Abwasserbehandlung und Energiegewinnung Einführung zum Stand des Wissens und Zukunftsvisionen
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- Margarete Ursler
- vor 8 Jahren
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1 Abwasserbehandlung und Energiegewinnung Einführung zum Stand des Wissens und Zukunftsvisionen Boris Lesjean Kompetenzzentrum Wasser Berlin 27. Berliner Wasserwerkstatt,
2 Gliederung Aktuelle Fakten über Energiebedarf von Klärwerken Gegenwart: Energie-neutrale Klärwerke? Zukunft: Energie-positive Klärwerke? Fazit Definition Energie-neutrale Klärwerke = neutrale Energie-bilanz Energieautarke Klärwerke = kein Stromanschluss! 2
3 Geschichte der Abwasserbehandlung in Europa (Beispiel Berlin) C-Elim + Nitri + Faulung C-Elim + Faulung Rieselfeld (mit Vorklärung) 4. RS C, N & P Elim + Faulung Netto Energiebedarf Hauptaussage: Technologiewechsel mit Beschleunigung ( Jahren) was wird die nächste Generation? Erhöhte Reinigungsqualität = Erhöhter netto Energiebedarf (mehr Energieverbrauch, weniger Energierückgewinnung) 3
4 (brutto) Energieverbrauch zur Abwasserreinigung Optimierungspotential Quelle: MUNLV-NRW, 1999 Deutschland Durchnitt: 35 kwh/ew/a für Abwasserreinigung 4
5 35 kwh/ew/a für Abwasserreinigung??? Nur ~ 0.7 % des Stromkonsum in Deutschland Äquivalent zu: 1 Energiesparlampe 4 Watt: 24h/d Mein Laptop (65 Watt): ~ 1.5h/d «So Watt???» GWh pro Jahr von deutschen Kläranlagen = Energiebedarf von 900,000 4-Personen-Haushalten 3 Millionen Tonnen CO 2 pro Jahr Grösste Energieverbraucher von Kommunen (~ 30%) vor Schulen, Krankenhäusern und Beleuchtung Unterschied zu anderen städtischen Einrichtungen: Abwasser ist eine erneuerbare Energiequelle!!! 5
6 Eigenversorgungsgrad bei Elektrizität in Klärwerken Faulgasproduktion aus KW in Deutschland: 865 GWh/a (20% gesamt Eigenversorgung) = 1,4 % regen. Energiequellen Görlitz Koverg. Gera Co-verg. BS mit Biogas Abfall / Landwirt. Wan BS Pest-S Koverg. Mhf Pilsen Stdf Pest-N Koverg. Prague Was Ruh Schö Berlin (2007) Veolia ( , Auswahl) Quelle: MUNLV-NRW, 1999 (zum Vergleich sind jeweilige Verfahrenstufen / Reinigungsleistungen zu berücksichtigen) 6
7 Eigenversorgungsgrad bei Wärme in Klärwerken Quelle: MUNLV-NRW,
8 Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Grundsätzliche Überlegungen auf der Grundlage des Standes der Technik (Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, UBA, 2008, 226 S.) -30% Stromeinsparung durch Betriebsoptimierung Reduzierung von Fremdwasser Hydraulischer Ausgleich (Wasser-/Schlammspeicher) Energieeffiziente Aggregate (Belüftung, Rührwerk, Pumpen, Dekanter, etc) Vorklärung Regelung des Schlammalters / TS Steuerung (Belüftung, mehr Denitrifikation etc) Schlammwasserbehandlung +90% Faulgasverstromung 100% Verstromung BHKW-Effizienz Biogasproduktion (Schlammalter, Temperatur) Schlammdesintegration 2-stufige Faulung 8
9 Theoretisches Optimierungspotential des KW Energiebedarfs Grundsätzliche Überlegungen auf der Grundlage des Standes der Technik (Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, UBA, 2008) Der Stromverbrauch aller Kläranlagen könnte von derzeit auf theoretisch bis GWh/a fast halbiert werden (bei kwh/ew*a für alle Anlagen) Die Eigenstromerzeugung von derzeit 865 GWh/a könnte mit relativ geringem Aufwand verdoppelt und unter Ausschöpfung aller Möglichkeiten einschließlich Kofermentation auf rund GWh/a mehr als vervierfacht werden. (Investitionsmittel liegen unter 1 Milliarde und könnten durch die erzielbaren Stromerlöse von rund 300 Mio. /a leicht amortisiert werden.) Energieautarkie bzgl. Strom und Wärme wäre damit theoretisch erreichbar und unter Berücksichtigung externer Substrate sogar eine Überschussproduktion an Strom möglich. 9
10 Energie-neutrales KW: Beispiel 1 Strass KW, EW (Nowak et al., 2010) 0.5d SRT 50% CSB-Elim. AX/AE 12-14d SRT Anamox Faulung 36d SRT 83% N-Elim. N:CSB = % Stromproduktion ohne Kovergärung! 10
11 Energie-Autarkie im 1-stufigen Belebtschlammverfahren? Vorklärung Faulung Belebtschlamm Genug Kohlenstoffquelle für die Dentrifikation? Strombilanz eines Klärwerks > 1 Mio EW kwh/(ewcsb*a) Eigenversorgung: 26% Konventionelle Vorklärung Eigenversorgung: 60% Erw eiterte Vorklärung Klärwerk Belüftung Faulgas PS/ÜS: 32/30% des CSBzu PS/ÜS: 68/14% des CSBzu 11
12 Energie-neutrales KW: Beispiel 2 Energiemodel kalibriert mit Wolfgangsee-Ischl KW, EW (Nowak et al., 2010) 96% CSB-Elim. 76% N-Elim. N:CSB = Energie-neutrales KW wenn CSB Elim. in Vorklärung > 28% Berlin 12
13 Zwischenfazit Energie-neutrales KW Aus Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, (UBA, 2008): In der Summe wird die Energieautarkie für Kläranlagen mit Faulung bzw. die Klimaneutralität der Abwasser- und Klärschlammbehandlung insgesamt vielleicht visionär, aber nicht illusionär. auf der Grundlage des Standes der Technik!!! Was sind denn die zukünftigen Perspektiven??? 13
14 «Clash» zwischen WRRL und EU Energie/Klima-Paket Forecasted Energy Usage Water Industry in UK 400% 300% 200% Oxeram CoDiGreen Carismo 100% Sources: UK Council for Science and Technology (adapted) Improving innovation in the water industry, 2009 Wechsel der Denkmuster nötig! Innovation, not compliance, for Water Company CO 2 e reduction Prof. Charles Ainger, Cambridge University Nicht nur Energie-neutrales KW, sondern auch Energie-positives KW! 14
15 Welcher Weg führt bis zum Energie-positiven KW? Externe Energiequellen Kovergärung Windkraft in KW Photovoltaik in KW und warum nicht interne Energiequellen? Abwasser IST eine (fast) ungenutzte regenerative Energiequelle!!! 15
16 Theoretischer Energiegehalt im Abwasser (120 gcsb/ew*d) kwh/(ew.a) CSB zu Strom CSB zur hoch grad Wärme Niedrig grad Wärme (2 C) Mechanisch (10m) Energierückgewinnung mit Faulturm (Biogas): 2kWh/kgCSB abgebaut,faulung Quelle: Rosenwinkel, Berlin, 2006 Theoretisches Potential bis 350 kwh/(ew*a) gegen (heute) brutto kwh/(ew*a) Bedarf Potential: > 10 % regenerative Energiequellen aus Abwasser??? Das Klär-Kraftwerk: wirklich eine Utopie??? 16
17 Optionen für Energie-positive KW Bestehende Konzepte: Schon möglich in tropischen Regionen mit UASB-Verfahren (Quelle: GTZ/TBW): Energiebedarf: 0.08kWh/kgCSB abb Energieproduktion: 0.6kWh/kgCSB abb Beispiele neuartiger Verfahren und Konzepte (Kreativität unbedingt nötig!): Direkt anaerobe Verfahren in gemässigter Klimaregion? (Nachbehandlung notwendig) Erweiterte Vorklärung / Hochlastverfahren ohne konv. Denitrifikation? (Mikrobiologische) Brennstoffzellen? Stirlingmotoren, ORC-(Organic-Rankine-Cycle)-Anlage? Algen-Reaktoren? Carbon credit Biomasseproduktion (Biogas) Nährstoffentfernung 17
18 Algen-Reaktoren für die 3. Generation von Biokraftstoffen Brutto-Energieproduktion von 9 kw/ha, potentiell bis zu 23 kw/ha. (Quelle: De Schamphelaire and Verstraete, 2009) 18
19 Ziel: nachhaltiges KW Konzept «Biofabrik» Energieproduktion Düngerproduktion (N, P, Mg etc) Carbon credit Biopolymer / Bioplastik Etc und auch (erweiterte) Abwasserbehandlung! Life Cycle Assessment (LCA): die Methode für die gesamtökologische Bewertung «From Cradle to Grave»: alle assoziierten Prozesse Alle Umweltwirkungen (Luft, Wasser, Boden) Direkter UND indirekter Energieverbrauch Chemikalien- und Ressourcenverbrauch 19
20 Fazit Energie-neutrales KW ist heute schon möglich / machbar durch Optimierung von: Energieeinsparung Faulgasverstromung Schon mehrere Beispiele vorhanden Abwasser enthält riesige noch ungenutzte Energiepotentiale Energie-positives KW wird nötig sein und zur Geschäftsmöglichkeit Klimawandel Erneuerbare Energie Neue Verfahren und Konzepte sind noch zu entwickeln LCA-Methode ist für die Bewertung zu nutzen Nächste KW-Generation: Klär-Kraftwerk! 20
21 Danksagung Team und Kollegen für die regelmäßigen Anregungen Christian Remy (KWB) für seine persönliche Unterstützung bei Daten und Fakten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 21
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