Möglichkeiten und Potenziale der Energieerzeugung mittels Abwasser PD Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn
Potenziale für die Energieerzeugung 1. Klärschlamm 2. Co-Substrate (z.b. Fett, Bioabfall) 3. Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) 4. Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten)
Anaerobe Schlammstabilisierung Faulung von - Primärschlamm - Überschussschlamm Verfahrensführung - 1-stufig - mehrstufig - mesophil - thermophil
Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme 600 500 400 TS = 3,5% ( Primärschlamm ) F TS = 7% ( 9% ) F TS = 3,0% ( PS : ÜS = 1,1 : 1 ) F 300 200 100 TS = 3,3% ( Überschußschlamm ) F TS = 5,5% ( FS - Rückführung ) F TS = 0,9% F 10 20 30 40 50 Aufenthaltszeit t TS in d (Kapp, 1984) Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit
Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate Substrat Primärschlamm Überschussschlamm PS+ÜS Kohlenhydrate Eiweiße Fette* Gasproduktion [NL/kg otr zu ] 500-600 200-300 400-500 890 590 1.540 CH 4 -Gehalt 60-65% 60-65% 60-65% 50% 84% 70% (*1 kg Fett = 10 kwh Primärenergie) Gaspotenzial aus biogenen Reststoffen
Der Wert des deutschen Rohschlamms (RS) Ressource Marktwert Wert RS [ /ttr] Ressourcenpotential Deutschland [ /a] Phosphor (P) 3,13 /kg P 89,12 213.384.272 Stickstoff (N) 1,03 /kg N 38,95 93.254.398 Feststoffe (TS) 0,094 /kg TS 93,60 224.115.840 Σ = 530 Mio. /a bzw. 220 / t TR Rohschlamm
Abwasser als Gemisch von Ressourcen N, P, K H 2 O "Problemstoffe" Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen
Stoffstromanalyse kommunales Abwasser 97,5% 87% Wassermenge Stickstoff (N) Phosphor (P) Kalium (K) Organik (CSB) Anteile [%] 34% 41% 50% 54% 40% 47% 10% 3% Grauwasser 12% 12% 10% 0,8% 1,8% Gelbwasser Braunwasser (nach Otterpohl, 2002)
Organische Verbindungen (CSB) als Ressource Aerober Abbau CSB Belüftung - 0,35 kwh EL /kg CSB CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 + 0,9 kwh EL /kg CSB CSB BHKW Biogas- Anlage
Die Ressource Stickstoff (N) - Energiebilanz von Erzeugung und Elimination N 2 N 2 N-Dünger Haber-Bosch - 10 kwh EL /kg N - 3 kwh EL /kg N Σ = - 13 kwh EL /kg N bzw. - 40 kwh Prim. /kg N
Angepasste Abwassertechnik Bisher (herkömmliches Abwasser) P N 2 CSB, NH 4 + Vergleich V BB -75% Nach Abtrennung von Gelbwasser P + N 2 CSB NH 4 O 2-50% ÜS d +5% Fe 3+ -80%
Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für Deutschland Aerober Abbau Belüftung - 2,2 Mio. MWh EL /a (= 250 MW EL ) 3,6 Mio. t CSB/a + 0,3 Mio. t N/a CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 3,6 Mio. t CSB/a BHKW Biogas- Anlage + 4 Mio. MWh EL /a (= 460 MW EL )
Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW
Marktwert der Ressource Abwasser (für 6,6 Mrd. Menschen) P K 13,6 Mrd. /a 8,6 Mrd. /a N 27,3 Mrd. /a Σ = 87,9 Mrd. /a CSB 38,4 Mrd. /a ( 43,8 GW EL )
...und Kosten für deren Entsorgung Wert der Ressourcen 87,9 Mrd. /a 495 Mrd. /a Entsorgungskosten (bei 75 /EWa)
Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Faulgas Schwarzwasser 55 C Fest/Flüssig- Trennung Feststoff zur landwirtschaftl. Verwertung Produkte: Faulung MgO H 2 SO 4 MAP-Fällung NaOH Luft Fest/Flüssig- Trennung flüssig Ammoniak- Strippung MAP Flüssigphase zur Kläranlage Luft (NH 4 ) 2 SO 4 - Lösung
Konzept zur direkten Verwertung Anbau Nachwachsender Rohstoffe
Stoffstromanalyse des Fallbeispiels BS (350.000 EW) Zudüngung Mineraldünger 0 kg/a N 64.837 kg/a P 933.200 kg/a K 142.929 kg/a Mg 54.700 kg/a S ca. 1/3 der Stromproduktion vom HKW BS-Mitte; Düngung mit Schwarzwasser 1.368.930 kg/a N 190.500 kg/a P 415.800 kg/a K 13.873 kg/a Mg 107.800 kg/a S Maisanbau auf 6.500 ha Verluste 257.430 kg/a N 25.437 kg/a P 255.000 kg/a K 25.177 kg/a Mg 54.810 kg/a S 292.500 t/a Mais FM Biogasanlage Maissilage Biogas Einspeisevergütung: ca. 9,7 Mio. BHKW 10,3 MW Externe Vermarktung Output Wirtschaftsdünger 1.111.500 kg/a N 229.760 kg/a P 1.092.690 kg/a K 131.625 kg/a Mg 107.690 kg/a S 90,5 GWh el. /a 54 GWh therm. /a
Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 82 Mio. EW) 1.500 1.150 Energiebedarf/-ertrag [MW prim Leistung] 1.000 500 0-500 -1.000-940 -300 1 2 3 1 Abwasserreinigung (AR) (32 kwh/ewa) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR
Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 82 Mio. EW) 7.570 8.000 Energiebedarf/-ertrag [MW prim Leistung] 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0-940 -300 1.150-1.000 1 2 3 4 1 Abwasserreinigung (ARA) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA 4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe
Synergien zur CO 2 -Reduzierung durch Energieerzeugung aus Abwasser 1. Energiegewinn aus Abwasser 2. Energieeinsparung auf konventionellen Kläranlagen 3. Energieeinsparung bei der Düngemittelproduktion 4. Aufbau von Wertschöpfungsketten (z.b. Anbau von NaWaRo) Stoffstromseparation und Verwertung
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