Energieanalysen auf Abwasseranlagen

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1 Energieanalysen auf Abwasseranlagen Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer Dr.-Ing. Dieter Thöle 14. Septemer 2010 IFAT ENTSORGA DWA-Special Wasser und Energie 1

2 Mitglieder Dipl.-Ing. Klaus Fricke (Umweltbundesamt) Dipl.-Ing. Bernd Haberkern (Ing.-Büro iat, Darmstadt) Dipl.-Ing. Peter Jagemann (EG/Lippeverband) Dipl.-Ing. Andrea Kaste (MUNLV, Düsseldorf, Sprecherin) Dipl.-Ing. Beat Kobel (Ryser Ingenieure, Bern) Dipl.-Ing. Stefan Koenen (Ing.-Büro Tuttahs & Meyer, Aachen) Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer (Ing.-Büro GFM, München) Dr.-Ing. Henry Riße (FIW an der RWTH Aachen) Dipl.-Ing Peter Schmellenkamp (HanseWasser Bremen GmbH) Dipl.-Biol. Sabine Thaler (DWA) Dr.-Ing. Dieter Thöle (Ruhrverband, stellv. Sprecher) Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen (FH Gießen) 2

3 Gliederung 3

4 Notwendigkeit der energetischen Optimierung die geforderte Wirtschaftlichkeit der Abwasserbeseitigung verlangt die Minimierung der Energiekosten sinkende Energieressourcen Klimawandel Umsetzung gesetzlicher Vorgaben (zum Stand der Technik gehört der Einsatz energieeffizienter Verfahren gemäß WHG) energetisch optimierte Anlagen weisen eine erhöhte Reinigungsleistung auf 4

5 Veranlassung zum DWA-A 216 BL-AG Energieeffizienz der kommunalen Abwasserbeseitigung einschließlich Klärschlammbehandlung Mandat an die DWA: Entwicklung eines bundeseinheitlichen Instruments einer Energieanalyse von Abwasseranlagen Umsetzung zum technischen Standard ==> Arbeitsblatt DWA-A 216 5

6 Geltungsbereich / Inhalt Geltungsbereich Entwässerungsanlagen (Pumpwerke) Kläranlagen Mindestanforderungen an das zu Grunde zu legende Datenmaterial Ablauf der Analyse Anforderungen an Energieanalysen (Inhalt, Qualität, Ergebnisse..) Definition verfahrensbezogener, energetischer Kennwerte (jedoch keine Vorgabe von Ideal- oder Richtwerten) 6

7 Bezugsgröße mittlere, tägliche Schmutzfracht im Zulauf der Kläranlage bezogen auf den CSB ohne Rückbelastung durch Prozesswässer EW CSB = 120 g/(e d) Plausibilitätsprüfung über Nährstoffparameter und/oder Schlammmengen mit 11 g TKN/(E d) im Rohabwasser 1,8 g P ges / d im Rohabwasser 75 g TR / d Rohschlamm 55 g TR / d Faulschlamm 60 g TR / d aerob stabilisierter Schlamm 7

8 Vorgehensweise zur energetischen Optimierung 1. Schritt: Energiecheck grobe, energetische Bestandaufnahme mit Kennwerten zur Positionsbestimmung, die regelmäßig wiederholt werden sollte 2. Schritt: Energieanalyse Ziel ist die energetische Anlagenverbesserung unter Berücksichtigung der wasserrechtlichen Anforderungen systematische, detaillierte Erhebung und Bewertung der Energiesituation Darstellung von Maßnahmen zur Energieoptimierung mit Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 8

9 Energiecheck 6 Kennwerte, die leicht aus den vorhandenen Betriebstagebüchern ermittelbar sind (regelmäßige Wiederholung, Durchführung durch Betriebspersonal) einfache Positionsbestimmung für den Betreiber mittels vorgegebener Summenlinien kontinuierliche Verfolgung der Anlageneffizienz über die Jahre möglich 9

10 Kennwerte des Energiechecks Einheit Bezeichnung Defintion verwendeter Größen e ges [kwh/(e a)] Spez. Stromverbrauch Gesamt e BL [kwh/(e a)] Spez. Stromverbrauch Belüftung* e FG,1 e FG,2 [l N /(E d)] [l N /kgots] Spez. Faulgasproduktion ** N [%] Grad der Faulgasumwandlung in Elektrizität V E [%] Eigenversorgungsgrad Elektrizität e ext [kwh/(e a) Spez. externer Wärmebezug e ges = E ges / EW CSB E ges = Stromverbrauch gesamt [kwh/a] EW CSB = Einwohnerwert bezogen auf CSB [EZ+EGW] e BL = E B / EW CSB E B = Stromverbrauch Belüftung Belebungsbecken [kwh/a] EW CSB = Einwohnerwert bezogen auf CSB [EZ+EGW] Kläranlagen mit Faulung e FG = Q FG / EW CSB e FG = Q FG / m ots,zu Q FG = Jahresmittelwert der Gasproduktion [l N /d)] (normiert auf 0 C und 1013 mbar) EW CSB = Einwohnerwert bezogen auf CSB [EZ+EGW] m ots,zu = Jahresmittelwert zugeführte ots-fracht zur Faulung [kg ots ZU ] N = (E KWK /E FG ) 100 E KWK = Jahresproduktion KWK Anlagen bzw. Direktantrieb von Verdichtern [kwh/a] E FG = Heizwert der Jahresfaulgasproduktion = Q FG HI,n 1 (HI,n 1 = Heizwert Faulgas = 6-7 kwh/m 3 ) V E = (E KWK /E ges ) 100 E KWK = Jahresproduktion KWK Anlagen bzw. Direktantrieb von Verdichtern [kwh/a] = Stromverbrauch gesamt [kwh/a] e ext = E therm / EW CSB E ges E therm = extern zugeführte Wärmemenge [kwh/a] = Q Primärenergieträger HI,n1 HI,n1 = Heizwert Heizöl = 10 kwh/l HI,n1 = Heizwert Erdgas = 9,4 kwh/m 3 ) 10

11 RM5 Positionsbestimmung mittels Summenlinie 11

12 Folie 11 RM5 daten aktualisieren Ralf Mitsdoerffer;

13 Energieanalyse Bestandsaufnahme strukturierte Bewertung an Hand einer schlüssigen, vollständigen Energieverbrauchermatrix Entwicklung energetischer Beurteilungskriterien unter Berücksichtigung nicht veränderlicher, anlagenspezifischer Randbedingungen (Einblastiefe, Abwasseranfall, Abwasserzusammensetzung etc.) Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Wirtschaftliche Bewertung der Maßnahmen (Kosten vs. Energieeinsparung) Empfehlung mit zeitlicher Gliederung zur Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen 12

14 Verbrauchermatrix 13

15 Energieanalyse Bestandsaufnahme strukturierte Bewertung an Hand einer schlüssigen, vollständigen Energieverbrauchermatrix Entwicklung energetischer Beurteilungskriterien unter Berücksichtigung nicht veränderlicher, anlagenspezifischer Randbedingungen (Einblastiefe, Abwasseranfall, Abwasserzusammensetzung etc.) Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Wirtschaftliche Bewertung der Maßnahmen (Kosten vs. Energieeinsparung) Empfehlung mit zeitlicher Gliederung zur Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen 14

16 Spez. Stromverbräuche (Größenklassen 4+5) Aus: Schwentner (2009), Die Bedeutung der Belüftung und Durchmischung für den Energiebedarf von Kläranlagen DWA Fachtagung Energieeffizienz bei Belüftern und bei der Homogenisierung Schwentner (2007) Energiebedarf auf Kläranlagen in Baden-Württemberg, Entwicklungen und Optimierungspotenziale 21. Karlsruher Flockungstage Die optimierte Kläranlage Vision oder Realität? 15

17 verifizierte Verbrauchermatrix voraussichtlich erhöhte Pumpmenge oder schlechter Pumpenwirkungsgrad Nachrechung der Belebungsanlage vorhandene Belüftungselemente (Keramikkerzen Folienplattenbelüfter) ==> wirtschaftlicher Austausch der Belüfter???? 16

18 anlagenspezifische Modellberechnung I Verbraucher Pumpen, Hebewerke (RS,ÜS,PS..) Berechnungsansatz Stromverbrauch Q h Förd. 2,7 Wh/(m 3 m) E = R Pumpe,Motor Spez. Werte R Hebewerk, Modellanlage = 0,60 R Primärschlamm, Modellanlage = 0,45 R RS Modellanlage = 0,57 R ÜS, Modellanlage = 0,60 R interner Recycle, Modellanlage = 0,70 Einflussgrößen Förderhöhe, Wassermenge, R Pumpe,Motor = f(q,h) Rechen E = 1,0 Q 0,5 1,5 [Wh/m 3 ] Abwassermenge Sandfang/ Fettfang Räumer, Entnahme Q L T P. E = [kw] Laufzeit [h] R G 367 E = P [kw] Laufzeit [h] R Gebläsewirkungsgrad = 0,60 q L = 0,5 [m 3 /(m 3 VSF h E ] T P = f (h E, Reibung) = 3 [mws] Volumen Sandfang, Einblastiefe, Vorklärung E = P [kw] Laufzeit [h] Ca. 0,3 1,0 kw je Becken Anzahl Vorklärbecken Belüftung Nachrechnung mit DWA A 131 auf Basis des CSB Ansatz Ø B d, T, t TS. X- Wert = 0,69 SSOTE = 8 %/m - 6 %/M SAE = 4,5-3,4 kg/kwh Tats. CSB +N Fracht, Tats. Schlammalter X- Wert Gebläsedruck Umwälzung E = 1,5 [W/m 3 ] V Becken [m 3 ] 1,5 2,0 W/m 3 Beckenvolumen Nachklärung E = P [kw] 24 h/d Ca. 0,5 1,0 kw je Becken Anzahl Nachklärbecken 17

19 anlagenspezifische Modellberechnung II Verbraucher Berechnungsansatz Stromverbrauch Spez. Werte PS-Siebung E = 0,075 Q PS 0,05 0,09 [Wh/m 3Primärschlamm ] PS-Anfall Einflussgrößen PS-Eindickung E = 20 kwh/d [kwh/d] je Behälter Anzahl Behälter Siebtrommel E = 0,32 Q Überschussschlamm 0,2 0,4 [kwh/m 3 ÜS-schlamm] ÜS-Anfall Zentrifuge E = 34,32 m TS,Faulschlamm /d [kwh/t TR,Faulschlamm- ] Faulschlammanfall Infrastruktur Betriebsgebäude E = 35,31 m TS,Rohschlamm /d E = 1,93 Q Rohschlamm E = 50 kwh/d [kwh/t TR,Rohschlamm] 1,6 2,3 [kwh/m 3 Rohschlamm] Rohschlammanfall Brauchwasser E = 70 kwh/d 0,25-0,3 kwh/m 3 Brauchwasser Q Brauchwaser Druckluft E = 13 kwh/d 0,1 kwh/m 3 Druckluft Q Druckluft Heizung E = 100 kwh/d kwh/d Lüftung E = 40 kwh/d 5-8 kwh/ pro m 3 /d Luftaustausch Abluftreinigung E = 130 kwh/d 18

20 Energieanalyse Bestandsaufnahme strukturierte Bewertung an Hand einer schlüssigen, vollständigen Energieverbrauchermatrix Entwicklung energetischer Beurteilungskriterien unter Berücksichtigung nicht veränderlicher, anlagenspezifischer Randbedingungen (Einblastiefe, Abwasseranfall, Abwasserzusammensetzung etc.) Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Wirtschaftliche Bewertung der Maßnahmen (Kosten vs. Energieeinsparung) nach LAWA Empfehlung mit zeitlicher Gliederung zur Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen 19

21 Maßnahmenumsetzung abgestufte Umsetzung durch Unterteilung der Maßnahmen in: Sofortmaßnahmen (S) kurzfristigen Maßnahmen (K) abhängige Maßnahmen (A) 20

22 Zusammenfassung Schwerpunkt des A-216 ist die Festlegung und damit Vereinheitlichung der Methodik zur Erschließung vorhandener Energie-Potenziale 2 Schritte: Energiecheck / Energieanalyse Methodik berücksichtigt die spezifischen Verhältnisse auf der Kläranlage (Vergleich der Anlagenkennwerte über anlagenspezifische Modellanlagenberechnung) zeitliche Gliederung der Maßnahmen (sofort, kurzfristige und abhängige Maßnahmen) 21

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22