Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung?

Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung? Dipl.-Ing. Oliver Gretzschel Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt Technische Universität Kaiserslautern 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 1

Vortrag beruht auf Schlussbericht des Projektes NAwaS - Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in Rheinland-Pfalz im Auftrag von Projektbearbeitung 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 3

Abwasserpraxis In der Vergangenheit relativ klare Grenzen, wann Verfahren der aeroben Schlammstabilisierung und wann Schlammfaulung realisiert wurde: 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 4

Entscheidungsfindung in der Vergangenheit billige Energie Klassische Technologien Klärschlamm - Landwirtschaftliche Verwertung üblich 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 5

Entscheidungsfindung heute Energiepreisanstieg! Entwicklungen der Klärschlammverwertung Ressourcenknappheit! Phosphat Klimawandel! Energierecht Energiewende neue Technologien Umdenken erforderlich! 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 6

Gliederung 1. Veränderte Rahmenbedingungen 2. Vergleich Faulung vs. aerobe Stabilisierung 3. Umstellung auf Faulung ja oder nein? 4. Fazit und Ausblick 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 7

Energiepreise 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 8

Energiewende Energiewende & Energiemanagement auf Kläranlagen Energiemanagement auf Kläranlagen Säulen der Energiewende Säule Umstieg auf erneuerbare Energie Ausbau der Speichertechnologien Dezentrale Erzeugung und Versorgung Aufbau virtueller Kraftwerke Rolle der Kläranlage mit Faulgasproduktion Nutzung der Energiepotenziale des Klärschlamms (Faulgas, thermisch) Faulgas ist speicherfähig; mögliche Potenziale im Bereich der Power-to- Gas Technologie ( Windgas ) Faulgas-BHKW erfüllt diese Funktion Faulgas-BHKW können in virtuelle Kraftwerke integriert werden 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 9

Energierecht Energiewende & Energierecht Säulen der Energiewende Energiemanagement auf Kläranlagen Energierecht 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 10

Klärschlammverwertung Landwirtschaftliche Verwertung wird zunehmend hinterfragt o Akkumulation von Schad- und Spurenstoffe Bay.,BW, NRW vollziehen den Ausstieg (Energie statt Dünger) o Grenzwertverschärfung Vorteile durch Faulung o geringerer Zuwachs an Biomasse weniger Schlammanfall niedrigere Entsorgungskosten o niedriger Glühverlust nach der Faulung gute Entwässerbarkeit und niedrigere Kosten o wirtschaftlichere thermische Verwertung nach der Faulung Grundsatzstudie für größere Kläranlagen (2010) o verfahrenstechnische, ökonomische & ökologische Vorteile für Faulungsvarianten o deutliche Vorteile Monoverbrennung vs. Mitverbrennung 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 11

Welches Energiepotenzial steckt im Abwasser? 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 12

Energiegehalt des Abwassers Begrenztes Potenzial Stromeigendeckung 50 bis 80 % möglich Wärmebedarf 100 % 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 13

Vergleich der energetischen Gesamtbilanz der beiden Verfahren 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 14

20.000 EW aerobe Stabilisierung Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 85 kwh/ew/a ( Kraftwerk = 40 %) Input Strom: 34 kwh/ew/a Input Abwasser Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a Vorreinigung 2,5 kwh/ew/a Belebungsbecken 23,5 kwh/ew/a Keine Energieproduktion Hoher Energieinhalt im Output (Abwasser, Schlamm) Hoher externer Energiebedarf RLS u. NKB 4,0 kwh/ew/a Schlammstapelung 0,5 kwh/ew/a Output Abwasser E th : 75 kwh/ew/a CSB : 153 kwh/ew/a Pumpwerk Rechen Sandfang Belebung Nachklärung E th : 75 kwh/ew/a CSB : 8 kwh/ew/a Lage : 3 kwh/ew/a Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 121,5 kwh/ew/a Output Schlamm ca. 57,5 kwh/ew/a 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 15

20.000 EW anaerobe Stabilisierung Energieproduktion aus Biogas Niedrigerer Energieinhalt im Output (Schlamm) Deutlich niedrigerer externer Bedarf 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 16

Vergleich Energiebilanz aerobe Stabilisierung vs. anaerobe Stabilisierung Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 37,5 kwh/ew/a ( Kraftwerk = 40 %) Primärenergiebedarf: 85 kwh/ew/a ( Kraftwerk = 40 %) Input Strom: 31 kwh/ew/a; Fremdbezug: 15 kwh/ew/a Input Strom: 34 kwh/ew/a Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a Vorreinigung 3,0 kwh/ew/a Belebungsbecken 17,0 kwh/ew/a RLS u. NKB 4,0 kwh/ew/a Schlammbehandlung 3,5 kwh/ew/a Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a Vorreinigung 2,5 kwh/ew/a Belebungsbecken 23,5 kwh/ew/a RLS u. NKB 4,0 kwh/ew/a Schlammstapelung 0,5 kwh/ew/a Input Abwasser Qutput Abwasser Input Abwasser E th : 75 kwh/ew/a CSB : 153 kwh/ew/a Pumpwerk Pumpwerk Rechen Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 121,5 kwh/ew/a Sandfang Belebung Qutput Schlamm ca. 57,5 kwh/ew/a Nachklärung Qutput Abwasser E th : 75 kwh/ew/a CSB : 8 kwh/ew/a Lage : 3 kwh/ew/a E th : 75 kwh/ew/a CSB : 153 kwh/ew/a Rechen Sandfang Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 90 kwh/ew/a Energiegewinn aus Gasverstromung Elektr. : ca. 17 kwh/ew/a Therm.: ca. 31 kwh/ew/a Vorklärbecken Belebung Nachklärung E th : 75 kwh/ew/a CSB : 8 kwh/ew/a Lage : 3 kwh/ew/a Qutput Schlamm ca. 38,5 kwh/ew/a 34 kwh/ew/a Fremdenergie 14,5 kwh/ew/a Fremdenergie ca. 50 % Eigenenergiebedarfsdeckung Ursachen: Vorentlastung Biologie durch Primärschlammentnahme Niedrigerer Energiebedarf aufgrund kleinerer Belebung Energiegewinn durch Faulgasverstromung 55 % Primärenergieeinsparung (47,5 kwh/ew/a) 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 17

Zwischenfazit Energievergleich Anlagen mit Faulung sind deutlich energieeffizienter als Anlagen mit aerober Stabilisierung: weniger Strombedarf, Möglichkeit der Energieerzeugung aus organischen Substanzen Wärmeautarkie ist hier theoretisch möglich Ca. 40 50% der erforderlichen elektrischen Energie kann hier intern erzeugt werden (Kraft-Wärme-Kopplung) Energieautarkie auch bei Faulungsanlagen ohne Co-Substrate nicht möglich 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 18

Entwässerungseigenschaften Unterschiedliche Glühverluste (= org. Anteil) des Schlammes, der Entwässerung zugeführt wird GV = 50% GV = 60% 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 19

Vergleich Schlammeigenschaften Entwässerungseigenschaften Unterschiedliche erzielbare Feststoffgehalte GV = 50% TS = 28% GV = 60% TS = 23% 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 20

Vergleich Schlammmengen Konsequenz für zu entsorgende Schlammengen: Bsp. für KA mit 20.000 EW Beschreibung Kürzel Einheit aerob anaerob Primärschlamm TR PS g/(ew*d) 0,0 35,0 Aufenthaltszeit Vorklärung t VK h 0,0 1,0 Überschussschlamm TR ÜS g/(ew*d) 56,2 34,8 P-Elimination TR p g/(ew*d) 2,5 2,5 Schlammalter t TS d 25,0 15,0 Fracht TR g/(ew*d) 58,7 72,3 Spez. Schlammanfall bei Faulung höher Faktor PS 0,67 Faktor ÜS 0,70 Fracht otr PS g otr/ew 23,5 Fracht otr ÜS g otr/ew 24,4 Aufenthaltszeit Faulbehälter t FB d 20,0 Abbau org. Feststoffanteil im FB η otr,ps % 57 Abbau org. Feststoffanteil im FB η otr,üs % 35 Bei Faulung um ca. 30% verringerte Schlammenge otr-abbau, PS otr/(ew*d) 13,4 otr-abbau, ÜS otr/(ew*d) 8,5 Gesamtfracht kg TR / d 1 174,0 1 008,2 Entwässerungsgrad % 23,0 28,0 Schlammenge Q Schlamm m³/d 5,1 3,6 Schlammenge Q Schlamm m³/a 1 863,1 1 314,2 Abweichung 100% 71% Durch Faulung reduziert sich organische Fracht Höherer Entwässerungsgrad 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 21

Vergleich - Fazit Aerobe Stabilisierung Faulung Vorklärung nein ja Belebungsbeckenvolumen Energie Eigenstromerzeugung Anfallende Schlammengen zur Entsorgung Personalbedarf etwa doppelt so groβ höherer Energiebedarf aufgrund Belüftung und gröβerer Biomasse höher ca. 40 50% Deckung E el möglich höher Faulung mit erheblichen Vorteile bei Energie und Schlammanfall aber: höhere Investitionskosten (Vorklärung, Faulbehälter, Gasspeicher, BHKW,...) Frage: Wirtschaftlichkeitsgrenze für Umstieg auf Faulung 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 22

Umsteigen? Wirtschaftlichkeit i. d. R. erfolgen keine Neubauten! Zentrale Frage: Ist es wirtschaftlich, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten?? Lösungsansatz: Ableitung von Kostenfunktionen zur überschlägigen Prüfung der Umstellung!! 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 23

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Wirtschaftlichkeit Kostenfunktionen Maßgebende Kostenfaktoren: Vorklärbecken (t A = 1,0 h) Zwischenpumpwerk Primärschlammpumpwerk Maschinelle ÜSS-Voreindickung Rohschlammbehälter Faulturm und Technikgebäude Gasspeicher Blockheizkraftwerk Sonstiges (Leitungszuführungen, Verkehrsflächen usw.) Sonstiges: keine Umnutzung vorhandener Bausubstanz ab 10.000 EW zweistraßige Ausführung Biologie normale Baugrund- und Grundwasserverhältnisse Kosten inkl. 10 % Baunebenkosten sowie 19% Mehrwertsteuer 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 24

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Betriebskosten Einsparungen durch geringeren Energieverbrauch für Belüftung und ggfls. Durchmischung des/der BB Eigenstromerzeugung BHKW geringere Schlammmengen infolge besserer KS-Entwässerung und somit geringere Klärschlammverwertungskosten Mehrkosten für Personal Wartung und Instandhaltung der zus. Anlagen Hilfsstoffe (z. B. FHM für MÜSE) Strom 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 25

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Wirtschaftlichkeit Einsparung vs. Kapitalkosten Wirtschaftlichkeitsgrenze derzeit (= Projektende 2011) bei ca. 20.000 EW Einsparungen Kapitalkosten 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 26

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Unter aktuellen Rahmenbedingungen: Wirtschaftlichkeit ab: ca. 20.000 EW Das heißt: OHNE jegliche Preissteigerung in Zukunft! 0 % AS Faulung Faulung teurer Faulung günstiger 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 28

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 1 % Preissteigerung: Wirtschaftlichkeit ab: ca. 17.000 EW AS 1 % Faulung Faulung teurer Faulung günstiger 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 29

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 2 % Preissteigerung: Wirtschaftlichkeit ab: ca. 14.000 EW 2 % AS Faulung Faulung teurer Faulung günstiger 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 30

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4 % Preissteigerung: Wirtschaftlichkeit ab: ca. 10.000 EW Unter Berücksichtigung der erläuterten Rahmenbedingungen sowie der Zukunftsentwicklungen wird den Betreibern von Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von ab ca. 10.000 EW (ggf. auch darunter!) empfohlen, die Möglichkeiten 4 % einer AS Umstellung der Verfahrensführung auf ihrer Anlage zu untersuchen! Faulung Faulung teurer Faulung günstiger 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 34

Fazit & Ausblick Vorteile von Faulungsanlagen vor allem in den Bereichen Energiebilanz und Schlammbehandlung / - entsorgung veränderte Rahmenbedingungen zur Umsetzung der Schlammfaulung auch bei kleineren Anschlussgrößen (weitere) Preissteigerungen in den Bereichen Energiekosten und Schlammentsorgung verschieben Wirtschaftlichkeitsgrenze für anaerobe Schlammfaulung! 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 35

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Dipl.-Ing. Oliver Gretzschel Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt Technische Universität Kaiserslautern 22.02.2013 Regionaler Meinungsaustausch Energetisch optimierte Abwasserreinigung 36