Energiebilanz auf kleinen und mittleren Kläranlagen - Den Energiefressern auf der Spur -

Transkript

1 Kiel, den Referent: Klaus-Dieter Herrmann

2 Themenkomplex Seite 1 Ausgangssituation Energieanalyse Energiebilanz Weiteres Vorgehen Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 2 / 33

3 1. Ausgangssituation 1.1 Energiewende 1.2 (KA) - Zahlen, Daten, Fakten 1.3 Verteilung des Gesamtstromverbrauchs auf Größenklassen (GK) 1.4 Mögliche Ziele einer Steigerung der Energieeffizienz 1.5 Verteilung des Energieaufwandes auf einer Kläranlage 1.6 Mögliche Einsparpotentiale 1.7 Identifikation von Optimierungspotentialen Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 3 / 33

4 Primärziele der Energiewende (bis 2050): 1. Reduzierung der Treibhausgasemission um 80% 2. Erneuerbare Energien sollen 80% des Bruttoenergiebedarfes decken 3. Primärenergiebedarf soll gegenüber 2008 um 50% zurückgehen 4. Der Stromverbrauch soll gegenüber 2008 um 25% gemindert werden (Quelle: Die Energiewende in Deutschland BMWi) Die Energiewende ist nicht nur einer historischen Notwendigkeit geschuldet! Es geht auch um Versorgungssicherheit und damit um wirtschaftliche, politische und gesellschaftliche Interessen. (Quelle: greenfacts; Ausgabe 1: September 2012; S.17) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 4 / 33

5 in der BRD 94% der Haushalte sind an kommunale Abwasserversorgung angeschlossen kommunale sind mit 20% des kommunalen Stromverbrauches die größten Verbraucher Gesamtverbrauch der Kläranalgen: GWh p.a. (Jahresbedarf von Vier - Personen - Haushalten) 0,7% des gesamten bundesweiten Stromverbrauches entfallen auf CO2 - Emission von 3 mio. Tonnen p.a. gemäß Anhang 2 7a Wasserhaushaltsgesetz zum Einsatz energieeffizienter Verfahren verpflichtet Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 5 / 33

6 in Schleswig-Holstein GK 1-GK5 798 Stck. 100% GK EW GK EW GK 3-GK in Stormarn GK Stck. 100% GK GK (Quelle: MELUR) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 6 / 33

7 Verteilung des gesamten Stromverbrauchs auf GK (BRD) 1/ GWh % Verteilung: Sromverbrauches (BRD) 10% Gesamtverbrauch GK 4+5 GK 1-3 (Quelle: DWA Leistungsvergleich kommunaler 2011) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 7 / 33

8 Verteilung des gesamten Stromverbrauchs auf GK (BRD) 2/3 Anzahl Ausbaugröße Mittlere Belastung Dimension - Mio. EW Mio. EW GWh/a GK ,4 0,4 22,7 GK ,6 3,1 128,6 GK ,7 4,0 152,6 GK ,1 36,0 1229,3 GK ,0 51,2 1684,6 Ges ,8 94,7 3217,7 Stromverbrauch Größtes Einsparpotential bei GK 4+5 (Quelle: DWA Leistungsvergleich kommunaler 2011) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 8 / 33

9 Verteilung des gesamten Stromverbrauchs auf GK (BRD) 3/3 Spez. Stromverbrauch [kwh/(ew*a)] Spezifischer Stromverbrauch bei GK 1-3 > GK 4+5 Wirkungsgrad optimierungswürdig GK 1 54,1 GK 2 41,5 GK 3 38,1 GK 4 34,1 GK 5 32,9 Ges. 34, GK1 GK2 GK3 GK1-3 (Ø) GK5 GK spez. Stromverbrauch [kwh/(ew*a)] (Quelle: DWA Leistungsvergleich kommunaler 2011) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 9 / 33

10 Mögliche Ziele einer Steigerung der Energieeffizienz Nachhaltigkeit - Senkung des (gesamten) Energieverbrauchs Wirtschaftlichkeit - Senkung der energiebasierten Kosten KVP, Verständnis der eigenen KA, Lernprozess, Mitarbeiterschulung und Motivation, Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 10 / 33

11 Verteilung des Energieaufwandes einer KA Energiekosten haben an den Jahreskosten nur einen Anteil von 5-15%. Vor dem Hintergrund der Energiewende, einer nachhaltigen Entwicklung und des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses rückt eine Reduzierung der CO 2 Emission und des Fremdenergiebedarfs jedoch in den Fokus. 6% 5% 3% Biologische Reinigung + Nachklärung Flockungsfiltration Schlammbehandlung Infrastruktur, Sonstiges 11% Abwasserhebewerke Mechanische Reinigungsstufe 8% 67% Typische Anteile am Gesamtstromverbrauch kommunaler mit biologischer Stufe und anaerober Schlammstabilisierung Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 11 / 33

12 Einsparpotentiale Einsparpotentiale ergeben sich augenscheinlich bei: - der verfahrenstechnischen Optimierung der Belebungsstufe (v.a. Belüftung) - dem Austausch von Pumpen (höherer Wirkungsgrad) - der Vermeidung von Hebewerken im Kanalnetz (10% des Energiebedarfs) - der Trennung von häuslichem/gewerblichem Abwasser und restlichem Zulauf (Regenwasser und Fremdwasser) Reduzierung des Zulaufs um 50% Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 12 / 33

13 Optimierungspotentiale müssen identifiziert und ausgeschöpft werden! 1960: 115,5 Mrd. kwh Problematik: Gesamtenergiebedarf gliedert sich in viele verschiedene Verbraucher unterschiedlicher Größenordnungen Mangels Prozessleitsystem ist der tatsächliche Energiebedarf einzelner Bereiche oder Aggregate nicht bekannt Umlegung des Jahres-Gesamtenergiebedarfs auf alle angeschlossenen Einwohner (spezifischer Energiebedarf) als Referenzwert, erlaubt nur eine ungenaue Einordnung der energetischen Effizienz einer Kläranlage, da anlagentypische Besonderheiten nicht berücksichtigt werden 2008: 587 Mrd. kwh Abschätzung eines Einsparungspotentiales nicht mgl.! Gesamter Strombedarf der BRD Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 13 / 33

14 2. Energieanalyse 2.1 Ablaufplan 2.2 Anforderungen an die Analyse 2.3 Verfahrensschema der KA Reinfeld 2.4 Beispielhafte Darstellung einer technisch weniger komplexen KA 2.5 Ermittlung des Strombedarfs Hydraulische Berechnung Abschätzung des Strombezugs Messung des Strombedarfs Ergebnis Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 14 / 33

15 Die tatsächliche IST-Situation muss ermittelt werden. 3 Einsparungspotentiale identifizieren 2 Energiebilanz 1 Analyse Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 15 / 33

16 Anforderungen an die Analyse: - Lückenlose Erfassung aller mgl. Verbraucher - Erstellung eines Katasters aller Verbraucher mit allen relevanten Daten - Ermittlung des Stromverbrauchs zu verschiedenen Tages- und Spitzenzeiten - Absolute Verlässlichkeit der Daten - Verifizierung der Ergebnisse durch Nutzung verschiedener Verfahren Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 16 / 33

17 Verfahrensschema der KA Reinfeld Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 17 / 33

18 Technisch weniger komplexe KA Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 18 / 33

19 Verfahrensschema der KA Reinfeld Anhand des Verfahrensschemas erfolgte eine Benennung aller relevanten Verbraucher. Eine Erfassung in einem hierfür angelegten Kataster ist zweckmäßig und ermöglicht den Zugriff auf alle relevanten Daten. Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 19 / 33

20 Ermittlung des Strombedarfs Erfassungsmöglichkeiten: 1 Hydraulische Berechnung nur für Pumpen 2 Abschätzung des Strombezugs über Betriebsstunden, die Nennleistung und den Wirkungsgrad 3 Verwendung von Strom-Messgeräten Stromzangen-Amperemeter Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 20 / 33

21 Hydraulische Berechnung Für eine hydraulische Berechnung sind detaillierte Kenntnisse des Rohrsystems notwendig. Wichtige Parameter sind: Gesamtförderhöhe (H tot = H geo + H v ) Fördervolumen [l/sec][m3/h] Pumpenkennlinien (Q-H Linie) Geodätische Förderhöhe (Differenz zwischen Wasserspiegel Pumpe und Austritt der Leitung druckseitig) Verlusthöhe H v = Druckverluste durch Armarturen, Formstücke, Reibung Beeinflussung durch Verteiler und Ventile Strömungsverlauf und Reibungsverluste Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 21 / 33

22 Hydraulische Berechnung Der beispielhafte Vergleich der Energieverbrauch- Summenkurven, für Zulauf- Pumpen und Kreislaufwasser- Pumpen, durch hydraulische Vergleichsrechnung und den an den FU-Bedienmodulen angezeigten Energieverbrauch weist Abweichungen auf. Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 22 / 33

23 Abschätzung des Strombezugs Die Abschätzung des Strombezugs ist relativ einfach vorzunehmen. Viele Verbraucher sind ausgestattet mit Betriebsstundenzählern und die Nennleistung ist bekannt. Berechnung erfolgt mit der Formel: Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 23 / 33

24 Messung des Strombedarfs Die Ermittlung des Strombedarfs ist unabhängig von weiteren Informationen mgl.. Voraussetzung: Zugang zum Stromeingang der jeweiligen Anlage (nicht immer gegeben) Quelle: Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 24 / 33

25 Ergebnis Das Verfahren ist gemäß dem Anwendungszweck zu wählen. Die Ergebnisse sind immer zu verifizieren. Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 25 / 33

26 3. Energiebilanz 3.1 Auszug aus der Energiebilanz 3.2 Bewertung der Kennzahlen 3.3 Konklusion Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 26 / 33

27 Energiebilanz (gek.) Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 27 / 33

28 Zuschläge Grundwerte Vergleich mit Ref.-Werten Verfahrensstufe Kläranlage gesamt (Belebungsanlage mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung) Zielwert Toleranzwert GK3 GK4 GK5 GK3 GK4 GK bis bis bis 30 Der Vergleich mit den ermittelten Ziel-/Toleranzwerten zeigt erhebliche Abweichungen. Belüftung in der Belebung Sandfiltration im Ablauf, Flockungsfiltration nachgeschaltete Membrananlage/ - filtration 2,0 9,0 4,0-5,0 13,0-14,0 Ursache (u.a.): Auslegung und tatsächliche Auslastung differieren stark UV-Desinfektion 2,7 (~24.000EW zu ~14.000EW) Ozon-Hygenisierung 20,0 Klärschlammtrocknung 2,0 4,0 [kwh/(ew*a)] Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 28 / 33

29 Vergleich der prozentualen Anteile im Bezug auf den Gesamtstromverbrauch IST: KA-Reinfeld (ermittelt unter real. Bedingungen) vs. Ref.-Wert gemäß UBA (ermittelt unter Volllast) [%] KA-Reinfeld Verbrauch ges.= 70,2kWh/(EW*a) 48,4% = 33,98 kwh/(ew*a) ,4 28,5 28,5% = 20,01 kwh/(ew*a) , ,6 6 8,4 5 6,7 3 KA_Reinfeld Ref.-Werte UBA = Umweltbundesamt Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 29 / 33

30 Konklusion Mit Hilfe der Energiebilanz konnte herausgestellt werden, dass Optimierungspotential vorhanden ist die Verteilung des Energiebedarfs innerhalb der KA Reinfeld nicht idealtypisch ist Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 30 / 33

31 4. Weiteres Vorgehen 4.1 Zusammenfassung 4.2 Weiteres Vorgehen Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 31 / 33

32 Zusammenfassung 3 Einsparungspotentiale identifizieren 2 Energiebilanz 1 Analyse Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 32 / 33

33 Weiteres Vorgehen Phase 1: Phase 2: Phase 3: Phase 4: IST-Analyse Bewertung der IST-Situation Energiebilanz Identifikation von Optimierungspotentialen Ausarbeitung und Implementierung von Konzepten Zu beachtende Parameter: Kontinuierliche Pflege des, der Energiebilanz zugrunde liegenden, Katasters Interdependenz der tech. Anlagen und Aggregate (Ganzheitliche Betrachtung) Wirtschaftlichkeit der Optimierung Nachhaltigkeit der Optimierung Kiel, den Urs Herrmann (B.Eng.) 33 / 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit