STEIGERUNG DER ENERGIE EFFIZIENZ AUF KOMMUNALEN KLÄRANLAGEN

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1 STEIGERUNG DER ENERGIE EFFIZIENZ AUF KOMMUNALEN KLÄRANLAGEN Inka Hobus Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft

2 Tätigkeitsschwerpunkt Betriebsoptimierung von Kläranlagen mit Schwerpunkt: Energie Dynamische Simulation von Kläranlagen Betreuung von Forschungsprojekten: Bucherpresse Mikroschadstoffe Deammonifikation Energieoptimierung

3 Zielstellung Energieeffizienter Betrieb von kommunalen Kläranlagen Optimierte Nutzung des Energiepotenzials Inhalt des Vortrags: Energieeinsatz im urbanen Wasserkreislauf Energieverbrauch auf kommunalen Kläranlagen Energiepotential von Faulungsanlagen Maßnahmen zur Energieoptimierung EU Projekt INNERS

4 Energieeinsatz im Wasserkreislauf Elektrische Energie Pumpen Durchmischen Sauerstoffeintrag Thermische Energie Warmwasserbereitstellung (Duschen/Waschen) Gebäudeheizung Faulbehälterheizung Energiepotentiale Potentielle Energie (Wasserkraft) Thermische Energie im Abwasser (Abwasserwärmenutzung) Chemische Energie im Abwasser (Faulgasnutzung) Energieeffizienz

5 Energieeinsatz im Wasserkreislauf elektrische Energie Trinkwasserversorgung Transport, Aufbereitung, Verteilung 0.48 kwh/m³ Abwasserreinigung elektrische Energie Ableitung und Reinigung 0.16 und 0.9?10 kwh/m³ Energieverbrauch in den Haushalten Kochen, waschen, duschen > 50 kwh/m³ thermische Energie (Olsson, 2011)

6 Energieverbrauch auf Kläranlagen Kläranlagen

7 Zielstellung Energieeffizienter Betrieb von kommunalen Kläranlagen Optimierte Nutzung des Energiepotenzials Inhalt des Vortrags: Energieeinsatz im urbanen Wasserkreislauf Energieverbrauch auf kommunalen Kläranlagen Energiepotential von Faulungsanlagen Maßnahmen zur Energieoptimierung EU Projekt INNERS

8 Aufbau einer Kläranlage

9 Energiebedarf der Abwasserreinigung spezifischer Strombedarf [kwh/(e*a)] spezifischer Wärmebedarf [kwh/(e* d)] Schlammbehand lung; 2,70 Filteranlage; 2,01 Infrastruktur; 1,60 Hebewerk; 1,24 Mech. Reinigung; 0,68 Faulbehälter heizung 3,93 Raumwärme 1,97 Nachklärung; 0,15 Biologische Stufe; 16,65 Schlamm aufheizung 13,8 Bedarf KA Elektrische Energie: 25 kwh el /(E*a) Wärme: 20 kwh th /(E*a) (Handbuch Energie in Klär? anlagen, MUNLV NRW, 1999; KA > E)

10 Stromverbrauch von Kläranlagen spez. Stromverbrauch [kwh/(e*a)] spezifischer Elektrizitätsverbrauch gesamter Elektrizitätsverbrauch ges. Elektrizitätsverbrauch [GWh/a] 0 0 < 1, ? ? ? > Größenklasse [E] (UBA, 2006)

11 Durchführung von Energieanalysen Energieanalyse Analyse Umsetzung Realisierung Bewertung Gegenüberstellung Energieverbrauch im IST?Zustand zum Idealwert Idealwert? theoretischer Wert berechnet mit einer Modelkläranlage? erreichbar unter optimalen Bedingungen mit der best. verfügb. Technik

12 Kennzahlenvergleich von Kläranlagen Anschlussgröße Richtwert Zielwert Kennzahlen (MUNLV NRW, 1999)

13 Ermittlung von Kennzahlen Kläranlage Buchenhofen CSB?Zulaufkonzentration 400 g/m³ Zulaufmenge m³/d Spezifische CSB?Fracht: 120 g/e/d Berechnung mittlere Einwohnerbelastung: Zulauffracht: B d,csb = kg/d E = Zulauffracht /spezifische Fracht

14 Ermittlung von Kennzahlen Kläranlage Buchenhofen CSB?Zulaufkonzentration 400 g/m³ Zulaufmenge m³/d Spezifische CSB?Fracht: 120 g/e/d Berechnung mittlere Einwohnerbelastung: Zulauffracht: B d,csb = kg/d E = Zulauffracht /spezifische Fracht = kg/d /0,120 kg/(e*d) = E

15 Ermittlung von Kennzahlen spezifischer Elektrizitätsverbrauch pro Einwohner mittlere Einwohnerzahl: E Fremdenergiebezug: Eigenproduktion BHKW/Wasserkraft Gesamtenergieverbrauch Energieverbrauch Belebung MWh/a MWh/a MWh/a Berechnen Sie folgende Kennzahlen und vergleichen Ihn mit dem Richt? und Idealwert der Kläranlage : spezifischer Energieverbrauch Gesamtanlage (e Ges ) spezifischer Energieverbrauch Belebung (e BB ) Eigenversorgungsgrad an Elektrizität (V e )

16 Ermittlung von Kennzahlen spezifischer Elektrizitätsverbrauch pro Einwohner mittlere Einwohnerzahl: E Fremdenergiebezug: Eigenproduktion BHKW/Wasserkraft Gesamtenergieverbrauch Energieverbrauch Belebung MWh/a MWh/a MWh/a Berechnen Sie folgende Kennzahlen und vergleichen Ihn mit dem Richt? und Idealwert der Kläranlage : spezifischer Energieverbrauch Gesamtanlage (e Ges ) = 36 kwh/(e*a) spezifischer Energieverbrauch Belebung (e BB ) = 21 kwh/(e*a) Eigenversorgungsgrad an Elektrizität (V e ) = 58 %

17 Elektrizitätsverbrauch von Kläranlagen e Ges [kwh/(e*a)] KA mit aerob. Stabilisierung KA mit Schlammfaulung Richtwert Idealwert Anschlussgröße [E] (48 Analysen)

18 Ansatzpunkte für Optimierung Regelung des ÜSAbzugs Dynamisierung des Schlammalters Verdichter, Gebläse, Belüfter Regelung der N und PElimination Regelung des O 2 Eintrags Pumpen Abwasser reinigung Rührwerke MSRTechnik Betrieb der Schlammeindickung Schlamm behandlung BHKW / MGT / FC Betrieb der Faulanlage Betrieb der Schlamm entwässerung Entwässerung Faulbehälter Umwälzung energieoptimierte Betriebsführung energieeffiziente Aggregatetechnik

19 Zielstellung Energieeffizienter Betrieb von kommunalen Kläranlagen Optimierte Nutzung des Energiepotenzials Inhalt des Vortrags: Energieeinsatz im urbanen Wasserkreislauf Energieverbrauch auf kommunalen Kläranlagen Energiepotential von Faulungsanlagen Maßnahmen zur Energieoptimierung EU Projekt INNERS

20 Energiebilanz anaerobe Stabilisierung Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 37,5 kwh/ew/a (η Kraftwerk = 40 %) Input Strom: 31 kwh/ew/a; Fremdbezug: 15 kwh/ew/a Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a Vorreinigung 3,0 kwh/ew/a Belebungsbecken 17,0 kwh/ew/a RLS u. NKB 4,0 kwh/ew/a Schlammbehandlung 3,5 kwh/ew/a Input Abwasser Qutput Abwasser E th : 75 kwh/ew/a CSB : 153 kwh/ew/a E th : 75 kwh/ew/a CSB : 8 kwh/ew/a Lage : 3 kwh/ew/a Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 90 kwh/ew/a Energiegewinn aus Gasverstromung Elektr. : ca. 17 kwh/ew/a Therm.: ca. 31 kwh/ew/a Qutput Schlamm ca. 38,5 kwh/ew/a (Gretschel, Kolisch DWA Energie Tage, 2012)

21 Faulgasnutzung Nutzung zur Wärmeerzeugung am Standort Nutzung zur Strom und Wärmeerzeugung am Standort Transport über separate Gasleitung und externe Nutzung Aufbereitung und Einspeisung in das öffentl. Erdgasnetz Varianten der Faulgasnutzung Gasspeicherung Gasspeicherung Gasspeicherung Gasspeicherung Heiz kessel BHKW Anlage Wärme pumpe Wärme pumpe Aufbereitung Gastransport Netzeinspeisung BHKW Anlage Verbraucher Restgas über Fackel, keine Stromerzeugung Wärmeüber schuss im Jahresgang hohe Effizienz, keine interne Stromerzeugung hohe Effizienz, keine interne Stromerzeugung

22 Faulgasnutzung in einer Kesselanlage Wärmeproduktion mit einer Kesselanlage: E th = Q Gas * H U * η Kessel Gasertrag: 20 l/e/d Einwohner: E Methangehalt: 65 % Heizwert: 6,5 kwh/m N ³ Kesselwirkungsgrad: 90 % Wärmeproduktion: kwh th /a einwohnerspezifisch e th : 43 kwh th /E/a deutlich größer als der thermische Energiebedarf e th : 20 kwh th /E/a

23 Faulgasnutzung: BHKW Wärmeproduktion: E th = Q Gas * H U * η therm,bhkw Stromproduktion: E el = Q Gas * H U * η elekt,bhkw Wirkungsgrad: η el = % η th = % Wärmeproduktion e th : 24 kwh th /E/a (BHKW η th = 45 %) Stromproduktion e el : 17 kwh el /E/a (BHKW η el = 40 %) Energiebedarf e th : Energiebedarf e el : 20 kwh th /E/a 25 kwh el /E/a

24 Einspeisung gas to grid "For the first time ever in the UK, people can cook and heat their homes with gas generated from sewage." (Energy and Climate Change Secretary Chris Huhne) "Every sewage works in Britain is a potential source of local renewable gas waiting to be put to use." (Martin Baggs, Chief Executive Thames Water) "We're helping local communities use local resources to generate their own energy." (Gearóid Lane, Managing Director of New Energy, British Gas) ( 24 Rüsselsheim, den 22. März 2012

25 Eigenstromproduktion mit BHKW derzeit die günstigste Variante! (

26 Eigendeckungsgrad Elektrizität Eigendeckungsgrad Elektrizität [%] Eigendeckungsgrad Elektrizität Richtwert Idealwert Deckung mit regenerativen Energien Wirkungsgrad z.b. BHKW verbessern Energiever? brauch senken Anschlussgröße [E] (34 Analysen)

27 Zielstellung Energieeffizienter Betrieb von kommunalen Kläranlagen Optimierte Nutzung des Energiepotenzials Inhalt des Vortrags: Energieeinsatz im urbanen Wasserkreislauf Energieverbrauch auf kommunalen Kläranlagen Energiepotential von Faulungsanlagen Maßnahmen zur Energieoptimierung EU Projekt INNERS

28 Energieverbrauch Pumpen (Energieeinsatz auf Kläranlagen, MLUV Mecklenburg Vorpommern, 2009) 1 m³ 1 m³ 1 m

29 Energieverbrauch Pumpen Energieverbrauch fürs Pumpen: spezifischer Verbrauch 4,5? 6 Wh/(m³*m FH ) 1 m³ 1 m³ 1 m Q FB Förderhöhe P W Energie? bedarf spezif. Energieeintrag Modellanlage vorh. spez. Energieeintrag [m³/d] [m] [kw] [kwh/a] [Wh/(m³ m FH )] [Wh/(m³ m FH )] Zulauf FB ,0 24,0 Austausch der Pumpe Austausch der Pumpe + Eindicker , ,0

30 Pumpenauslegung 12,0 10,0 Arb eitsbereic h der Pumpe Förderhöhe [m] 8,0 6,0 4,0 η = 60 % η = 70 % η = 75 % η = 77 % 2,0 η = 75 % 0, Fördermeng e [m ³/h] n = 960 n = 850 n = 750 Anlagenkennlinie

31 Austausch von Belüftungselementen Hintergrund: Belagbildung, Auslösen von Weichmachern und Alterung verschlechtern den Sauerstoffertrag neue flächendeckende Druckluftbelüftungssysteme erreichen Einträge von über 20 g O 2 /(m³*m ET ) KA C?Stadt: 1. Ist?Zustand 0,47 Mio. kwh/a (25 kwh/(e*a)) 2. Einsatz feinblasiger Plattenbelüfter mit einem Sauerstoffeintrag von 25 g O 2 /(m³*m ET ) 3. Optimierter Zustand verbraucht 0,21 Mio. kwh/a (11 kwh/(e*a))

32 Schlammalter und O 2 Gehalt Hintergrund: O 2?Gehalte größer 2 mg/l verbessern die Nitrifikationsrate nur noch geringfügig hohe Schlammalter: hohe endogene Atmung, (Teil?)Stabilisierung und geringer Gasertrag Um satzleistung der Nitrifikanten [%] Um sa tzleistung rela tive Luftzufuhr Sauerstoffkonzentration [m g/l] rela tive Luftzufuhr [%] KA A?Stadt: 1. Ist?Zustand 1,9 Mio. kwh/a (22,8 kwh/(e*a)) bei t TS von bis zu 30 d und c O2 von 2,8 mg/l 2. Optimierter Zustand (t TS = 16 d und 1,5 mg O 2 /l) verbraucht 1,5 Mio. kwh/a (18,3 kwh/(e*a)) 3. Vorschlag TS BB und c O2 stufenweise absenken 4. Alternativ: Belebungsbecken stilllegen Schlammalter [d] 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 unzulässiger Bereic h energetisc h ungünstiger Bereic h Einsp arpotenzia l Tem peratur [ C] SF = 1,8 SF = 1,6 SF = 1,45

33 Rücklaufschlammförderung Hintergrund: ein Rücklaufschlammverhältnis von 0,7 bis 1,0*Q 0 ist ausreichend und energetisch günstiger hiermit verbunden ist eine geringere hydraulische Belastung der Nachklärung und ein höherer TS RS KA B?Stadt: 1. Ist?Zustand kwh/a (7,4 kwh/(e*a)) bei RS von >2 2. Optimierter Zustand (RS = 1): kwh/a (3,7 kwh/(e*a)) 3. Maßnahme: Einbindung eines FU zur Regelung der Rücklauf? schlammmenge Q [m³/d] Q zu Tage [d] Rücklaufschlamm Q = konst Rücklaufschlamm RV = 0,75

34 Zielstellung Energieeffizienter Betrieb von kommunalen Kläranlagen Optimierte Nutzung des Energiepotenzials Inhalt des Vortrags: Energieeinsatz im urbanen Wasserkreislauf Energieverbrauch auf kommunalen Kläranlagen Energiepotential von Faulungsanlagen Maßnahmen zur Energieoptimierung EUProjekt INNERs

35 Forschungsprojekt: INNERS INNovative Energy Recovery Strategies in the urban water cycle INNERS Optimierung der Energiebilanz des urbanen Wasserkreislaufs

36

37 Nutzung der Energiepotentiale Energiepotentiale Potentielle Energie (Wasserkraft) Thermische Energie im Abwasser (Abwasserwärmenutzung) Chemische Energie im Abwasser (Faulgasnutzung) Energieeffizienz

38 Arbeitspakete des F&E Projektes Work packages Energiebilanz Wasserkreislauf Thermische Energie Elektrische Energie Umsetzungs?strategien Bestandsaufnahme Modelle zum urbanen Wasserkreislauf Messung von Temperaturdaten im Kanal Benchmark Studie: Energieeinsatz auf KA Vermittlung INNERS Ergebnisse an Entscheidungsträger Identifizierung fehlender Daten Machbarkeitssudie: Wärmerückgewinnungs potential Machbarkeitsstudie: Verbesserung der Energiebilanz auf KA Vermittlung INNERS Ergebnisse an zukünftige Ingenieure Actions Entwicklung eines Energiebilanzmodell Demonstrations? projekt: Wärmerück? gewinnung Demonstrations? projekt: Deammonifikation Identifizierung von rechtlichen/organisa? torischen Barrieren Datenaufnahme für das Energiebilanzmodell Demonstrations? projekt: Neue Sanitär Konzepte Pilot: Energy Online System (EOS)

39 Wärmerückgewinnung Nutzung der Abwasserwärme im Ablauf der Kläranlage Nutzung der Abwasserwärme im Kanal Aufbau von lokalen Wärmenetzen auf Kläranlagen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden Heizen und Kühlen von Ein? Familienhäusern mit Regenwasser

40 Nutzung von Abwasserwärme Aus: Merkblatt DWA M 114

41 Ausführung von Wärmetauschern Anordnung im Kanal Wärmebereitstellung von Gebäuden Anordnung auf der Kläranlage in der Nachklärung Wärmebereitstellung für Betriebsgebäude Wärmebereitstellung für Rohschlammaufheizung RohrbündelWT KA Güstrow

42 Aus: Merkblatt DWA M 114

43 Nutzung von Abwasserwärme Wärmebedarf für Heizung des Betriebsgebäudes: Beheizte Fläche: 500 m² Spezifische Heizlast: 100 W/m² Heizlast : 50 kw Auslegung Wärmetauscher: Wärmetauscher: WT?Fläche = 16,7 m²; Durchmesser = 2 cm HDPE?Tauscherrohre = 264 m Abkühlung des Abwassers bei Q zu = 625 m³/h T [ C] Jahr Zulauf KA Ablauf KA T = Abwasser WA c* ρ* Q = 0,1 C

44 Die Kläranlage als Teil der Energieinfrastruktur

45 Lokales Wärmenetz in Buchenhofen

46 Aufbau eines lokalen Wärmenetzes Wärmeproduzenten: 4 BHKWs mit einer zukünftigen Leistung von 2,4 MW el Schlammverbrennungsanlage mit einem Durchsatz von t TR/a Wärmeabnehmer des vorhandenen Wärmenetzes: Betriebsgebäude Faulbehälter Absorptionskälteanlage zur Kühlung Geplante Erweiterung: Laborgebäude KA Rutenbeck (Industriekläranlage) Holztrocknungsanlage

47 Gegenüberstellung Wärmeproduktion / Wärmebedarf Benötigte thermische Arbeit in MWh/Monat IST-Verbrauch Gebäude/Labor Bayer Klärwerk Bayer Sportpark Holztrocknung Verluste Erzeugte thermische Arbeit BHKW + SVA: MWh/Monat Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

48 Energieneutrale Kläranlage 2?stufige Kaskadenbiologie mit vorgeschalteter Denitrifikation Volumen Biologie = m³ Ausbaugröße = EW Stromverbrauch 3,98 GWh/a (26,6 kwh/ew N?CSB.mittel ) Stromproduktion 3,31 GWh/a (21,7 kwh/ew N?CSB.mittel ) Keine thermische Primärenergie

49 Entwicklung des Elektrizitätsverbrauchs Umbau UG RR Belüftungssyst. CoFermentat. Neues. BHKW Gesamtverbrauch Eigenerzeugung Fremdbezug Einspeisung Jan 03 Jan 04 Jan 05 Jan 06 Jan 07 Jan 08 Jan 09 Jan 10 Strombezug, produktion [kwh/mon] Jan 11 Deammonifikation Foto: I. Görtz, Uni Duisburg?Essen

50 Verfahren der Deammonifikation Ammonifikation NH 4 Stickstoffbindung N org Anoxische Ammonium Oxidation Nitritation O 2 N 2 NO 2 Foto: I. Görtz, Uni Duisburg?Essen Denitritation C org Nitratation O 2 Denitritation C org NO 2 Denitratation C org NO 3 Nitrifikation/Denitrifikation Nitritation/Denitritation Deammonifikation

51 Vorteile Deammonifikation Nitrifikation/ Denitrifikation Nitritation/ Denitritation Deammonifikation Sauerstoffbedarf [g O 2 / g N] 4,57 3,43 1,94 Kohlenstoffbedarf [g CSB/ g N] 2,86 1,71 0 CO 2?Emissionen [g CO 2 / g N] 5,76 4,72 3,40 Schlammproduktion [g TS/ g N] 1 1,2 0,8 0,9 < 0,1

52 Einsparpotential mit Deammonifikation BSB ~4.8 N ~3.5 e Potential = E SST = 9 E SST kwh el EW a VK 0.5h 2h DN N ~!25 kwh el!20 EW a NKB PWBH PW BHKW = Blockheizkraftwerk FB = Faulbehälter DN = Denitrifikation N = Nitrifikation VK = Vorklärung NKB = Nachklärbecken PW = Prozesswasser PWBH = Prozesswasserbehandlung FB CH 4 BHKW ~ +11 kwh el +15 EW a (Rosenwinkel et al., 2011)

53 Sofortinfo zur Energieoptimierung: Energieonline Service Tool EOS

54 Energieonlinesystem online?aufnahme von Energiedaten optimisation Datenbank energy online service tool Ermittlung von Bewertungskriterien Auswertung und Beurteilung des Energieverbrauchs Visualisierung der energetischen Verbrauchssituation Ableitung von energetischen Aggregatekennzahlen Datenbereitstellung für Energieregister und bericht

55 Energieanalyse ver. Energieonlinesystem Sepzifischer Energieverbrauch auf der Kläranlage [kwh/ecsb/d] Idealwert Messwerte Einspar? potential J F M A M J J A S O N D Vorteil EOS: Beurteilung des Energieverbrauchs über die Zeit unter Berücksichtigung von Belastungsschwankungen Erfolgskontrolle von umgesetzten Maßnahmen

56 Beurteilung einzelner Aggregate 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 [%] 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 self coverage of electric power 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 [%] Beurteilung des Energieverbrauchs der Aggregate Einbindung eines Expertensystem mit Vorschlägen zur Verbesserung des Energieverbrauchs

57 Zusammenfassung Durch eine integrale energetische Optimierung der Abwasser? und Schlammbehandlung und die Nutzung moderner KWK? Technik kann der Energiebedarf gesenkt und Stromproduktion deutlich gesteigert werden. Ziel sollte es sein durch Einsatz von hoch?effiziente Technologien in der Jahresbilanz eine energieneutrale Kläranlage zu erreichen. Ein Aufbau lokaler Energienetze mit der Abgabe von Über? schüssen an Gas, Strom und Wärme kann wirtschaftlich sein. Mit Blick auf den urbanen Wasserkreislauf liegt ein hohes Potential in der Wärmerückgewinnung

58 Vortrag zum Energiemanagement beim Wupperverband Besichtigung einer Kläranlage des Wupperverbandes Infos zu INNERS Infos zum Wupperverband Infos zur WIW Download von zwei Broschüren zur Energieoptimierung Fragen zum Vortrag