Energie in der Wasser- und Abfallwirtschaft

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1 IFAT 2008 Energie in der Wasser- und Abfallwirtschaft Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp 1

2 Inhalt CO 2 -Emissionen und Klimawandel Beitrag der Wasser- und Abfallwirtschaft THG-Emissionen bei der Abwasserreinigung Energiegehalt des Abwassers Biochemische Energie Wärmeenergie Potentielle Energie Energiesparmassnahmen auf Kläranlagen 2

3 CO 2 -Konzentrationen in der Atmosphäre 3

4 Pro-Kopf-CO 2 -Emissionen im internationalen Vergleich USA Australien Russland Deutschland EU 15 Japan Polen Südafrika Frankreich Ungarn Welt gesamt Mexiko China Indien Internationale Energie Agentur; Stand: 2000 CO 2 -Emissionen [t/(e. a)] 4

5 Folgen des Klimawandels Anstieg des Meeresspiegels Abschmelzen von Eis (Pole, Inlandsgletscher) Wärmeausdehnung der Meere Überschwemmung von Küstengebieten Bangladesch, Malediven, deutsche Küsten Häufung extremer Wetterverhältnisse Wirbelstürme Dürreperioden Starkregen Überschwemmungen Gefahr abrupter Klimaveränderungen Beeinflussung von Meeresströmungen (Golfstrom,...) Absterben großer Waldregionen 5

6 Folgen des Klimawandels Klimaveränderungen Temperatur [ C] Winter: +3,0 Sommer: +1,5 bis +3,5 Niederschlag Winter: +5 bis +20 % Sommer: ±0 bis -15 % Anstieg der Extreme Niederschlagsintensität Temperatur Dauer der Ereignisse Anstieg der Häufigkeit der Extreme Unsicherheiten noch groß Prognostizierte Veränderungen der Temperatur und des Niederschlags in Europa (IPCC, 2007) 6

7 Nutzung erneuerbarer Energien in ausgewählten EU- Ländern im Jahr 2003 Lettland Dänemark Griechenland Großbritannien Portugal Polen Italien Österreich Finnland Spanien Deutschland Schweden Frankreich Biomasse Wasserkraft Windenergie Geothermie Endenergie [TWh] 7

8 Anteil Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland 2004 [%] Photovoltaik Deponiegas Klärgas Biogas Biog. Flüssigbrennst. Biog. Festbrennst. Windenergie Wasserkraft

9 Wasserkraft Laufwasserkraftwerk Laufenburg Bildquelle Pumpspeicherwerk Herdecke Bildquelle Gezeitenkraftwerk St. Malo Bildquelle 9

10 Nutzung der Wasserkraft in Deutschland Anlagengröße Anzahl Laufwasser- und Speicherkraftwerke Netto- Engpassleistung Netto-Erzeugung - MW TWh/a < 1 MW ,489 > 1 MW ,184 Pumpspeicherkraftwerke < 1 MW 1-0,002 > 1 MW 14-0,476 Gesamt ,151 Quelle: Wabner

11 Kohlendioxid (CO 2 )-Emissionen bei der Abwasserreinigung Abbau von Kohlenstoffverbindungen, Nährstoffelimination 36,5 kg CO 2 /E a Nicht klimaschädlich Indirekten Emissionen aufgrund des Energieverbrauches Mittl. Energieverbrauch: Dt. Energiemix: CO 2 -Emissionen: 35 kwh/e a 0,62 CO 2 /kwh 22 kg CO 2 /E a 11

12 Distickstoffoxid (N 2 O)-Emissionen bei der Abwasserreinigung Oxidationsstufen des Stickstoffs bei der Denitrifikation NO 3 NO2 NO N2O N2 Unter ungünstigen Umständen entsteht N 2 O Niedrige O 2 -Werte Hohe Sulfid-Konzentrationen Zuführung schnell abbaubarer Substanzen Stoßweise Belastungen Umfang: 0,01 0,60 (bis 14!) %von N ges Emission: 0, = 26 g N 2 O/E a 12

13 Methan (CH 4 )-Emissionen bei der Abwasserreinigung Methanemissionen aus Kanalnetzen, Klär-anlagen und Schlammbehandlungsanlagen Abschätzung der Größenordnung sehr grob CSB-Fracht: 120 g/e d Unkontrolliert vergoren: 5 % Methanertrag: 0,32 m³ CH 4 /kg CSB Dichte CH 4 : 0,72 kg/m³ N Emission: 120 x 0,05 x 0,32 x 0,72 x 365 = 504,6 gch 4 /E a 13

14 THG-Emissionen bei der Abwasserreinigung Emission CO Gas 2 -Äquivalent g/e a g CO 2 /E a CO 2 Kohlendioxid CH 4 Methan N 2 O Distickstoffoxid

15 Energiegehalt des Abwassers Energiegehalt der organischen Verschmutzung des Abwassers Quelle: Sonnenenergie Hydrostatische Energie Quelle: Sonnenenergie, Pumpenergie Wärmeinhalt des Abwassers Quellen: Primärenergie (Kochen, Duschen, Kühlen,...) Sonnenenergie (Erdwärme) 15

16 Energiegehalt des Abwassers Energiegehalt der organischen Verschmutzung des Abwassers 120 gcsb/e d 43,8 kgcsb/e a Theoretischer Energiegehalt wird durch Abwasserreinigung und Umwandlung in Faulgas vermindert: Schlammalter Biologie Tage Effizienz der Vorklärung % BSB- Elimination , , ,2 l/(ew d) 16,5 25,0 14,5 22,0 10,5 15,9 175 kwh/e a kwh/(ew a) Spezif. Biogasanfall Schwankungsbereich Heizwert Stromerzeug. 49,1 15,7 43,2 31,3 13,8 10,0 15-7,8 6,2 9,4 18,5 5,9 25-4,4 3,5 5,3 10,4 3,3 Quelle: Kapp (1994); Loll (2001) 16

17 Energieverbrauch und Reinigungsleistung Die Stickstoffelimination beeinflusst den Energieverbrauch Häufigkeitssumme Kläranlagen in % Quelle: Roth NH4 -NA >3,0 g/m³ (n = 99) Median = 31,6 kwh/(ew a) 80%-Wert = 42,0 kwh/(ew a) NH4 -NA 3,0 g/m³ (n = 142) Median = 36,6 kwh/(ew a) 80%-Wert = 48,0 kwh/(ew a) Spezifischer Stromverbrauch in kwh/(ew a) 17

18 Energieverbrauch und Anlagengröße Spez. Stromverbrauch [kwh/ew*a] ,5 71,3 68,5 49,4 80% - Wert Median 55 40, ,9 34,5 27,1 < < < < > Kläranlagengrösse [ Ausbau - EW ] Quelle: Roth 18

19 Verfahrenstechnik und Energiebilanz O2-Verbrauch [kg/d] Gasanfall [m³/d] O2-Verbrauch [kg/d] Gasanfall [m³/d] KA für EW KA für EW 0 0 t(vk)=1h t(ts)=4d t(vk)=1h t(ts)=13d t(vk)=1h t(ts)=25d t(vk)=0h t(ts)=13d t(vk)=1h t(ts)=13d t(vk)=2h t(ts)=13d Quelle: Handbuch Energie in Kläranlagen (1999) 19

20 Typische Energiestruktur einer KA mit Faulung Sonstige 10 % Schlammbehandlung 20 % Elektrizität 50 % Elektrizitätsverbrauch Biologie 70 % Energieverbrauch Raumwärme 10 % Schlammaufheizung 60 % Wärme 50 % Wärme 20 % Wärmeverbrauch Energiekosten Faulraumheizung 30 % Elektrizität 80 % 20

21 Konsequenzen für die Abwasserreinigung Der Energieverbrauch von Kläranlagen ist weiter zu reduzieren Wahl der Verfahrenstechnik Tropfkörper Zweistufigkeit Hinterfragung scharfer Ablaufanforderungen Die Energiegewinnung aus Abwasser und Klärschlamm ist zu erhöhen Mehr Faulungsanlagen BHKW auf allen Faulungsanlagen BHKW mit höherem Wirkungsgrad Co-Fermentation 21

22 Prioritäten bei Energiesparmaßnahmen 1. Schritt: Energiebedarf an der Quelle reduzieren: Abwasseranfall reduzieren richtige Dimensionierung der Anlagen Anwendung von energiesparenden Verfahren der Abwasser-/Schlammbehandlung, etc. 2. Schritt: Energiesparmaßnahmen: Motoren mit hohen Wirkungsgraden Regelungen nach effektivem Bedarf Einsatz von energiesparsamen Geräten wie Sparlampen, etc. Wärmedämmung (nur bei Fremdenergiebezug) 3. Schritt: Effiziente Deckung des restlichen Energiebedarfs: Nutzung des gesamten Klärgases mit Kraft-Wärme-Kopplung Nutzung anfallender Abwärme (aus Prozessen oder Abwasserwärme) Restbedarf mit konventionellen Anlagen decken 22

23 Energetische Beurteilungskriterien Energetische Beurteilungskriterien sind abhängig von: Anlagengröße Verfahrenstechnik Richtwerte: Realistisch erreichbarer Wert Idealwerte: Theoretischer Wert, nur unter optimalen Bedingungen erreichbar Datengrundlage: Durchgeführte Feinanalysen Umfrage in NRW Umfrage in BW (Dr. Roth) Modellberechnungen 23

24 Energetische Beurteilungskriterien e ges = gesamter spezifischer Stromverbrauch der Anlage [kwh/ew * a] e BB = spezifischer Stromverbrauch der Belebungsanlage [kwh/ew * a] N 1 = energetisch verwerteter Anteil des Faulgases [%] N 2 = Anteil der Faulgasnutzung in Kraft oder Strom [%] N 3 = spezifische Faulgasproduktion [l/kg otrzu] V E = Eigenversorgungsgrad Elektrizität [%] V W = Eigenversorgungsgrad Wärme [%] 24

25 Energetische Beurteilungskriterien (Auszug): Gesamter Elektrizitätsverbrauch [kwh/ew a] Reinigungsziel BSB Elimination t TS = 5 Tage; mit Faulung Nitrifikation und Denitrifikation t TS = 13 Tage; mit Faulung Simultane, aerobe Schlammstabilisierung t TS = 25 Tage; ohne Faulung Kläranlagengröße (aktuelle Belastung in [EW]) > Richtw Idealw. Richtw Idealw. Richtw Idealw. (27) (21) (24) (18) Zuschlag für Hebewerke: Zuschlag für Filtrationsanlage: Richtwert: Idealwert: 0,5 kwh/ew m a 3 kwh/ew a 2 kwh/ew a 25

26 Konsequenzen für die Abwasserreinigung Der Energieverbrauch von Kläranlagen ist weiter zu reduzieren Wahl der Verfahrenstechnik Tropfkörper Zweistufigkeit Hinterfragung scharfer Ablaufanforderungen Die Energiegewinnung aus Abwasser und Klärschlamm ist zu erhöhen Mehr Faulungsanlagen BHKW auf allen Faulungsanlagen BHKW mit höherem Wirkungsgrad Co-Fermentation 26

27 Stabilisierung 5% 1% 2% 4% bezogen auf ABA: 17% keine (eigene) Stabil. 31% Faulung, einstufig 40% simultan aerob Datenbasis: ABA Sonstige 1% keine simultan aerob 1% 9% Kompostierung 12% ATS 16% Faulung, zweistufig 1% bezogen auf EW: 60% Faulung, einstufig Datenbasis: 99 Mio. EW Quelle: Durth, DWA-Klärschlammumfrage 27

28 Klärgasanfall Gasentwicklung [l/kg] übliche Faulzeiten Faulzeit [d]

29 Klärgasproduktion Die Klärgasproduktion hängt ab von: Schlammenge Schlammbeschaffenheit Toxische Einflüsse Faulraumvolumen Zugabe externer Stoffe Biologische Reinigungsverfahren Belebungsverfahren Tropfkörper / Tauchkörper Biofilter Grad der Vorreinigung Schlammalter Schlammstabilisierung Ein oder Zweistufigkeit AB-Verfahren konventionelle Zweistufigkeit Externe Kohlenstoffzugabe 29

30 Eigenstromerzeugung auf Kläranlagen in BW Häufigkeitssumme Kläranlagen in % Median = 35,6% 80%-Wert = 51,0% 160 Anlagen Anzahl Kläranlagen Eigenversorgungsgrad in % Quelle: Roth 30

31 Energetische Nutzung des Klärschlammes Pflanzenwachstum Sonnenenergie Gereinigtes Abwasser Tierernährung Ernährung des Menschen Abwasseranfall Abwasserreinigung Klärschlammanfall CO 2 Verbrennung Faulung Kessel/Turbine Strom/Wärme BHKW 31

32 Heizwert von Klärschlämmen Heizwert [ MJ/kg ] Steinkohle 40% otr 50% otr 60% otr 70% otr Müll Braunkohle Feststoffgehalt [ % ] Beseitigung Verwertung 32

33 Klärschlammverbleib 2003 Mitverbrennung Monoverbrennung 14% 21% Summe Thermische Entsorgung: 38 % Deponierung Therm. Sonderverfahren 3% 3% Zwischenlagerung 3% 26% 30% Datenbasis: von ABA 91 Mio. von 157 Mio. EW 1,1 von 2,2 Mio. Mg m T (bez. auf Daten des StBA) Landwirtschaft Landschaftsbau Quelle: Durth, DWA-Klärschlammumfrage 33

34 Einsatzbereiche ober- und unterschlächtiger Wasserräder Fallhöhe [m] OSW USW Turbinen OSW = oberschlächtiges Wasserrad USW = unterschlächtiges Wasserrad 0, Volumenstrom [m³/s] 34

35 Einbau des Wasserrades kein standardisiertes Bauwerk => besondere Maßnahmen Bau der Pilotanlage in Aachen 35

36 Energieverbrauch der Trinkwasserversorgung Stark schwankender Energiebedarf Rohwasserart und qualität Größe und Topographie des Versorgungsgebietes Vor- und nachgeschaltete Schritte berücksichtigen Brennen von Kalk Schlammbehandlung und Entsorgung Negativ: Abkehr von naturnahen Verfahren Beispielhafte Energieverbräuche: 0,54 kwh/m³ 0,76 kwh/m³ Reinwasserabgabe Rohwasserförderung Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft Hamburger Wasserwerke 0,38 kwh/m³ Abgabe Trink- und Betriebwasser RheinEnergie 36

37 Beitrag zur Reduktion von THG - Emissionen Trinkwasserbereitstellung Austausch energieaufwändiger gegen weniger energieintensive Anlagen, Überprüfung der eingesetzten Betriebsmittel und Aufbereitungschemikalien zur Minimierung der vor und nachgeschalteten Schritte Verminderung von Wasserverlusten bei der Aufbereitung und Verteilung Am Ort des Wasserverbrauchs durch Optimierung der Wasserqualität Optimierte bzw. definiert eingestellte Wasserqualität. Ansatz bei der Wasserhärte Härtebedingte Verluste bei der Warmwasserbereitstellung sowie durch den Zusatzbedarf an Wasch- und Reinigungsmitteln ergibt einen erhöhten Energiebedarf. 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 38