A1 Modulbeschreibungen Faulgasverwertung BHKW und Gasspeicher Inga Hölscher, Dieter Thöle 1 Allgemeine Beschreibung der Faulgasverwertung 1.1 Verfolgte Aufbereitungsziele Bei der anaeroben Stabilisierung in Faultürmen entsteht Faulgas, welches weitergehend genutzt werden kann. Folgende Nutzungskonzepte sind dabei möglich, bei denen das Faulgas vor Ort verwertet wird (keine Einspeisung ins Erdgasnetz): Verwertung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung Verbrennung im Heizkessel Abfackeln 1.2 Anwendung des Verfahrens in der kommunalen Abwasserreinigung 1.2.1 Verwertung des Faulgases in einem BHKW Moderne Faulgasnutzungskonzepte streben die vollständige Verwertung des Faulgases in einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess an. Dafür wird in einem BHKW mit dem Faulgas ein Motor angetrieben, wobei die bei der Verbrennung frei werdende Energie zu einem Teil in mechanische Energie umgesetzt wird und zum restlichen Teil in frei werdende Wärmeenergie. Durch die mechanische Energie wird entweder ein Generator zur Stromerzeugung oder direkt ein Aggregat (z.b. ein Direktverdichter für die Belebung) betrieben. Die Wärmeenergie wird einerseits den Abgasen durch einen Abgaswärmetauscher entzogen, andererseits durch eine Motorkühlung des Aggregats gewonnen. Die BHKW werden schlüsselfertig als komplette Module mit Motor, Generator, Wärmetauscher und Schaltschrank hergestellt (Konstantin, 2009). Bei der kombinierten Erzeugung von Elektrizität und Wärme kann ein Gesamtwirkungsgrad von 85 90 % erreicht werden (VSA, 2008), wobei die elektrischen Wirkungsgrade zwischen 30 % und 40 % und die thermischen Wirkungsgrade zwischen 50 % und 60 % liegen. Mit zunehmender Leistung des Verbrennungsmotors nimmt der elektrische Wirkungsgrad zu und der thermische Wirkungsgrad ab (ASUE, 2010). Da Elektrizität im Vergleich zu thermischer Energie die höherwertige Energie ist, sollte aus Faulgas so viel Elektrizität wie möglich erzeugt werden (stromgeführter Betrieb). 1.2.2 Verwertung des Faulgases in einem Heizkessel Bei diesem Verwertungskonzept wird aus dem Faulgas lediglich Wärmeenergie gewonnen und das Faulgas somit energetisch nicht optimal genutzt. Zwar kann der Wärmebedarf der Kläranlage aufgrund des sehr hohen thermischen Wirkungsgrades meist vollständig abgedeckt werden, es kommt jedoch oftmals zu Faulgasüberschüssen, die über die Gasfackel verfeuert werden. 431
1.2.3 Abfackeln des Faulgases über die Gasfackel Aus Gründen der Kosteneinsparung und aus Umweltschutzgründen sollte das Faulgas möglichst vollständig energetisch genutzt werden. Eine Gasfackel ist dennoch unverzichtbar, da Methan aufgrund der klimaschädlichen Wirkung nicht direkt in die Atmosphäre entlassen werden darf. Daher wird überschüssiges Faulgas über eine Gasfackel auf der Kläranlage verbrannt. 1.2.4 Gasbehälter zur Gaszwischenspeicherung Um tageszeitliche Schwankungen zwischen Gasanfall und Energiebedarf auszugleichen und um das BHKW mit optimaler Auslastung zu steuern, wird ein Gasspeicher benötigt. Der Tagesverlauf der Klärgasproduktion ergibt sich in erster Linie aus dem Beschickungsregime des Faulbehälters. Bei einer kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Beschickung des Faulbehälters ergibt sich ein entsprechend gleichmäßiger Faulgasanfall. Wird der Frischschlamm einmal täglich als einzelne Charge zugegeben, steigt der Gasertrag schnell an und erreicht nach zwei bis drei Stunden den höchsten Wert (VSA, 2008). Somit ist das benötigte Gasspeichervolumen zum einen abhängig von der Tagesganglinie des Gasanfalls und zum anderen von der Betriebsweise und Steuerung des BHKW. 1.3 Verfahrensschema Abbildung 1 zeigt das Prinzip der Faulgasverwertung auf einer Kläranlage. Der aus dem Faulbehälter kommende Volumenstrom Q Faulgas [Nm³] wird dem Gasspeicher zugeführt und dort geregelt der weiteren Verwertung in BHKW oder Heizkessel zugeführt. Bei Gasüberschuss wird das überschüssige Faulgas in der Gasfackel verbrannt. Abbildung 1: Prinzip der Faulgasverwertung auf einer Kläranlage 1.4 Wichtige Einflussgrößen Die Gaszusammensetzung ist die wichtigste Einflussgröße auf die Wirksamkeit des Verfahrens. Hierbei spielen vor allem der Methangehalt sowie der Schwefelgehalt des Faulgases eine Rolle. 1.5 Kopplung des Verfahrens mit anderen Verfahren Für dieses Verfahren existieren keine Anforderungen an die Vor- und Nachbehandlung. 432
Anhang A1 Modulbeschreibungen Faulgasverwertung BHKW und Gasspeicher 2 Informationen zur Faulgasverwertung im FuE-Vorhaben E-Klär 2.1 Theoretische Grundlagen Faulgas aus der anaeroben-mesophilen Stabilisierung besteht zu 60 bis 70 % aus Methan und zu 30 bis 40 % aus Kohlendioxid. Außerdem sind bis zu 4 % Stickstoff und bis zu 1 % Sauerstoff sowie Spuren von Schwefelwasserstoff, Chlor und Fluor enthalten (VSA, 2008). Der dem Gasspeicher von den Faulbehältern zugeführte Volumenstrom Q Faulgas [Nm³/h] hat einen Energiegehalt EG Faulgas [kwh/nm³], welcher von der Zusammensetzung bzw. dem Methananteil am Gasgemisch abhängig ist. Der untere Heizwert H U von reinem Methan beträgt 9,99 kwh/nm³. Bei einem angenommenen durchschnittlichen Methangehalt von 64 % entspricht der Energiegehalt in einem Normkubikmeter Faulgas einem unteren Heizwert H U von 6,4 kwh/nm³. Der Energiegehalt von Gas, angegeben als Energiemenge pro Volumen, ist abhängig von den Einflussfaktoren Druck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Daher ist es erforderlich, dass das gemessene Gasvolumen auf das Normvolumen umgerechnet bzw. direkt als Normvolumen gemessen wird. Der Normzustand, bei dem ein unter Nicht-Norm- Bedingungen gemessenes Gasvolumen ein Volumen von einem Normkubikmeter hätte, liegt nach DIN 1343 (1990) bei einem Druck von 1,01325 bar, einer Luftfeuchtigkeit von 0 % und einer Temperatur von 0 C. Das in dem Gasspeicher zwischengespeicherte Faulgas wird dem BHKW gesteuert zugeführt. Je nach Betriebsweise des BHKW (Betrieb möglichst bei Volllast oder möglichst gleichmäßiger Betrieb über 24 Stunden) ergeben sich verschiedene Steuerungsmöglichkeiten. 2.2 Dimensionierung / Bemessungsansatz Durch den Anwender soll ausgewählt werden, welche Zielsetzung für den Gasspeicher verfolgt wird. Demnach ergeben sich unterschiedliche Dimensionierungsansätze (s. Tabelle 1). Tabelle 1: Hinweise zur Dimensionierung des Gasspeichers Input (User/Modell) Q Faulgas [ m³ Eingabe durch den Anwender zum Ziel des Gasspeichers: Input aus dem Modell: - 24-h-Betrieb - weitgehender Deckung des Tagesstrombedarfs - Spitzenstromerzeugung über wenige Tagesstunden Funktion Benötigtes Volumen V Gasbehälter (Böhnke et al., 1993): Bei 24-h-Betrieb (default-wert im Modul): V Gasbehälter [m³] = Q Faulgas [ m³ ] 0, 5 d Bei weitgehender Deckung des Tagesstrombedarfs: V Gasbehälter [m³] = Q Faulgas [ m³ ] 0, 75 d Bei Spitzenstromerzeugung über wenige Tagesstunden: V Gasbehälter [m³] = Q Faulgas [ m³ Output V Gasbehälter [m³] 433
Tabelle 2: Hinweise zur Dimensionierung des BHKW Input (User/Modell) Input aus dem Modell: - Faulgasanfall als 85%- Perzentil Q Faulgas [ Nm³ Eingaben durch den Anwender: - Energiegehalt des Faulgases, abhängig vom Methangehalt EG Faulgas [ kwh el Nm 3 ] 6 7 [ kwh ] (VSA, 2008) m³ Default-Wert: 6,4 [ kwh m³ ] Funktion Benötigte Leistung P el,bhkw (Nellenschulte, 2003): P el,bhkw [kw el ] = EG Faulgas [ kwh Nm³ ] Q Faulgas [ Nm³ 24 [ h Sich ergebende thermische Leistung P th,bhkw: P th,bhkw [kw th ] = P el,bhkw [kw el ] * ɳ th [ ] ɳ el [ ] Output P el,bhkw [kw el ] P th,bhkw [kw th ] - Elektrischer Wirkungsgrad des BHKW ɳ el [-]: 0,30 0,40 (ASUE, 2010) Default-Wert: 0,35 [-] - Thermischer Wirkungsgrad des BHKW ɳ th [-]: 0,50 0,60 (ASUE, 2010) 2.3 Abbildung der Stoffströme für den BHKW und Gasspeicher Im Blockheizkraftwerk und Gasspeicher findet keine stoffliche Veränderung der im Abwasser enthaltenen Komponenten statt, so dass in dieser Modulbeschreibung keine Abbildung der Stoffströme zu berücksichtigen ist. 434
Anhang A1 Modulbeschreibungen Faulgasverwertung BHKW und Gasspeicher 2.4 Abschätzung der Energieproduktion für das BHKW Im Gasspeicher findet keine Veränderung auf der Energieebene statt, so dass an dieser Stelle lediglich das BHKW berücksichtigt (s. Tabelle 3). Tabelle 3: Energieproduktion für das BHKW Input (User/Modell) Input aus dem Modell: - Faulgasanfall als 85%- Perzentil Q Faulgas [ Nm³ Eingaben durch den Anwender: - Energiegehalt des Faulgases, abhängig vom Methangehalt EG Faulgas [ kwh el Nm 3 ] 6 7 [ kwh ] (VSA, 2008) m³ Default-Wert: 6,4 [ kwh m³ ] Funktion Energieerzeugung elektrisch: e el,bhkw [ kwh d ] = EG Faulgas [ kwh m³ ] Q Faulgas [ m³ ɳ el,bhkw [ ] ɳ el,bhkw [-] Wirkungsgrad abhängig von Teillastbetrieb Nach ASUE (2014) für neue BHKW: 10 100 kw el : y = 22,073x 0,1093 [%] 100 1.000 kw el : y = 29,135x 0,0524 [%] 1.000 4.000 kw el : y = 32,56x 0,0346 [%] Output e el,bhkw [ kwh e th,bhkw [ kwh Energieerzeugung thermisch: e th,bhkw [ kwh d ] = EG Faulgas [ kwh m³ ] Q Faulgas [ m³ ɳ th,bhkw [ ] ɳ th,bhkw [-] Wirkungsgrad abhängig von Teillastbetrieb 435
2.5 Abschätzung der Kosten für das BHKW Bei der Kostenberechnung wird angenommen, dass die ermittelte benötigte Leistung des BHKW in einem einzigen Modul umgesetzt wird. Tabelle 4: Kosten eines BHKW Input (User/Modell) P el,bhkw [kw el ] Funktion Investitionskosten: BHKW Modul in Abhängigkeit der elektrischen Leistung (ASUE, 2014), Nettokosten (15 a): 10 100 kw el : y = 11.834x -0,52 [ /kw el ] 100 1.000 kw el : y = 4.497x -0,33 [ /kw el ] 1.000 4.000 kw el : y = 954,67x -0,11 [ /kw el ] Output Investitionskosten Betriebskosten Kosten für Installation der Anlage in Prozent der Modulkosten (nach ASUE, 2014): Elektr. Leistung Zusatzkosten BHKW (in %) kw el Transport Einbindung 11-100 6 39 101 350 6 45 351 500 6 54 501 750 6 60 751 1.000 7 67 1.001 1.500 19 76 1.501 5.000 18 59 Annahme: Aufstellung in vorhandenem Gebäude Betriebskosten: Instandhaltungskosten (ASUE, 2014): 10 100 kw el : y = 18,225x -0,471 [Cent/kWh el ] 100 1.000 kw el : y = 4,1228x -0,196 [Cent/kWh el ] 1.000 4.000 kw el : y = 17,669x -0,399 [Cent/kWh el ] Personalkosten: 3 % der Investkosten (ASUE, 2015) Verwaltungskosten: 1,5 % der Investitionskosten (ASUE, 2015) 436
Anhang A1 Modulbeschreibungen Faulgasverwertung BHKW und Gasspeicher 3 Literaturverzeichnis ASUE (2010): BHKW-Grundlagen. ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v., Berlin. ASUE (2014): BHKW-Kenndaten 2014/2015. Module, Anbieter, Kosten. ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v., Berlin. ASUE (2015): BHKW Fibel. Wissen in kompakter Form. ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v., Berlin. VSA (2008): Handbuch Energie in ARA Leitfaden zur Energieoptimierung auf Abwasserreinigungsanlagen. Herausgeber: Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute (VSA), Zürich. Böhnke, B., Bischofsberger, W., Seyfried, C.F. (1993): Anaerobtechnik. Handbuch der anaeroben Behandlung von Abwasser und Schlamm. Springer-Verlag, Berlin. DIN1343 (1990): Deutsche Norm DIN 1343:1990-01: Referenzzustand, Normzustand, Normvolumen; Begriffe und Werte. Beuth Verlag, Berlin. Konstantin, P. (2009): Praxisbuch Energiewirtschaft. Energieumwandlung, -transport und -beschaffung im liberalisierten Markt. 2. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg. Nellenschulte, T. (2003): Kostenreduzierung für Kommunen und Verbände durch effiziente Erzeugung und Verwertung von Faulgas als Primärenergie sowie Reduzierung der Faulschlammmenge. Teilprojekt: Betrieb von Blockheizkraftwerken. Schlussbericht zum Forschungsvorhaben, Isernhagen. 437
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