Erzeugung und Nutzung von Biogas in Kläranlagen - Projekterfahrungen aus den Münchner Klärwerken -

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1 Munich Wastewater Authority Erzeugung und Nutzung von Biogas in Kläranlagen - Projekterfahrungen aus den Münchner Klärwerken - Production and Use of Biogas in Wastewater Treatment Plants - Project Experience at the Munich WWTPs - Dipl.-Ing. Christian Berchtenbreiter Abteilung Klärwerksbau Department WWTP Construction

2 Energiebedarf der Münchner Klärwerke Klärwerk München I - Gut Großlappen Ausbau: 1971 bis 2007 Investitionen seit 1972: ca. 520 Mio. Klärwerk München II - Gut Marienhof ,UV-Desinfektion Investitionen seit 1984: ca. 290 Mio. Abwassermenge: Ausbaugröße: Jährlicher Energieverbrauch: m³/d 2 Mio. EW 52 Mio. MWh Abwassermenge: Ausbaugröße: Jährlicher Energieverbrauch: m³/d 1 Mio. EW 25 Mio. MWh 2

3 Energie use at Munich WWTPs WWTP Munich 1 - Gut Großlappen Commissioned in 1927 Investments since 1972: ca. 520 Mill. WWTP Munich 2 - Gut Marienhof , UV-Disinfection: 2005 Investments since 1984: ca. 290 Mill. wastewater flow rate: m³/d treatment capacity: 2 Mill. PE total energy consumption: 52 Mill. kwh wastewater flow rate : m³/d treatment capacity: 1 Mill. PE total energy consumption: 26 Mill. kwh 3

4 Klärwerk Gut Marienhof (KLW II) - Übersicht WWTP 2 Gut Marienhof - General Plan Klärschlammbehandlung + Energieerzeugung sludge treatment + power generation Gasspeicher + Maschinenhaus biogas storage + machine building Abwasserreinigung inkl. zweistufiger Biologie, Sandfiltration + UV- Desinfektion wastewater treatment incl. 2-stage biological treatment, sandfilter + UV-disinfection 4

5 Kohlenstoffbilanz des aeroben und anaeroben Abbaus Carbon balance of aerobic und anaerobic degredation Aerober Abbau aerobic degredation Kohlenstoff im CO 2 ca. 50 % org. Kohlenstoff im Abwasser 100 % Kohlenstoff im Klärschlamm ca. 50 % carbon in sewage sludge ca. 50 % Anaerober Abbau anaerobic degredation org. Restkohlenstoff im behandelten Abwasser ca. 1-5 % org. Restkohlenstoff Faulschlamm ca. 1-5 % org. Kohlenstoff im Abwasser 100 % Kohlenstoff im Biogas ca % carbon in biogas ca % 5

6 Prozess Faulbehälteranlage Biogaserzeugung Sludge digester facility Biogas production Vorklärung absetzbare Stoffe settleable solids primary settling Biologische Reinigung Bakterienmasse biological treatment bacteria mass Vergärung durch Bakterien Kohlendioxid + Methan carbon dioxid and methan fermentation by bacteria Biogas Methangehalt methane content KLW I : 64 % KLW II : 59 % 6

7 Klärschlammbehandlung KLW I Sludge handling WWTP1 Energiezentrale Klärschlammverbrennungsanlage central power station sludge incineration Alte Faulbehälter old sludge digesters Gasspeicher biogas storage Neue Faulbehälter Inbetriebnahme x m³ new sludge digesters commissioned

8 Bau der neuen Faulbehälter im KLW I (2005) Sludge digester construction in WWTP 1 (2005) 8

9 Schlammwärmetauscher Sludge heat exchanger 9

10 Faulbehälter innen mit Mischer Sludge digester from the inside with mixer Trichterspitze Innenansicht inside view of the hopper 10

11 Faulbehälter innen Sludge digester from the inside 11

12 Daten Faulbehälteranlage KLW I (2009 bis 2011) Data sludge digester facility WWTP 1 Aktuelle Daten der Faulbehälteranlage KLW I Current sludge digester facility data WWTP 1 Rohschlammmenge i.m. : ca m³/d raw sludge amount (average) : ca m³/d TS-Gehalt Rohschlamm: ca. 5,2% (Jahresmittel) TS-Gehalt Faulbehälter: zwischen ca. 2,8% 3,2% solids-content raw sludge: ca. 5,2% (average) solids-content Digester: between ca. 2,8% 3,2% Aufenthaltsdauer im Mittel: 24 d Schlammtemperatur: 38 C mean residence time : sludge temperature: 24 d 38 C Heizschlammumwälzung: ca. 400 m³/h Konstante Rohschlammzugabe Mischverhältnis: ca. 1:16 warm sludge recirculation: ca. 400 m³/h constant raw sludge mixing ration: ca. 1:16 Spezifische Daten (KLW I und KLW II) Klärgasanfall : 22,8 Nm³/m³ Rohschlamm bzw. 0,58 Nm³/kg ots Stromerzeugung : 1,8 2,2 kwh/nm³ bzw. 1,1 kwh/kg ots = kwh/d Specific data (WWTP 1 and WWTP 2) biogas production: 22,8 Nm³/m³ raw sludge bzw. 0,58 Nm³/kg ots power generation : 1,8 2,2 kwh/nm³ bzw. 1,1 kwh/kg ots = kwh/d 12

13 Energienutzung in den Münchner Anlagen Schlammfaulung KLW I und KLW II: - Input: ca m³/d Rohschlamm = ca t/a Trockenrückstand - Output: ca m³ Klärgas = ca MWh Primärenergie Eigenversorgungsgrad: KLW I : 51 % (ohne Schlammverbrennung) KLW II: 82 % 13

14 Energy use at the Munich WWTPs Sludge digestion at WWTP 1 and WWTP 2: - Input: ~ m³/d raw sludge = ~ t/a dried solid content - Output: ~ m³/a digester gas = ~ MWh primary energy Degree of self-sufficiency: WWTP 1: 51 % (without sludge incineration) WWTP 2: 82 % 14

15 Presseecho 2002 Media Response 15

16 Möglichkeiten der Klärgasnutzung Heizung Wärme Nutzung vor Ort Klärgas CO 2 +CH 4 Gas-Otto-Motor Gasturbine Brennstoffzelle Strom + Wärme Nutzung vor Ort Erdgas Einspeisung ins Erdgasnetz Aufbereitung Wasserstoff Speicherung als Treibstoff 16

17 Possible uses of biogas Heating Thermal Energy On-Site Use Digester Gas Gas Engine Gas Turbine Electricity + Heat On-Site Use CO2+CH4 Fuel Cell Processing Natural Gas Feed into Natural Gas Network Hydrogen Fuel Storage 17

18 Kostenanalyse zur Klärgasnutzung (KLW II, 2008) Cost analysis of biogas usage (WWTP 2, 2008) Kosten der Maschinentechnik zur Klärgasnutzung + Energiekosten im Vergleich Cost of machine technology for biogas + energy costs in comparison Ohne Klärgasnutzung without biogas usage Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Klärgas KLW II conveyance to WWTP 1 Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II conveyance to public grid Klärgasverkauf, Wärme mit Heizöl Klärgasverkauf, Wärme mit Klärgas selling biogas Brennstoffzellenhybridtechnik Brennstoffzellenhybridtechnik und nachgeschaltete Abwärmenutzung fuel cell technology Brennstoffzellenhybridtechnik mit Förderung Gasturbine Gasturbine und nachgeschaltete Abwärmenutzung gas turbine GOM GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Wasser) GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Thermoöl) GOM-Technik ist für die MSE am wirtschaftlichsten Gas engine technology ist the most economical Gesamtkosten in Mio /a Total Cost in Million 18

19 Electric power consumption Stromverbrauch [kwh/ew*a] current self-generated power Aktuelle Eigenerzeugung Eigenstromversorgungsgrad: Ist und Potential Degree of electrical self-sufficiency: actual state and future potential Im Kläranlagenverbund für den gesamten Prozess inkl. Klärschlammverbrennung Aktueller Stromverbrauch 50% Current electric power consumption - 20% Verbrauch Eigenstromversorgungsgrad 60% 70% 80% 90% 100% Zielwert??? Goal??? Optimierung der Technik 20 technological optimization Eigenerzeugung [kwh/ew*a] Self-generated power GOM alte Generation η=32% (Bestand) old GOM neue Generation η=42% new GOM neu + ORC η=45% Brennstoffzelle η=50% fuel cell 19

20 Klärwerk Gut Marienhof Detail Gasreinigung WWTP Gut Marienhof detail gas treatment Faulbehälter Rohgasgebläse Kiesfilter Trocknung digester raw gas blower gravel filter Entschwefelung Feinfilter Niederdruck- Gasspeicher Gasverdichtung Trocknung BHKW 20

21 Prinzip Gasreinigung Principle of gas treatment Neues Projekt im KLW I: Ertüchtigung Aktivkohlefilter zur Siloxanentfernung Retrofitting activated-charcoal filter for siloxane removal FB-Anlage digesters Rohgasgebläse raw gas blowers Trockner dryer Entschwefler Anlage desulfurisation unit AK-Filter-Anlage ac-filter unit ND-Speicher low pressure gas storage zusätzlicher Druckverlust Einfluss Rohgasgebläse 21

22 Klärwerk Gut Großlappen Gasreinigung WWTP Gut Großlappen gas treatment desulfurization activated-charcoal filter Trocknung Entschwefelung und Aktivkohlefilter Feinfilter Aktivkohle - Entschweflermasse Niederdruck- Gasspeicher BHKW activated-charcoal desulfurization mass 22

23 Klärwerk Gut Großlappen Aktivkohlefilter WWTP Gut Großlappen activated-charcoal filter Ablösung der provisorischen Siloxanentfernung Je Filtermodul (D = 1,90 m) zweiteiliges Filtersystem two-part filtersystem (Arbeits- und Polizeifilter 2 x L) Standzeit von ca h möglich working and control filter 23

24 Gasspeicherung Gasverdichtung Gas storage gas compression Trocknung Volumen 5000 m³ Entschwefelung und Filterung low-pressure gas storage Niederdruck- Gasspeicher gas compressor and dryer Gasverdichtung und Trocknung BHKW 24

25 Energieerzeugung: Blockheizkraftwerk (BHKW) im KLW I Powergeneration: combined heat and power plant (CHP) in WWTP 1 Gasspeicher gas storage Klärschlammverbrennungsanlage sludge incineration facility Gas-Otto-Motoren (GOM) 5 x 1,6 MW gas engine central power station Energiezentrale 25

26 Klärwerk Gut Großlappen (KLW I) - Detail WWTP Gut Großlappen - Detail sludge incineration for WWTPs 1 and 2 Klärschlammverbrennungsanlage (KVA) für KLW I und KLW II 26

27 Klärschlammverbrennung KLW Gut Großlappen Anlagen : 4-straßige mechanische und thermische Entwässerung 2-straßige Verbrennung (für ca t TS/a) 1-straßige Abluftreinigung Projektablauf: Beauftragung Baubeginn Inbetriebnahme 1998 Projektkosten: Euro (50% für die Abluftreinigung mit sehr geringen Emissionen) 27

28 WWTP 1: sludge incineration components: four line mechanical and thermal dewatering double line incineration (about t/a solids) single line exhaust gas purification time tchedule: approval and tendering contruction begin commissioning 1998 project cost: Euro (50% for exhaust gas purification) 28

29 Zusammenfasung - Kläranlagen sind große Energieverbraucher und haben entscheidenden Anteil an den Energiekosten einer Kommune - Laut verschiedener Studien besteht erhebliches Einsparpotenzial aber die energieautarke Kläranlage ist eine Illusion - Integrierte Betrachtungsweise der Umweltauswirkungen verlangt Optimierung zwischen Energieeffizienz und maximaler Reinigungswirkung 29

30 Summary - Wastewater treatment plants are significant energy consumers and produce a large share of communal energy costs - According to various studies, considerable energy-saving potentials exist. However, a completely energy self-sufficient WWTP is an illusion - An integrated approach of environmental impact requires optimizing the balance between energy efficiency and the degree of treatment 30

31 Geplantes Projekt Neubau der Energiezentrale KLW II Projected New Contruction of the Central Powerplant WWTP 2 31

32 Gas-Otto-Motor KLW I Gas engine WWTP 1 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your kind attention! 32