Klärschlamm - Energie Dr. Schaum 01.10.2015
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Optimierung der Klärschlammbehandlung für eine flexible Energienutzung 01. Oktober 2015 - Neustadt an der Weinstraße Fortbildungsveranstaltung der DWA (Pfalz) und des BWK (Pfalz) Christian Schaum und Peter Cornel Dorothee Lensch, Robert Lutze und Johannes Rühl Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Verbundprojekt mit 11 Partnern Koordination: TU Darmstadt, Institut IWAR Laufzeit: 01.05.2014 – 30.04.2017 Förderung: 2,7 Mio. € Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung - Förderkennzeichen: 02WER1322 Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Stromnetz Stromverbrauch Abwasserbehandlung Batterie Stromerzeugung Wärme Kälte Substratspeicher Gasnetz Gasspeicher Gliederung Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Vom Energieverbraucher zum Energiedienstleister Zusammenfassung und Ausblick Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 4 Einleitung – (Ab-)Wasser und Energie Wasser für Energie Kühlung für Kraftwerke, Ölförderung, Biomasseanbau Energie für Wasser Wassergewinnung, -aufbereitung und -transport, Wassernutzung, Abwassertransport und -behandlung Energie aus Wasser Wasserkraft, Wärmenutzung, Faulung/Faulgaserzeugung, Verbrennung 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 5 Einleitung – (Ab-)Wasser und Energie Energie vs. Klimaschutz Einsatz von fossilen, endlichen Energieträgern (Kohle, Erdgas, Öl) Mitverursacher der globalen Erwärmung Atomenergie: Fragestellung der Endlagerung und Sicherheit Ausbau der erneuerbaren Energien Relevanz für die Abwasserbehandlung Steigerung der Energieeffizienz durch Minimierung Energieverbrauch & Maximierung Energieerzeugung Berücksichtigung von Lastgängen (Flexibilisierung) Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft zur Energiewende 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 6 Einleitung – (Ab-)Wasser und Energie Wasser für Energie Kühlung für Kraftwerke, Ölförderung, Biomasseanbau Energie für Wasser Wassergewinnung, -aufbereitung und -transport, Wassernutzung, Abwassertransport und -behandlung Siedlungswasserwirtschaft? Energie aus Wasser Wasserkraft, Wärmenutzung, Faulung/Faulgaserzeugung, Verbrennung 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 7 Energieverbrauch Basis: Statistische Daten Deutschland [Daten: Branchenbild Wasserwirtschaft (2011), UBA (2006)] · · Endenergieverbrauch Warmwassererzeugung einschl. Waschund Spülmaschine · · [AGEB (2011), RWI/forsa (2011)] Einleitung Schmutzstoffe (Toilette, Küche, etc.) 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 8 · · Energieinhalt und Nutzung Potentielle Thermische Chemische [www.ipp.mpg.de] [Cornelsen, 2004] 1,2 kWh/(E a) Wasserrad, Turbine Verschiedene Anlagen realisiert: z.B. Kläranlage Freital, Dresden, Mannheim 750 kWh/(E a) Wärmetauscher 150 kWh/(E a) Faulgas/BHKW Verbrennung/ Turbine Stand der Technik Energieverbrauch und Erzeugung Konventionelle Siedlungswasserwirtschaft · · · · · · Energetische Optimierung „Kläranlage der Zukunft“ · · · 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 10 Zum Vergleich: Gesamtstromverbrauch in Deutschland rd. 516 TWh/a Energiepotential in der Abwasserbehandlung Stromverbrauch Ist-Zustand Stromerzeugung (nur BHKW) Optimierung Ist- Ausrüstung nach Zustand aller ABA Erhöhung Einsatz von Wirkungsgrad Co-Substrat > 10.000 E BHKW TWh/a TWh/a TWh/a TWh/a 0,941 1,742 3,14 - 3,933 1,054 MURL (1999) Richt- Idealwert TWh/a 4,0 1 2 3 4 wert TWh/a TWh/a 3,6 2,7 elektrischer Wirkungsgrad 26 % elektrischer Wirkungsgrad 32 % alle ABA < 10.000 E, elektrischer Wirkungsgrad 40 % bzw. mit Brennstoffzelle 50 % Co-Substrat: Bioabfall, Abschätzung nach DWA (2010) über freie Faulraumkapazitäten 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 11 [nach DWA (2010)] Energetische Optimierung „Kläranlage der Zukunft“ Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 12 Optimierung Energieeffizienz Jahresmittelwert/Jahressummen Durchführung Energieanalyse Diverse Handbücher/Publikationen Energie in Kläranlagen, MURL (1999) Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen (DWA-A 216) Prinzip: Aufnahme und Bewertung Energieverbräuche nach verfahrenstechnischen Einheiten Vergleich mit Kennzahlen (Optimierungspotential) Ableitung von Maßnahmen Breite Anwendung in Abwasserwirtschaft „Stand der Technik“ Stromverbrauch nach Verbrauchergruppen 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 13 Exemplarische Maßnahmen Beispiel: Kommunale KA mit 240.000 EW Biologie Erneuerung Rührwerke in den Belebungsbecken (von 30 kW/Becken auf 12 kW/Becken) Klärschlammbehandlung Austausch Spiralwärmetauscher (Erwärmung der Faulbehälter) Erneuerung der maschinellen Eindickung (von Zentrifuge auf Siebband) Erneuerung Pumpen (Sicherstellung Betriebspunkt) Erneuerung der Elektromotoren Haustechnik Beleuchtungssteuerung über Zeit oder Bewegungsmelder Erneuerung von Laborkühlschränken Optimierung der Straßenbeleuchtung 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 14 Energetische Optimierung „Kläranlage 2025“ Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 15 Jahresgang Strom (Beispiel KA mit 240.000 EW – Jahr 2013) kein ausgeprägter Jahresgang im Stromverbrauch Schwankungen im Faulgas durch Co-Substrat 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 16 Jahresgang Wärme (Beispiel KA mit 240.000 EW – Jahr 2013) ausgeprägter Jahresgang im Wärmeverbrauch Nutzung Wärmeüberschuss im Sommer? Heizwasserkreislauf 70 – 90°C 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 17 Exemplarische Maßnahmen Beispiel: KA mit 240.000 EW Nutzung Wärme zur Kälteerzeugung Adsorptionskälteanlage Kälteleistung: 32 kW Absorptionskälteanlage mit Kälteleistung: 200 kW Ersatz für elektrisch betriebene Klimageräte/Kältemaschinen Einsparung von Strom durch die Nutzung von Abwärme 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 18 Steigerung der Energieeffizienz: Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 19 Flexibilisierung Energiesystem Kläranlage (Beispiel KA mit 240.000 EW – Jahr 2013) Abhängigkeit von Zulauf (Regenwetter) ausgeprägter Tagesgang (Trockenwetter) 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 20 Stromlastgang (Leistungsspitzen) Beispiel KA mit 240.000 EW – Jahr 2013 > 1.000 kW nur bei rd. 300 Bh/a (< 3 %) Auswertung Jahresgang (Leistung des Strombezugs) [Zhukova, 2014] 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 21 Auswertung Spitzen mittels Spektralanalyse Beispiel KA mit 240.000 EW Visualisierung von Lastspitzen im Tagesgang Entwicklung Lastmanagement [Zhukova, 2014] Faulgaserzeugung mittels Co-Substrate Faulgaserzeugung einer kommunalen Kläranlage, Ausbaugröße 32.500 EW Faulbehälter 1: Dosierung von Rohschlamm sowie Co-Substrat Faulbehälter 2: Dosierung von Rohschlamm Faulgaserzeugung mittels Co-Substrate Erhöhung der Faulgaserzeugung durch Zugabe von Co-Substrat Nutzung Co-Substrat für Flexibilisierung Umsatzrate/Geschwindigkeit? Baustein für ein intelligentes Steuerungssystem Einsatz für Lastspitzen (Lastmanagement) [Daten Substrat C: EnviroChemie 2015] spez. Gasproduktion? Energiespeicher Co-Substrat Modellrechnung KA mit 240.000 EW [Lensch et al., 2015] 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 26 Untersuchung im halbtechnischen Maßstab Inbetriebnahme Feb./April 2015 Hochlastfaulung mit Mikrofilter SRT ≠ HRT konventionelle Faulung SRT = HRT 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 27 Steigerung der Energieeffizienz: Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Regelenergie Nutzung und Erweiterung der Strategien für die Bereitstellung von Regelenergie Interaktion mit Stromnetz Ausgleich Energie im Tagesgang Ausgleich Energie im Jahresgang (Sommer-/Winterbetrieb) Optimierung Energieeffizienz Minimierung Verbrauch/Maximierung Erzeugung Jahresmittelwert 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 28 Regelenergie Ziel: Verhinderung von Ungleichgewichten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch (Sicherstellung einer konstanten Netzfrequenz von 50 Hz) [dena, 2012] Sekundärregelleistung Positive Regelleistung Defizit im Netz; Minimierung Energiebezug oder Maximierung Energieerzeugung Minutenreserve [Daten: Regelleistung, 2015] Negative Regelleistung Überschuss im Netz; Maximierung Energiebezug oder Minimierung Stromproduktion Durchschnittliche Leistungspreise in €/(MW·h) [Consentec, 2014; Pilgram, 2014] 2010 2011 2012 2013 positiv 9,82 8,33 2,53 7,82 negativ 15,74 11,79 11,89 11,66 positiv 1,10 0,31 0,61 0,95 negativ 3,12 4,21 3,04 5,72 Sekundärregelleistung Minutenreserve 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 31 Abwasserbehandlung und Regelenergie Energiespeicher Kläranlage Flexibilisierung des Betriebs der Klärschlammbehandlung Nutzung der chemisch gebundenen Energie in Klärschlamm, Co-Substrat und Faulgas als Speicher Flexibilisierung der Faulung bzw. Faulgaserzeugung bedeutet eine Verringerung des Bedarfs an Faulgas- oder Batteriespeicher spez. Energiedichte Primärschlamm – 7 % TR 0,05 Co-Substrat – 20 % TR 0,2 Faulgas – 65 % CH4 1,6 Lithium-Ionen-Akku 0,1 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 32 [Schaum, 2015] [kWhel/kg] Regelenergiemarkt vs. Leistung Kläranlage Teilnahme am Regelenergiemarkt min. 5 MW Zusammenschluss zu virtuellen Kraftwerken Annahme: A = 15 kWhel/(E·a), B = 20 kWhel/(E·a) 8.000 Bh/a, keine Redundanzen 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 33 Flexible Energieerzeugung: Nur eine technische Fragestellung? Innovationsmanagement Identifikation der zentralen Akteure, ökonomischen, technischen, rechtlichen sowie gesellschaftlichen Treiber und Hemmnisse für eine passfähige Ausgestaltung und erfolgreiche Verbreitung der ESiTI-Verfahrensvarianten Experten-gestütztes Bewertungstool für Kläranlagenbetreiber und kommunale Entscheidungsträger Welche Zielstellung (I. Optimierung Energieeffizienz, II. Ausgleich Energie im Jahresgang, III. Ausgleich Energie im Tagesgang, IV. Regelenergie) sollte auf der Kläranlage verfolgt werden? Welche Verfahrensvariante, d.h. welche Kombination aus Technologiebausteinen und Bewirtschaftungsstrategien, ist hierfür am besten geeignet? 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 34 Gliederung Einleitung (Ab-)Wasser und Energie Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Vom Jahresmittelwert zur Regelenergie Vom Energieverbraucher zum Energiedienstleister Zusammenfassung und Ausblick Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 35 Zusammenfassung und Ausblick Zukunftsfähige Abwasserbehandlung Sicherstellung: Gesundheits- und Gewässerschutz Ressourcenschutz: hier „Energie“, d.h. Erhöhung der Energieeffizienz; (flexible) Minimierung Energieverbrauch, (flexible) Maximierung Energieerzeugung Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Innerhalb der Abwasserbehandlungsanlage: Lastmanagement, Erhöhung Energieproduktion bspw. durch Co-Vergärung; Nutzung organischer Substanz als Energiespeicher Kontext zum Stromnetz: Nutzung der Abwasserbehandlungsanlage im Bereich der Regelenergie Anforderungen: Erhöhung Flexibilität, Zusammenführung aller Energieströme („smart grid“), chem. gebundene Energie als Speicher (Substrat, Faulgas), Zusammenführung von mehreren Anlagen in „virtuellen Kraftwerken“ Bestandteil aktueller Forschungsarbeiten innerhalb von ESiTI 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 36 ERWAS-Querschnittsthema-Klärschlamm ERWAS-Querschnittsthema: Nutzung der Energieressource Klärschlamm: Klärschlamm und Co-Substrate, Faulgas, KS-Verwertung 20 Teilnehmer aus den Verbundprojekten arrivee, E-Klär, ESiTI und KRN-Mephrec sowie aus ERWASNET Aktuell: Durchführung einer CSBVergleichsmessung von (Klär-)Schlamm; Laborgärversuche in Planung Leitung und Kontakt: Dr.-Ing. Christian Schaum [email protected] 01. Oktober 2015 | TU Darmstadt | Institut IWAR | Schaum · Lutze · Rühl · Lensch · Cornel | 37
