwerk = 40 %) Primärenergiebedarf: 37,5 kwh/(e a) (η Kraftwerk = 40 %) Zulauf-PW 3,5 kwh/(e a) Vorreinigung 2,5 kwh/(e a) Input Strom: 34 kwh/(e a) Belebungsbecken 23,5 kwh/(e a) RLS u. NKB 4,0 kwh/(e a) Schlammstapelung 0,5 kwh/(e a) Zulauf-PW 3,5 kwh/(e a) Input Strom: 31 kwh/(e a); Fremdbezug: 14 kwh/(e a) Vorreinigung 3,0 kwh/(e a) Belebungsbecken 17,0 kwh/(e a) RLS u. NKB 4,0 kwh/(e a) Schlammbehandlung 3,5 kwh/(e a) Input Abwasser Output Abwasser Input Abwasser Output Abwasser E th : 75 kwh/(e a) CSB : 153 kwh/(e a) Rechen Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 98 kwh/(e a) Sandfang Belebung Keine Energieerzeugung Hoher Energiegehalt im Output-Schlamm 34 kwh/e/a Stromzukauf Output Schlamm ca. 79 kwh/(e a) Nachklärung E th : 75 kwh/(e a) CSB : 8 kwh/(e a) Lage : 2 kwh/(e a) Gründe: Entlastung der Biologie durch Primärschlammentnahme im Vorklärbecken Geringerer Energieverbauch aufgrund kleinerer Belebtschlammbecken Energiegewinnung durch Faulgasverstromung E th : 75 kwh/(e a) CSB : 153 kwh/(e a) Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 71 kwh/(e a) Energiegewinn aus Gasverstromung Elektr.: ca. 17 kwh/(e a) Therm.: ca. 27 kwh/(e a) BHKW-Verluste: ca. 4 kwh/(e a) Stromerzeugung aus Biogas (17 kwh/e/a) Niedriger Energiegehalt im Output-Schlamm 14 kwh/e/a Stromzukauf (40% der Stabilisierungsanlage) ca. 50 % Eigenbedarfsdeckung 56 % Primärenergieeinsparung (47,5 kwh/e/a) Energieoptimierung auf Kläranlagen 8 www. Pumpwerk Pumpwerk Rechen Sandfang Vorklärbecken Belebung Nachklärung E th : 75 kwh/(e a) CSB : 8 kwh/(e a) Lage : 2 kwh/(e a) Output Schlamm ca. 55 kwh/(e a)

9 Gliederung 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen zur Prüfung einer Umstellung 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste zur individuellen Vorabprüfung 5. Zusammenfassung und Ausblick Energieoptimierung auf Kläranlagen 9 www.

10 Methodik 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung -Grenze der Faulung für Neuanlagen lag bei: E -Studie 1995: Grenze liegt bei etwa E -Aber: Heute i. d. R. KEINE Neubauten! Aerobic Stabilization PE Anaerobic Stabilization (Digestion) Zentrale Frage: Ist es kosteneffizient eine bestehende aerobe Stabilisierungsanlage auf Faulung umzustellen?? Vorgehensweise: Entwicklung von Kostenfunktionen und einer Checkliste, die es Anlagenbetreibern erlauben eine Umstellung ihrer Anlage zu bewerten.! Energieoptimierung auf Kläranlagen 10 www.

11 Methodik 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Investitionen für Umstellung Einsparungen durch Umstellung Kostenfunktionen für Bauwerke Gesamtkostenfunktion der Kapitalkosten Betriebs-und Unterhaltskosten (-einsparung) der umgerüsteten Anlage Kostenfunktion der Betriebskosteneinsparung Barwert der Kapitalkosten Barwert der Betriebskosteneinsparung Energieoptimierung auf Kläranlagen 11 www.

12 Kostenfaktoren 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Betrachteter Ausbaubereich EW = bis E Vorklärbecken (t A = 1,0 h) Zwischenpumpwerk Primärschlammpumpwerk Maschinelle ÜSS-Voreindickung Rohschlammbehälter Faulturm und Technikgebäude Gasspeicher Blockheizkraftwerk Sonstiges (Leitungszuführungen, Verkehrsflächen usw.) Energieoptimierung auf Kläranlagen 12 www.

13 Beispiel Faulbehälter 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung [ /E] 100,00 Kostenfunktionen für den Bau eines 2-stufigen Kompaktfaulbehälters (IK = f (E) ) 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 y = 26402x -0,665 R² = 0,9985 Bau Ausrüstung Gesamt 0, [E] Energieoptimierung auf Kläranlagen 13 www.

14 Betriebskosten nach Umrüstung 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Einsparungen: Reduzierter Energiebedarf in der biologischen Stufe Energieerzeugung durch BHKW Reduktion ext. Energiebezug Verminderung der Schlammmenge & bessere Entwässerungseigenschaften Mehrkosten: Personalbedarf Wartung & Instandhaltung der zusätzlichen Anlagen Betriebsmittel Reduzierung der Betriebskosten Energieoptimierung auf Kläranlagen 14 www.

15 Betriebskosteneinsparpotenzial 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung [ /E/a] spez. Betriebskosteneinsparung bei Umstellung der Verfahrensführung (Bk = f(ew)) 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1, [E] Energieoptimierung auf Kläranlagen 15 www.

16 Gliederung 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen zur Prüfung einer Umstellung 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste zur individuellen Vorabprüfung 5. Zusammenfassung und Ausblick Energieoptimierung auf Kläranlagen 16 www.

17 Betriebskosteneinsparung Kapitalkosten 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung [ /E/a] 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 Kapitalkosten der Verfahrensumstellung eingesparte Betriebskosten nach Verfahrensumstellung Wirtschaftlich bei ca E 8,00 6,00 4,00 2, [E] Energieoptimierung auf Kläranlagen 17 www.

18 1. Rahmenbedingungen Einleitung 2. Kostenfunktionen 2. Vergleich Faulung aerob. 3. Wirtschaftlichkeit Stabilisierung 3. Umstellung 4. Checkliste auf Faulung Fazit Zusammenfassung und Ausblick Heutige Rahmenbedingungen: Kosteneffizienz: ca E spez. KBW [ /E] 400,00 350,00 300,00 spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 4% und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% spez. KBW Verfahrensumstellung spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 0%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 1%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 2%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 3%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 4%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 5%/a Steigerungsrate Das bedeutet: OHNE jegliche Preissteigerung in der Zukunft! 250,00 200,00 150,00 KBW der Betriebskosteneinsparung 100,00 50,00 0 % KBW der Umstellung [E] Faulung teurer Faulung kosteneffizienter Energieoptimierung auf Kläranlagen 18 www.

19 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung 2% Preissteigerung Kosteneffizienz: ca E spez. KBW [ /E] 400,00 350,00 300,00 spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 4% und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% spez. KBW Verfahrensumstellung spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 0%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 1%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 2%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 3%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 4%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 5%/a Steigerungsrate 250,00 200,00 150,00 2 % KBW der Betriebskosteneinsparung 100,00 50,00 KBW der Umstellung [E] Faulung teurer Faulung kosteneffizienter Energieoptimierung auf Kläranlagen 19 www.

20 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung 4% Preissteigerung Kosteneffizienz: ca E spez. KBW [ /E] 400,00 350,00 300,00 spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 4% und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% spez. KBW Verfahrensumstellung spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 0%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 1%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 2%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 3%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 4%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 5%/a Steigerungsrate Preissteigerung in den letzten 10 Jahren: 5-7 %/a 250,00 200,00 150,00 4 % KBW der Betriebskosteneinsparung 100,00 50,00 KBW der Umstellung [E] Faulung teurer Faulung kosteneffizienter Energieoptimierung auf Kläranlagen 20 www.

21 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung 4% Preissteigerung Kosteneffizienz: ca E spez. KBW [ /E] 400,00 350,00 300,00 spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 4% und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% spez. KBW Verfahrensumstellung spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 0%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 1%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 2%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 3%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 4%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 5%/a Steigerungsrate 250,00 Unter der Annahme der neuen Rahmenbedingungen und sich 4 % abzeichnender Entwicklungen, wird empfohlen die Umstellung auf 200,00 Faulung ab einer Ausbaugröße von E ggf. auch darunter zu untersuchen! 150,00 KBW der Betriebskosteneinsparung 100,00 50,00 KBW der Umstellung [E] Faulung teurer Faulung kosteneffizienter Energieoptimierung auf Kläranlagen 21 www.

22 Gliederung 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen zur Prüfung einer Umstellung 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste zur individuellen Vorabprüfung 5. Zusammenfassung und Ausblick Energieoptimierung auf Kläranlagen 22 www.

23 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Energieoptimierung auf Kläranlagen 23 www.

24 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Checkliste für die Umstellung der Verfahrensführung Unterteilung in 3 Blöcke: Energieoptimierung auf Kläranlagen 24 www.

25 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Beispielanwendung Musterkläranlage Ausbaugröße: E Aerobe Stabilisierung 2 St. Belebungsbecken Becken 1: m³ Becken 2: m³ 2 St. Nachklärbecken Vorgeschaltetes Anaerobbecken (3 x 217 m³) Schlammsilo Energieoptimierung auf Kläranlagen 25 www.

26 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung wöchentlich 24h-MP E 60 (85%-Wert) > E (Ausbauzustand) Energieoptimierung auf Kläranlagen 26 www.

27 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung spez. KBW [ /E] 400,00 350,00 300,00 spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 4% und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% spez. KBW Verfahrensumstellung spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 0%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 1%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 2%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 3%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 4%/a Steigerungsrate spez. KBW der Betriebskosteneinsparungen bei 5%/a Steigerungsrate spez. PKBW Projektkostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 3,0 % und [ /EW] Preissteigerungen zwischen 0 und 500 PKBW Faulung PKBW AS bei 0 %/a Steigerungsrate PKBW AS bei 1 %/a Steigerungsrate PKBW AS bei 2 %/a Steigerungsrate 450 PKBW AS bei 3 %/a Steigerungsrate PKBW AS bei 4 %/a Steigerungsrate PKBW AS bei 5 %/a Steigerungsrate , , , [EW] 100,00 50, [E] Energieoptimierung auf Kläranlagen 27 www.

28 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung V = 202 m³ Anaerobbecken 217 m³: Umnutzung!! Energieoptimierung auf Kläranlagen 28 www.

29 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Rechen Überprüfung Rechen Feinrechenanlage vorhanden? ja Ok! nein Anpassung vornehmen Feinrechenanlagen im Kläranlagenzulauf reduzieren die Gefahr der Schwimmdeckenbildung deutlich, wodurch einfache und wirtschaftliche Faulturmbauweisen möglich werden. Spaltweite s = 5 mm Eine Belastung des Rohschlamms mit störenden Grobstoffen im Faulbehälter kann ausgeschlossen werden! Sandfang Überprüfung Sandfang (SF) Funktionalität vorhanden? ja Ok! nein Durch Umstellung auf Faulungsbetrieb nicht betroffen, wenn die Funktionalität einwandfrei ist. Sandeintrag in den Faulturm ist zu vermeiden. Betriebliche Anpassung möglich? nein Sanierung/ Erweiterung/ Neubau ja Anpassung vornehmen! Rundsandfang mit hoher Abscheideleistung (Bilanzierung der entsorgten Sandmengen) keine Sandablagerungen in den Belebungsbecken Energieoptimierung auf Kläranlagen 29 www.

30 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Reduzierung der Schwimmschlammproblematik, da Wachstumsvorteile von fadenförmigen Bakterien durch geringeres Schlammalter in der Belebung aufgehoben werden Energieoptimierung auf Kläranlagen 30 www.

31 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung VBB erf. = m³ VBB vorh. = m³ Energieoptimierung auf Kläranlagen 31 www.

32 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Erforderliches Volumen von m³entspricht in etwa dem Beckenvolumen von Straße 1 (3.325 m³). Belebungsbecken 2 außer Betrieb nehmen Becken 1 als alleiniges BB weiter zu nutzen Um die Prozesse im Belebungsbecken sicherzustellen, ist eine ausreichende Schlammmasse erforderlich. Überschussschlammanfall (ÜSS): 0,9 kg TS/kgBSB 5, mittleres Schlammalter t TS : 12,5 d tägliche Schmutzfracht zur Biologie B: 780 kg BSB 5 /d Schlammmasse M TR = kg TS kg TS / m³ = rd. 2,7 kg TS/m³> 2 kg TS/m³ Energieoptimierung auf Kläranlagen 32 www.

33 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung [ /E] 275,00 250,00 225,00 200,00 y = 77647x -0,675 R² = 0, ,00 150,00 spez. IK Bau spez. IK Ausrüstung spez. IK Gesamt 125,00 100,00 75,00 50,00 25, Einwohnerwert Energieoptimierung auf Kläranlagen 33 www.

34 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Ergebnis 1. Die Umstellung auf Faulung lässt wirtschaftliche Vorteile gegenüber der aeroben Stabilisierung erwarten. 2. Ein Anaerobbecken kann als Vorklärbecken genutzt und entsprechend umgebaut werden. 3. Das Belebungsbecken 2 wird stillgelegt (äußerer Ring des Kombibeckens). Es wird empfohlen, den Bau einer Schlammfaulungsanlage ingenieurtechnisch zu prüfen. nieurtechnisch zu prüfen Energieoptimierung auf Kläranlagen 34 www.

35 1. Einleitung 2. Kostenfunktionen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Checkliste 5. Zusammenfassung Verweis auf Broschüre: Ökoeffizienz in der Wasserwirtschaft Energetisches und ökonomisches Optimierungspotenzial durch Umstellung von Kläranlagen auf Schlammfaulung Energieoptimierung auf Kläranlagen 35 www.

36 1. Rahmenbedingungen Einleitung 2. Kostenfunktionen 2. Vergleich Faulung aerob. 3. Wirtschaftlichkeit Stabilisierung 3. Umstellung 4. Checkliste auf Faulung Fazit Zusammenfassung und Ausblick Eine Umstellung auf Faulung ist auch für kleinere Kläranlage eine realistische Option Eine Umstellung führt zu zusätzlichen positiven Effekten: erhöhte Effizienz durch Prozessopitmierung und Energieeinsparung Erzeugung regenerativen Stroms vor Ort durch Faulgasverstromung erhöhte Kostenstabilität und höhere Eigenerzeugungsrate Veränderungen der Kläranlagenlandschaft in der Zukunft [E] Energieoptimierung auf Kläranlagen 36 www.

37 Ausblick 1. Rahmenbedingungen Einleitung 2. Kostenfunktionen 2. Vergleich Faulung aerob. 3. Wirtschaftlichkeit Stabilisierung 3. Umstellung 4. Checkliste auf Faulung Fazit Zusammenfassung und Ausblick Kurz-und mittelfristig: Umstellung von Kläranlagen als reine Energieverbraucher zu energieintelligenten Kläranlagen Bereitstellung von flexiblen erneuerbaren Energien (Biogas) Reduktion des Primärenergieverbrauchs Mittel- und langfristig: Integration in ein zukünftiges erneuerbares Energieverbundnetz Bereitstellung von Regelenergie Power-to-gas tauglich aufgrund des CO 2 -Gehalts im Biogas Und. bitte nicht vergessen: Vorrangig sind alle Kläranlagen zur Abwasserreinigung ausgelegt und nicht zur Energieerzeugung! Abflaufqualität ist das höchste Ziel der Abwasserreinigung! Energieoptimierung auf Kläranlagen 37 www.

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Oliver GRETZSCHEL, Theo G. SCHMITT Grundlage der Präsentation bildet folgender Abschlussbericht: NAwaS Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in Rheinland-Pfalz Auftraggeber: Energieoptimierung auf Kläranlagen 38 www.