Energiepositive Klärwerke. Innovationsprojekte am Kompetenzzentrum Wasser Berlin. Boris Lesjean, Christian Remy, Morgane Boulestreau, Johan Stuber Kompetenzzentrum Wasser Berlin 38 Berliner Wasserwerkstatt 18.06.2015 1
Rückblick 2010 Fazit: Nächste KW-Generation = Klär-Kraftwerk! 2
Rückblick 2011-2013 Pilotprojekt CARISMO Carbon is Money Remy, Boulestreau, Lesjean (2014) Water Science & Technology, Proof of concept for a new energypositive wastewater treatment scheme 3
Rückblick 2014 CARISMO unter den TOP3 des deutschen Nachhaltigkeitspreises Filmbeitrag in 3sat nano: www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=47280 4
2015: EU-Projekt PowerStep startet FULL SCALE DEMONSTRATION OF ENERGY POSITIVE SEWAGE TREATMENT PLANT CONCEPTS TOWARDS MARKET PENETRATION CARISMO Container SBR 2 SBR 1 Schlammspeicher Umsetzung des CARISMO-Konzepts für 2000 EW Schlitzrechen 5
Nutzung des Energiegehalts im Abwasser Optimierte Kläranlage (GK4-5) heute (= Benchmark): ~10% des Energiegehalts wird als Strom wiedergewonnen 175 kwh/ew*a 4 kwh/m³ (1000 mg/l CSB, 120 L/EW*d) 105 kwh/ew*a 2.4 kwh/m³ 53 kwh/ew*a 1.2 kwh/m³ 42 kwh/ew*a 0.96 kwh/m³ 17 kwh/pe*a Abwärme 17 kwh/ew*a 0.38 kwh/m³ Theoretisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB ins Biogas Methanausbeute: 320 L CH 4 /kg CSB BHKW: 40% elektrischer Wirkungsgrad 6
Energieeffizienz in Köln 7
Hamburg 8
Hamburg 9
Maßnahmen in Hamburg Stromoptimierung Erneuerung der Druckbelüftung auf KW Nutzung eigener Energie Wärme aus Abwasser Einspeisung von Bio-Erdgas Fernwärmeversorgung durch Abwärme der Klärschlammverwertungsprozesse Externe Energiequellen Covergärung Photovoltaikanlage auf Klärwerksgelände Windenergieanlagen auf Klärwerksgelände 10
Bericht Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, UBA, 2008 Grundsätzliche Überlegungen auf Grundlage des Stands der Technik (226 S.) Optimierungspotential für Deutschland: -30% Stromeinsparung durch Betriebsoptimierung +90% Faulgasverstromung Kurze Amortisation (Payback) Energieautarkie bzgl. Strom und Wärme wäre damit theoretisch erreichbar und unter Berücksichtigung externer Substrate sogar eine Überschussproduktion an Strom möglich. In Zusammenfassung: In der Summe wird die Energieautarkie für Kläranlagen mit Faulung bzw. die Klimaneutralität der Abwasserund Klärschlammbehandlung insgesamt vielleicht visionär, aber nicht illusionär. 11
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion in allen Verfahrensschritten Weniger Belüftung Carbon is money (KWB 2011 2014) 175 kwh/ew*a 4 kwh/m³ (1000 mg/l CSB, 120 L/EW*d) 105 kwh/ew*a 2.4 kwh/m³ Mehr Faulgas 53 kwh/ew*a 1.2 kwh/m³ 42 kwh/ew*a 0.96 kwh/m³ 17 kwh/pe*a Abwärme 17 kwh/ew*a 0.38 kwh/m³ Theoretisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB ins Biogas Methanausbeute: 320 L CH 4 /kg CSB BHKW: 40% elektrischer Wirkungsgrad 12
Carbon is Money Projekt finanziert durch: 13
Das CARISMO-Konzept im Pilotbetrieb auf der Kläranlage Berlin-Stahnsdorf Flokkulation Rohabwasser Koagulation Mikrosieb (100 µm) Dekanter Faulung Becherglasversuche: Flockungs mittel Polymer 20 mg/l Al 7 mg/l Rückspülung mit Betriebswasser (5 bar) Weitere Behandlung 38 C, 20d 0,6-1,5% TS 4.5-6 m³/h Nach mechanischer Reinigung 500 L 500 L Trommel -sieb (100µm) 12h 3,5% TS R1 150L R2 150L = Probenahme Betrieb: 8 h pro Tag, 4 Tage pro Woche Wöchentliche Wartung/Reinigung Weitere Behandlung (nicht getestet) 14
Trommelsieb als kompakte Vorklärung Rückspülung mit Filtrat Anlage Inbetriebnahme Kapazität Siebweite Trommelsieb als Vorklärung Filtration Bångbro (SE) 2003 170 m³/h 150 µm Langnes, Tromsø (NOR) Agnieres en Devoluy (FR) 2005 1200 m³/h 100 µm 2011 150 m³/h 40 µm Stavanger (NOR) 2015-2016 2050 m³/h 100 µm Kontinuierliche Filtration von innen nach außen Automatische Rückspülung mit Filtrat (5-8 bar) Ablauf des Rückspülwassers in Sammelrohr Niedriger Energieverbrauch (5-20 Wh/m³) Trommelsieb mit Flockung/Polymer 15 Näs (SE) 2010 30 m³/h 80 µm Forsbacka (SE) 2014 30 m³/h 80 µm Information Hydrotech
Ergebnisse des Pilotbetriebs in 2012-2013 Stabiler Betrieb der Anlage über 18 Monate möglich Chemische Reinigung des Siebs nur 2x erforderlich Faulreaktor konnte gut bilanziert werden (±10%) 100 µm Trommelsieb 20 mg/l Al + 7 mg/l Polymer Mittelwerte von Mischproben Zulauf Ablauf Mikrosieb Entfernung Suspendierte Stoffe [mg SS/L] 465 13 96% CSB gesamt [mg O 2 /L] 954 208 78% CSB partikulär [mg O 2 /L] 679 27 96% CSB gelöst [mg O 2 /L] 275 223 19% P gesamt [mg P/L] 14,2 2,7 81% P partikulär [mg P/L] 6,6 0,4 94% Kohlenstoff für Denitrifikation? P gelöst [mg PO 4 -P/L] 7,6 2,3 70% N gesamt [mg N/L] 90 75 17% NH 4 -N [mg NH 4 -N/L] 68 61 10% 16
Einschätzung des Denitrifikationspotentials nach Mikrosieb Kinetische Labor-Tests zur Denitrifikation zeigen Deni-Potential des Mikrosieb-Ablaufs Quantifizierung nicht möglich Abschätzung des minimalen Deni-Potentials über Fettsäuren (VFA) nach Mikrosieb: 120 mg/l Ac-eq entspricht 28 mg/l NO 3 -N (nach A131) 17
Vergleich von Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept 0,51 kwh/m³, 20 mg/l Fe Rohabwasser Vorklärbecken Belebtschlamm (N/DN, ChemP) Klarlauf 30% des CSB 30% des CSB REFERENZKLÄRANLAGE Faulturm Biogas BHKW Strom 430 NL/kg otr in Ergebnisse aus den Pilotanlagen 0,01 kwh/m³ 20 mg/l Al, 7 mg/l Polymer 0,2 kwh/m³ 56 mg/l MeOH Rohabwasser Flockung + Mikrosiebung Nachbehandlung (Biofilter) Klarlauf CARISMO: Mikrosieb + Biofilter 73% des CSB Faulturm BHKW Strom Biogas 600 NL/kg otr in 9% des CSB 18
Stoff- und Energiebilanz für eine Modellkläranlage für 100 000 EW Energieverbrauch [kwh elektrisch /m³] Strom Emission von Treibhausgasen [kg CO 2 -eq/m³] Chemikalien Indirekt (Strom, Chemikalien) Direkt (N 2 O aus Denitrifikation, CO 2,fossil aus Methanol) Rohabwasser CSB = 1000 mg/l P = 15 mg/l N = 85 mg/l Strom Abwasserbehandlung Schlamm Klarlauf CSB = 100 mg/l P = 2 mg/l N = 18 mg/l (AbwV für GK4) Faulturm Biogas BHKW Gutschriften für Strom Systemgrenze nicht betrachtet: Schlammentwässerung, Rückbelastung, Schlammentsorgung 19
Energiebilanz: Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept ENERGIE-POSITIVES KW Transfer von CSB zu in Schlamm 30 + 30% 73 + 9% Ausnutzung des org. Potentials im Abwasser (175 kwh/ew*a) 10% +81% 18% Nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung - Sonstige Verbraucher 20
Vom Klärwerk zum Kraftwerk : Strom für 1400 Einwohner nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung 21
Carbon footprint: Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept N 2 O aus Denitrifikation + fossiles CO 2 aus MeOH! CO 2 -NEUTRALES KW Nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung - Sonstige Verbraucher 22
Abschätzung der Betriebskosten für 100 000 EW (nur Strom und Chemikalien) TR nach Faulung 100% 118% Nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung - Sonstige Verbraucher 23
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion in allen Verfahrensschritten Cosubstrate & Entsorgungswege (KWB 2010 2012) 175 kwh/ew*a 4 kwh/m³ (1000 mg/l CSB, 120 L/EW*d) 105 kwh/ew*a 2.4 kwh/m³ 53 kwh/ew*a 1.2 kwh/m³ 42 kwh/ew*a 0.96 kwh/m³ 17 kwh/pe*a Abwärme 17 kwh/ew*a 0.38 kwh/m³ Theoretisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB ins Biogas Methanausbeute: 320 L CH 4 /kg CSB BHKW: 40% elektrischer Wirkungsgrad 24
Cumulative energy demand [GJ/(t TS)] Energiebilanz von verschiedenen Entsorgungswegen 15 10 5 0-5 -10 Fuel for incinerator Transport Electricity (for Drying) Natural Gas (for Drying) Substitution of electricity Substitution of hard coal Substitution of lignite -15 Net impact: -5.4-0.5-7.9-4.8-4.0-20 Wass 2009 (route mix) Monoincineration Power plant Drying + power plant Drying + cement kiln TRADE-OFF P-RÜCKGEWINNUNG vs. ENERGIEEFFIZIENZ! 25
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion in allen Verfahrensschritten HTC-CHECK Schlammbehandlung mit Hydrothermaler Carbonisierung (KWB 2012 2013) 175 kwh/ew*a 4 kwh/m³ (1000 mg/l CSB, 120 L/EW*d) 105 kwh/ew*a 2.4 kwh/m³ 53 kwh/ew*a 1.2 kwh/m³ 42 kwh/ew*a 0.96 kwh/m³ 17 kwh/pe*a Abwärme 17 kwh/ew*a 0.38 kwh/m³ Theoretisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB ins Biogas Methanausbeute: 320 L CH 4 /kg CSB BHKW: 40% elektrischer Wirkungsgrad 26
Modell des HTC-Prozesses von TerraNova Thermalölkreislauf aus externer Wärmequelle HX1 HX2 Kühlung Kammerfilterpresse Pumpe Wärmetauscherkreislauf Druckablass 65-70% TS Legende: m h Q W - Masse - Enthalpie, z.b. Heizwert - Thermische Energie, z.b. Dampf - Arbeit, z.b. elektrische Energie HTC-Parameter: 180 C, 20-31 bar, 150 min 27
Energiebilanz für Szenarien mit Faulschlamm Remy, Warneke, Lesjean (2015) Korrespondenz Abwasser Hydrothermale Carbonisierung: eine neue Option der Klärschlammbehandlung? HTC hat bessere Energiebilanz als alle Referenzszenarien Optimale Wärmenutzung (kein Zusatzbrennstoff für HTC-Reaktor) führt zu energetischen Vorteilen der HTC 28
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion in allen Verfahrensschritten Demonstration von energiepositiven Klärwerken (KWB 2015 2018) 175 kwh/ew*a 4 kwh/m³ (1000 mg/l CSB, 120 L/EW*d) 105 kwh/ew*a 2.4 kwh/m³ 53 kwh/ew*a 1.2 kwh/m³ 42 kwh/ew*a 0.96 kwh/m³ 17 kwh/pe*a Abwärme 17 kwh/ew*a 0.38 kwh/m³ Theoretisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB ins Biogas Methanausbeute: 320 L CH 4 /kg CSB BHKW: 40% elektrischer Wirkungsgrad 29
EU Demonstrationsprojekt POWERSTEP 30
15 Partner, 6 Länder, 6 Fallstudien Kompetenzzentrum Wasser Berlin Research Germany Technische Universität Wien Research Austria EAWAG Research Switzerland Fraunhofer IPM Research Germany Veolia Water Technologies Industry Sweden Veolia Germany Industry Germany NEAS Energy A/S Industry Denmark Biofos Utility Denmark Berliner Wasserbetriebe Utility Germany Umweltbundesamt Public authority Germany Electrochaea SME Denmark aqua plant solutions SME Germany Sustec Consulting and Contracting SME The Netherland Atemis SME Germany ARCTIK SME Belgium 31
Zusammenfassung Energiepositive Klärwerke = neue Ansätze in allen Verfahrensschritten notwendig CARISMO-Projekt hat gezeigt: Konzept besser als Referenzklärwerk (+81% Biogas), auch inkl. Nachbehandlung über Biofilter mit externer C-Quelle Energie-positives und CO 2 -neutrales Klärwerk möglich! Vergleichbare Betriebskosten für Strom und Chemikalien EU Projekt POWERSTEP: Demonstration von neuen Ansätzen an 6 Standorten Die nächste KW-Generation Klär-Kraftwerk kommt! 32
KWB www.kompetenz-wasser.de Contacts: boris.lesjean@kompetenz-wasser.de christian.remy@kompetenz-wasser.de christian.loderer@kompetenz-wasser.de 33