Christian Schaum, Robert Lutze, Johannes Rühl, Peter Cornel. 02. Juni GWP Jahreskonferenz Berlin

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1 Das Projekt ESiTI: Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch 02. Juni GWP Jahreskonferenz Berlin Christian Schaum, Robert Lutze, Johannes Rühl, Peter Cornel

2 Gliederung Einleitung Energie und Wasser Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Ausblick - Vorstellung ESiTI Zusammenfassung 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 2

3 Energie und Wasser Wasser für Energie Kühlung für Kraftwerke, Ölförderung, Biomasseanbau Energie für Wasser Wassergewinnung, -aufbereitung und -transport, Wassernutzung, Abwassertransport und -behandlung Energie aus Wasser Wasserkraft, Wärmenutzung, Faulung/Faulgaserzeugung, Klärschlammverbrennung Siedlungswasserwirtschaft? 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 3

4 Energieverbrauch Basis: Statistische Daten Deutschland [Daten: Branchenbild Wasserwirtschaft (2011), UBA (2006)] Endenergieverbrauch: Warmwassererzeugung einschl. Waschund Spülmaschine [AGEB (2011), RWI/forsa (2011)] Einleitung Schmutzstoffe (Toilette, Küche, etc.) 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 4

5 Energieinhalt und Nutzung Potentielle Thermische Chemische 1,2 kwh/(e a) Wasserrad, Turbine Verschiedene Anlagen realisiert: z.b. Kläranlage Freital, Dresden, Mannheim 750 kwh/(e a) Wärmetauscher 150 kwh/(e a) Faulgas/BHKW Verbrennung/ Turbine Stand der Technik

6 Energieverbrauch und Erzeugung Konventionelle Siedlungswasserwirtschaft Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 6

7 Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 7

8 Optimierung Energieeffizienz Jahresmittelwert/Jahressummen Durchführung Energieanalyse Diverse Handbücher/Publikationen Energie in Kläranlagen, MURL (1999) Energiecheck und Energieanalyse Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen (DWA-A 216) Prinzip: Aufnahme und Bewertung Energieverbräuche nach verfahrenstechnischen Einheiten Vergleich mit Kennzahlen (Optimierungspotential) Ableitung von Maßnahmen Breite Anwendung in Abwasserwirtschaft Stand der Technik Stromverbrauch nach Verbrauchergruppen 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 8

9 Energetische Optimierung Kläranlage 2025 Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 9

10 Jahresgang Strom (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) kein ausgeprägter Jahresgang im Stromverbrauch Schwankungen im Faulgas durch Co-Substrat [Schaum et al. (2015)] 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 10

11 Jahresgang Wärme (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) ausgeprägter Jahresgang im Wärmeverbrauch Nutzung Wärmeüberschuss im Sommer? Heizwasserkreislauf: C [Schaum et al. (2015)] 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 11

12 Energetische Optimierung Kläranlage 2025 Aktive Interaktion? mit EVU Regelenergie? Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 12

13 Ausblick: Forschungsprojekt ESiTI Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und verbrauch Laufzeit: Mai April Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 13

14 Flexibilisierung Energiesystem Kläranlage (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) Abhängigkeit von Zulauf (Regenwetter) ausgeprägter Tagesgang (Trockenwetter) 15. April 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 14

15 kwh kwh kwh Projektidee konventionell Intelligente und flexible Interaktion Zeit Technische Infrastruktur Zeit Abwasserbehandlung Energieverbrauch Zeit Energieerzeugung heat cold Gasnetz Faulgasspeicher Substratspeicher

16 Projektidee 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Lutze Schaum Cornel 16

17 Das Projektteam Wissenschaft Projektleitung, Faulung Stadt Daten, Infrastruktur, Energie, Anwender Betreiber Daten, Klärwerk, MHKW, Energie Planer Thermische Klärschlammbehandlung Planer Energieoptimierung Wissenschaft Thermodruckhydrolyse Wissenschaft Hochlastfaulung Anlagenbauer Hochlastfaulung Berater Gesellschaft und Ökonomie Wissenschaft Ökologische Bewertung 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 17

18 [m+p (2014)] Systembetrachtung Dynamisierung Energieverbrauch und -erzeugung 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 18

19 kwh kwh Technik Entwicklung einer Klärschlammbehandlung der Zukunft Strom Wärme Schlamm Zeit Substrat TDH Faulung Thermische Behandlung Asche P-Rohstoff Substrat Strom Wärme Gasnutzung Strom Wärme Gas Zeit 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 19

20 Inbetriebnahme der Pilotanlage Feb Zweistraßige Faulung mit je 1 m³ Faulraumvolumen & Hochlastfaulung mit 2 m³ Faulraumvolumen 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 20

21 Inbetriebnahme der Versuchsanlagen TU Darmstadt und EnviroChemie 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 21

22 Ökologie Motivation/Hemmnisse Transfer 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 22

23 Energetische Optimierung Kläranlage 2025 Aktive Interaktion mit EVU Regelenergie Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Energetische Optimierung Kläranlage 2025 Regelenergie Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 24

25 Unterscheidung der Regelleistung nach Bereitstellungszeiten [dena (2012)] 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 25

26 Sekundärregelleistung Minutenreserve Positive Regelleistung Defizit im Netz; Minimierung Energiebezug oder Maximierung Energieerzeugung Negative Regelleistung Überschuss im Netz; Maximierung Energiebezug oder Minimierung Stromproduktion [Daten: Regelleistung (2015)] 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 26

27 Zusammenfassung und Ausblick Wasser und Energie Bereitstellung von Wasser aber auch Abwasserbehandlung benötigt Energie Abwasser enthält Energie, die es zu nutzen gilt. Energetische Optimierung Kläranlage der Zukunft Steigerung Energieeffizienz auf Basis von Jahresmittelwerten, klassische Durchführung von Energieanalysen Energieoptimierung im Jahresgang, z.b. Wärme im Sommer-/Winterbetrieb Vernetzung und Interaktion der Kläranlage mit peripheren Anlagen bieten Potential zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz unter Erweiterung der bisherigen System- bzw. Betrachtungsgrenzen Energieoptimierung im Tagesgang Lastmanagement Nutzung der Kläranlage als Regelenergie Welche Risiken ergeben sich dadurch für Betrieb, Treibhausgase,...? 02. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Lutze Rühl Cornel 27

28 Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung - Förderkennzeichen: 02WER1322

29 Das Projekt ESiTI: Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Kontakt: oder Dr.-Ing. Christian Schaum, Dipl.-Ing. Robert Lutze, M.Sc. Johannes Rühl, Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel