Energieverbrauch und -erzeugung in der Wasser-, Abwasser- und Abfallwirtschaft Nutzung erneuerbarer Energien

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1 1 Wasserwirtschaft im Wandel , Berlin Energieverbrauch und -erzeugung in der Wasser-, Abwasser- und Abfallwirtschaft Nutzung erneuerbarer Energien Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Rosenwinkel Dipl.-Ing. Linda Hinken

2 Inhalt 2 Einleitung Energieverbrauch in in Deutschland Entwicklung der der Energiepreise Struktur der der Energieträger Anteil der der erneuerbaren Energien Energieverbrauch für für Wasser, Abwasser und und Abfall Wasserversorgung Kommunale Abwasserbehandlung Abfallbehandlung Energiepotentiale und und erzeugung Kommunalabwasser Industrieabwasser Abfälle Nachwachsende Rohstoffe Gegenüberstellung und und Zusammenfassung Faulbehälter, KA Gümmerwald gp

3 Einleitung 3 Kommerzielle Weltprimärenergieverbrauch 2002: PJ PJ mittl. Leistungsaufnahme von von 12,5 12,5 TW TW Hauptverbraucher: USA USA (24,4 %) %)& China (10,6 %) %) Deutschland, 2005: PJ PJ GW GW (5.473 W/Kopf) Anteil der Energieträger am Energieverbrauch Biomasse 18% Hydropower 4% Durchschnittlich beanspruchte Leistung an an Primärenergieträgern [Watt/Kopf] im im Vergleich: Ver. Ver. Arab. Emirate USA USA Deutschland Europa Welt Welt Philippinen Quellen: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 2006; Statistisches Bundesamt Datenreport 2004; International Energy Agency: Key World Energy Statistics 2005; Statistisches Bundesamt; International Energy Agency; Fossile Energieträger 78% China Anteil Atomkraft < 1 %, aber steigend Quelle: Barz, Beijing/TU-Berlin, 2004 Erneuerbare Energien 4,6% Kernenergie 12,5% Deutschland Fossile Energien 82,9%

4 Energieverbrauch in Deutschland 4 Stromverbrauch pro Jahr [kwh] je Haushalt im Vergleich, 2003 Deutschland Netto-Stromverbrauch in in Deutschland 2004: TWh Anteil der der privaten Haushalte: % (143 (143 TWh) Pro-Kopf- Verbrauch: Primärenergie Deutschland: kwh/a USA: kwh/a Afrika: kwh/a Aufteilung in in Deutschland: kwh/d Energie (Wärme, Elektrizität, Kraftstoffe, Erdölprodukte) kwh/d ausschließlich elekt. Strom (~ (~ 5500 kwh/a) 3,5 3,5 kwh/d davon im im Haushalt ( ( 12,6 MJ/d) (~1280 kwh/a) Quellen: Arbeitsgemeinschaft Energie Bilanzen; Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Energiedaten 2000/Energiedaten 2003); Deutscher Fachverband Solarenergie; Bund der Energieverbraucher; VDEW, 2004

5 Energieverbrauch in Deutschland 5 Entwicklung der der Stromerzeugung aus aus erneuerbaren Energien IST: 62,5 TWh, davon ~13,5 TWh aus Biomasse 2020: 151 TWh, davon ~26 TWh aus Biomasse Gesamtpotential Biomasse: 60 TWh Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 2004 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG): Entwicklung der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 und finanzielle Auswirkungen; BMU, 2003

6 Energiebedarf der Wasserversorgung 6 Wasserversorgung in Deutschland 2004 Anschluss an an die die öffentliche Wasserversorgung: 99,2 99,2 % (81,8 Mio. Mio. Personen) Gewonnene Wassermenge: Mio. Mio. m³ m³ Wasserabgabe an an Letztverbraucher: -- Insgesamt: 4733,3 Mio. Mio. m³ m³ (1995: 5094,2 Mio. Mio. m³) m³) -- An An Haushalte und und Kleingewerbe: 3753,2 Mio. Mio. m³ m³ (1995: 3872,0 Mio. Mio. m³) m³) -- Je Je Einwohne und und Tag: Tag: L (1995: L) L) Energieverbrauch: ca. ca. 1 kwh/m³ Brunnen, WW Halingen Fluss-, Seen- und Talsperrenwasser 13% Uferfiltrat und angereichtertes Grundwasser 13% Quellwasser 8% Möhnetalsperre Grundwasser 66% Quellen: Statistische Ämter des Bundes und der Länder, September 2006 Statistisches Bundesamt, Pressemitteilung, Januar 2006

7 Energieverbrauch in kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen 7 Energieverbrauch auf auf Kläranlagen: kwh/(e a) Potentiale zur zur Reduzierung des des Energieverbrauchs Tarifliche Maßnahmen: Ausnutzung der der Tarifstrukturen und und Verhandlungen mit mit Energieversorgungsunternehmen keine Einsparung von von Energie aber aber von von Energiekosten Maßnahmen innerhalb der der Kläranlage (größtes Potential) Optimierung der der Belüftung Erhöhung der der Energieproduktion durch moderne Techniken mit mit hohen Wirkungsgraden (BHKW; Brennstoffzellen) Erhöhung der der einwohnerspezifischen Faulgasmenge durch KAZ KAZ Maßnahmen außerhalb der der Kläranlage: Verminderung der der Abwassermenge durch höhere Dichtigkeiten im im Kanalnetz und und Reduktion des des Fremdwasseranteiles Nutzung von von Abwasserwärme durch Wärmetauscher im im Kanalnetz Quelle: Kaste, Müller, Kobel: Verfahrenstechnische Potenziale bestehender Kläranlagen, MUNLV, 39. Essener Tagung, 2006

8 Energieerzeugung aus Abfällen 8 Stoffstrombasierte Behandlungsverfahren Quellen: Wendler, 2005 Stoffströme in in der der Siedlungswasserwirtschaft Häusliches Abwasser Grauwasser Braunwasser Gelbwasser Häuslicher Bioabfall Küchenabfall Gartenabfall Klärschlamm Industrielle und und gewerbliche Stoffströme/Cofermentation Küchenabfallzerkleinerer (KAZ)

9 Energieerzeugung aus Abfällen 9 Zusammensetzung des Siedlungsabfalls, 2004 (Gesamt-Input in Abfallentsorgungsanlagen: ~38 Mio. t) Straßenkehricht 7% Abfälle aus der Biotonne 7% Spermüll 11% Sonstige 1% Getrennt gesammtelte Fraktionen* 26% AWB Gärung, Quellen: Statistische Ämter des Bundes und der Länder, September 2006 Statistisches Bundesamt, Pressemitteilung, Januar 2006 Hausmüll und hausmüllähnliche Gewerbeabfälle 12% gemischte Siedlungsabfälle, nicht differenzierbar Garten- und Parkabfälle (inkl. Friedhofsabfälle)** 30% 6% * davon ~8,6 % biologisch abbaubare Küchen- und Kantinenabfälle ** davon ~88 % biologisch abbaubare Abfälle

10 Energieerzeugung aus Abfällen und nachwachsenden Rohstoffen Stromerzeugung aus Biomasse in Deutschland, 2005 (Umrechnung auf 82,4 Mio. Einwohner) 10 Endenergie [GWh/a] Pro Einwohner [kwh/(e a)] Anteil am gesamten Endenergieverbrauch [%] Biogene Festbrennstoffe ,5 0,88 Biogene flüssige Brennstoffe 430 5,2 0,07 Biogas (NawaRo) ,3 0,41 Klärgas Deponiegas Biogener Anteil des Abfalls Gesamt ,5 26,7 24,9 163,1 0,14 0,36 0,34 2,20 Stromerzeugung aus aus erneuerbarer Energie in in Zukunft: 2020: 2020: ~26 ~26 TWh TWhaus Biomasse Ziel: Ziel: TWh/a TWh/a Quellen: BMU, Mai 2006; BMU, 2003; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 2004 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG): Entwicklung der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 und finanzielle Auswirkungen

11 Energiepotentiale in der Wasser, Abwasser- und Abfallwirtschaft 11 Abwasser: -- Im Im Abwasserbereich wird wird derzeit nur nur Energie aus aus der der Schlammfaulung gewonnen (etwa kwh/(e a) Wärme und und kwh/(e a) Strom); eine eine Verdoppelung der der derzeit genutzten Wärme und und Strommenge durch konsequentere und und effizientere Nutzung des des Potentials ist ist möglich. -- Mit Mit Hilfe von von Küchenabfall, Cofermentation und und Gartenabfällen lässt sich sich die die Energiegewinnung in in den den Faulbehältern einer Kläranlagen weiter steigern. -- Ein Ein hohes bisher ungenutztes Energiepotential besitzt die die Wärme im im Abwasser. Bereits mit mit einer Temperaturreduktion von von ~ 2 C C lässt sich sich Wärme von von etwa kwh/(e a) gewinnen. Abfall: -- Auch im im Abfallbereich sind sind große noch ungenutzte Energiepotentiale vorhanden. Durch Vergärung oder Verbrennung der der Abfälle sowie Nutzung des des Deponiegases lässt sich sich auch hier hier derzeit genutzte Energie (sowohl Wärme als als auch Strom) nahezu verdoppeln.

12 Energiebilanz in der Wasser, Abwasser- und Abfallwirtschaft 12 KA -Herenhausen Durch Optimierung lässt sich der Energiebedarf einer Kläranlage decken! -- Wird der der Energieverbrauch der der Kläranlage optimiert und und das das Energiepotential (Energieerzeugung im im Faulbehälter) intensiver genutzt, kann der der Energiebedarf der der Kläranlage vollständig gedeckt werden -- Für Für gegebenenfalls entstehende Engpässe können Abfälle, z.b. z.b. in in Form von von Co-Fermenten, eingesetzt werden. -- Mit Mit Hilfe des des Energiepotentials der der Abfallbehandlung lässt sich sich auch der der Verbrauch in in der der Wasserversorgung decken.

13 Energiebilanz in der Wasser, Abwasser- und Abfallwirtschaft 13 Alternative Möglichkeiten der der Energieerzeugung aus aus Abwasser/Schlamm Für Für die die Energiegewinnung aus aus Abwasser und und Schlamm ist ist auch der der Einsatz von von alternativen Konzepten möglich: -- Erzeugung von von Wärme und und Strom aus aus der der anaeroben Abwasserbehandlung. Ein Ein effizienter Einsatz dieses Systems ist ist jedoch nur nur bei bei hohen Konzentrationen und und entsprechender Temperatur möglich. -- Aus Aus der der Faulung der der Feststoffe kann ein ein erhebliche Mengen an an Strom und und Wärmeenergie gewonnen werden. Ein Ein Großteil der der anfallenden Wärmeenergie muss jedoch zur zur Aufheizung der der Behälter verwendet werden. -- Mit Mit Hilfe der der Verbrennung von von getrocknetem Faulschlamm lässt sich sich in in etwa die die zur zur Trocknung des des Schlammes erforderliche Energie gewinnen.

14 Energiebilanz in der Wasser, Abwasser- und Abfallwirtschaft 14 Kombination Nawaro + Schlammtrocknung Beispiel: Beispiel: Kläranlage Kläranlage mit mit Co-Fermenten Co-Fermenten + + Anlage Anlage für für nachwachsende nachwachsende Rohstoffe Rohstoffe -- Im Im Faulbehälter entsteht Biogas, das das in in einem Blockheizkraftwerk in in Wärme und und Strom umgewandelt wird: --Wärme: Nutzung zur zur Aufheizung des des Faulbehälters --Strom: Einspeisung in in das das öffentliche Netz bzw. Nutzung zur zur Deckung des des Eigenbedarfs (Gewinn etwa /a) /a) -- Anlage für für nachwachsende Rohstoffe, ebenfalls mit mit Blockheizkraftwerk: --Wärme: Nutzung zur zur Trocknung des des ausgefaulten Schlammes --Strom: Einspeisung in in das das öffentliche Netz bzw. Nutzung zr zr Deckung des des Eigenbedarfs (Gewinn etwa /a) /a)

15 Zusammenfassung und Bewertung 15 Elektrische Energie: Nutzung und und Potentiale in in Deutschland Verbrauch Gesamt :: ca. ca kwh/(p a) Wasserversorgung: ca. ca kwh/(p a) Abwasserreinigung: 40-70kWh/(P a) (möglich kwh/(p a)) Erzeugung Abwasser ca ca10 10 kwh/(p.a) (möglich ca ca42 42 kwh/(p.a) Abfallbehandlung: ~145 kwh/(p a) (möglich ~300 kwh/(p a)) Stadtwerke Hof NawaRo: kwh/(p a) aus aus Biogas (Ziel (Ziel 2020 ca ca290 kwh/(p a) später ca ca730 kwh/p.a) Resümee --Ziele für für die die Zukunft: Minimierung des des Energiebedarfs von von Wasserversorgungs- und und Abfallbehandlungsanlagen, Eigenversorgung der der Abwasserreinigung Verbesserte Nutzung der der Energiepotentiale (Wärme und und Strom)aus Abwasser und und Abfall Entwicklung von von effizienteren Systemen zur zur Energieproduktion aus ausnawaro Minimierung der der negativen Einflüsse der der Energieproduktion aus aus NawaRo