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Energieeffizienz in der kommunalen

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Academic year: 2022

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10. Landesnetzwerktreffen „Energie und Kommune“ , 2018 Burg

Energieeffizienz in der kommunalen Abwasserwirtschaft

Jens Alex

ifak - Institut für Automation und Kommunikation, Magdeburg

1

Werner-Heisenberg-Straße 1 39106 Magdeburg

+49 39199 01469 +49 39199 01471 jens.alex@ifak.eu

(2)

2

Institut für Automation und Kommunikation e.V.

Institutsleiter: Prof. U. Jumar E-Mail: ulrich.jumar@ifak.eu

Werner-Heisenberg-Str. 1 39106 Magdeburg

(0391) 990140 (0391) 9901590

https://www.ifak.eu Denkfabrik im Wissenschaftshafen Magdeburg

(beim Sommerhochwasser 2013)

Vorstellung des ifak …

(3)

Steckbrief des Instituts ifak

Institut der angewandten Forschung

 Gemeinnütziger Verein ifak e.V. als Rechtsträger, 1991 gegründet

 Organe: Mitgliederversammlung, Vorstand und ein Kuratorium mit 20 Persönlichkeiten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik

 An-Institut der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg seit 1993

 Drei Unternehmensausgründungen aus dem Forschungsinstitut

3

Messtechnik & Leistungselektronik

Verkehr & Assistenz Wasser & Energie

Informations- und Kommunikations- technologie & Automation

(4)

ifak e.V. Geschäftsfeld Wasser & Energie Themenbereiche

 Kanalnetze

 Kläranlagen

 Smart Grid

 Biogas

 Integrierte Planungswerkzeuge

 IT-Sicherheit kritischer Infrastrukturen

4

Entwicklung von Simulationssystemen

 SIMBA seit 1994

 SIMBA

#

, SIMBA classroom seit 2013

(5)

 Motivation

 Mechanismen zur Energieeinsparung auf Kläranlagen

Optionen

Randbedingungen, Grenzen

 Integrierte Planung mit Simulation

 Beispiele

Varianten Belüftungsregelung

Energieanalyse mit Simulation

 Zusammenfassung

Energieeffizienz in der kommunalen Abwasserwirtschaft

5

(6)

Energieeffizienz in der kommunalen Abwasserwirtschaft

 Kläranlage als größter kommunaler Energieverbraucher

 Steigende Energiekosten

 Zunehmende Anforderungen an wirtschaftlichen Betrieb

 Reinvestitionen Ausrüstung Möglichkeiten:

 Reduktion

Energieverbrauch

 Energiemanagement

 Tarifgestaltung

 Eigenenergieerzeugung

Faulgasverstromung

Erneuerbare Energien

6

Beispielanlage (aerobe Schlammstabilisierung)

Quelle: Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, 2011

Ablaufwerte haben Priorität!

(7)

Mechanismen zur Energieeinsparung

 Energiebedarf für die Bereitstellung des benötigten Sauerstoffs minimieren

Maximierung Wirkungsgrad Drucklufterzeugung

Minimierung des Luftüberschusses (großer Abstand von der O2-Sättigung)

 Maximierung des zur Biogaserzeugung genutzten CSBs

optimale Nutzung der Vorklärung

Schlammalterregelung

 Minimierung des aerob oxidierten CSBs

Maximale Denitrifikation

 Optimierter Pumpenbetrieb (Mengen, Staffel)

Fast alle diese Maßnahmen können/müssen im Betrieb durch geeignete Automatisierungsfunktionen unterstützt werden!

7

(8)

Mechanismen zur Energieeinsparung Belüftungssystem

Optimierpotential liegt im Betrieb aller beteiligten Aggregate in Bereichen mit besserem Wirkungsgrad

8

(9)

Mechanismen zur Energieeinsparung Belüftungssystem

Optimierpotential liegt im Betrieb aller beteiligten Aggregate in Bereichen mit besserem Wirkungsgrad

 Verdichter

 Belüftungsmembrane

 O

2

-Sollwerte

 Pumpenstaffel

Anpassbarkeit der Luftmenge

 Separate Regelkreise für parallele Straßen

 Mehrere Stell- und Messorte im Fließweg von Anlagen mit ausgeprägten Zehrungsprofilen

9

(10)

Mechanismen zur Energieeinsparung

Verfahrensregler

Ziel von Regelungen der NH4-N-Ablaufwerte

bei gering belasteten Anlagen

 optimalen Nutzung des existierenden Becken-Volumens,

 Maximierung der N-Elimination, Energieminimierung,

 hohen mittleren Nitrifikationsleistung

und bei hoch belasteten Anlagen in der sicheren Einhaltung der Grenzwerte

 sichere Nitrifikation und

 Reduktion von Ablaufspitzen.

10

(11)

Randbedingungen, Grenzen

Rahmen:

 Sauerstoffbedarf für

zu oxidierenden TKN Fracht und

Rest-CSB Fracht, die nicht anoxisch oxidiert wurde (Denitrifikation)

 Bei gleichem Reinigungsziel resultieren Energieeinsparungen aus verbesserten Wirkungsgraden bei der Bereitstellung dieser Energie

 Potential O2-Absenkung, ca. 10-15%

 „Einsparpotental“ durch Minimierung der nitrifizierten Fracht

 „Einsparpotential“ durch verringerte Stabilisierung

11

(12)

Randbedingungen, Grenzen

Schlammeigenschaften, Nitrit, Lachgas

 Indikation, das zu starke Absenkung von O

2

-Konzentrationen zur Verschlechterung der Absetzeigenschaften führt

 Schwache Belastung, geringe Konzentrationsunterschiede

 O

2

-Sollwerte nicht unter 0.5 mg/l

 Gefahr erhöhter Nitrit-Ablaufwerte

 Gefahr erhöhter Lachgasemissionen

12 NONITRINOX: BMBF gefördert: (Fördermaßnahme: „Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung (INIS)

(13)

 Vorteil Energieanalyse mit Simulation

Berücksichtigung der dynamischen Auswirkungen auf verfahrenstechnischen Prozesse

Änderungen in den Randbedingungen und in der Prozessführung können simuliert und damit Konzepte zur Verbesserung der Reinigungsleistung und Verringerung des Energieverbrauchs entwickelt werden.

Nutzung des vollen Energieeinsparpotentials durch Mitberücksichtigung Verfahrenstechnik

Keine Energieeinsparung auf Kosten der Ablaufwerte und Betriebsstabilität

 Integrierte Planung mit Simulation erfordert Modelle

Verfahrenstechnik

MSR Funktionalität

Ausrüstung: Sauerstoffversorgung, Pumpen

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

13

(14)

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

14

Verfahrenstechnische Modelle

 Belebtschlammmodelle (ASM3, ASM3biop)

 Absetztmodelle, etc.

 Methoden zur aufwandsarmen Nutzung der Simulation (HSG Simulation, Projekte wie ZAKen)

14

(15)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell

(16)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell

Reaktoren

(17)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter

(18)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter

Schieber

(19)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter Schieber

Gebläse

(20)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter

Schieber

Gebläse

Rohre

(21)

Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter Schieber Gebläse Rohre

Messen

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Modell einer Kläranlage inklusive Belüftungssystem und Regelung

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

Zulaufmodell Reaktoren

Belüfter Schieber Gebläse Rohre

Messen Steuern/

Regeln

(23)

 Beispiele

Verfahrensregler, optimale Sauerstoffprofile

Varianten Belüftungsregelung (Luftversorgung)

Energieanalyse mit Simulation

Simulation als Hilfsmittel zur Energieoptimierung auf Kläranlagen

23

(24)

Varianten Belüftungsregelung

 Simulative Analyse und Einstellvorschläge

Konstantdruckregelung

Gleitdruckregelung

Luftverteilregelung

Alex, J.; Morck, T.; Zettl, U.: Modelltechnische Überprüfung energieeffizienter Luftverteilregelungen bei Druckbelüftung. DWA-GMA-Gemeinschaftstagung "Mess- und Regelungstechnik in abwassertechnischen Anlagen", Kassel, DWA, 2015

(25)

Varianten Belüftungsregelung

Standard:

Konstantdruckregelung

(26)

Varianten Belüftungsregelung

Gleitdruckregelung

MOV – most open valve

(27)

Varianten Belüftungsregelung

Gleitdruckregelung ohne Luftmengenregler

Kr Tn

O2-Regler 0.2 𝑚𝑔/𝑙 15 min

Druck-Regler 50*VN 𝑁𝑚𝐵𝑎𝑟3/𝑑 3 min

MOV-Regler 0.5 𝐵𝑎𝑟 10 min

(28)

Varianten Belüftungsregelung

 Signifikante Energieeinsparungen mit Gleitdruck- und Luftverteilreglungen möglich

 Gleitdruckregelung

sorgfältiges Einstellen der Regler erforderlich

 Luftverteilregelung

Gezielt instabiler Übergang, Stabilisierung bei Erreichen einer Stellbegrenzung

Gute Regelbarkeit, einfacheres Tuning

 Simulation als wichtiges Werkzeug für konzeptionelle Voruntersuchungen,

Detailplanung und Vorbereitung der Inbetriebnahme

(29)

Energieanalyse mit Simulation

Ziel des Projektes: Optimierungspotential auf der Kläranlage Aschersleben?

 Simulationsstudie der Kläranlage Aschersleben

 Modellierung der Energieverbraucher

 Einordnung des spezifischen Energiebedarfs

 Untersuchung von Betriebsführungsvarianten mit dem Ziel der Reduktion des Energieverbrauchs

 Potential für Erneuerbare Energien am Standort?

29

Förderung über Sachsen-Anhalt KLIMA (Maßnahmen des Klimaschutzes und der

erneuerbaren Energien), mit Unterstützung der Landesenergieagentur Sachsen-Anhalt (LENA)

(30)

Energieanalyse mit Simulation

Modell der Kläranlage Aschersleben

30

Belebung, Nachklärung

Statische Eindicker

Regelung

(31)

Energieanalyse mit Simulation Szenarien

31

Szenarien Zielgrößen

1 Austausch der Gebläse Energieeinsparung

2 Veränderte Geschwindigkeit der Rührwerke im

Belebungsbecken Energieeinsparung bei den Rührwerken

3 Aerob --> Anaerobe Schlammstabilisierung

Faulgasmenge und Energiewandlung im BHKW Wärmeerzeugung im BHKW

Energieeinsparung im Vergleich zu aerob Anteil Eigenerzeugung

4 Erneuerbare Energien Integration von PV und Windenergie auf der Kläranlage

Einordnung nach A261: Potential in der Belebung

Grundlegende Anforderung: Einhaltung der Ablaufgrenzwerte

 Szenarien

(32)

Energieanalyse mit Simulation

1. Anpassung der Gebläse /Sauerstoffregelung

 Gebläse für die aktuelle Zulaufbelastung der Anlage zu groß dimensioniert  Simulation mit kleineren Gebläsen (Fa. Aerzen)

32

(33)

Energieanalyse mit Simulation

2. Strömungserzeuger mit geringerer Leistung

 Derzeit relativ hohe Volumenströme in den Schleifenbecken

33

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

40 50 60 70 80 90 100 110

g/m³ Ammonium

g/m ³ Nitrat

% der derzeitigen Rezirkulation

Ablaufwerte Nitrat Ablaufwerte Ammonium

 Ergebnis: Reduktion des max. Nitratwertes und Energieeinsparung

Zusätzliche Überprüfung der veränderten strömungsmechanischen Bedingungen des Beckens notwendig (Schlammabsetzbarkeit)

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34

Energieanalyse mit Simulation

4. Erneuerbare Energien – PV-Ertrag Dachfläche

 Lastspitzen und Verfügbarkeit PV zur gleichen Zeit (nur Dachfläche)

 Verringerung der Lastspitzen in den Sommermonaten möglich

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35

Energieanalyse mit Simulation Optimierungsmaßnahmen

Beispiel:

Verwendung zweier kleiner Gebläse

Reduzierung der Rezirkulation auf 75%

Werte für Größenklasse 4, 10.000 bis 30.000 EW

Spez. Energieverbrauch [kWh/(EW*a)] Richtwert Idealwert IST

nach Optimierungs- maßnahmen

Gesamt 40 31 38 32

Belebung* 31 24 34 28

* inkl. Umwälzung, Rezirkulation, Rücklaufschlamm

0 200 400 600 800 1.000 1.200

IST nach Optimierung

Energieverbrauch gesamt [MWh/a]

Restliche Verbraucher Rezirkulation

Gebläse Einsparung

183 MWh = 17 % des

Gesamtenergieverbrauchs

(36)

Zusammenfassung

Beispielhaft: Effizienz von Belüftungssystemen

 Viele Komponenten verantwortlich für Effizienz

Lufterzeugung: Arbeitspunkte Gebläse, Staffelgestaltung

Regelungsstruktur, variable Drucksollwerte (Gleitdruckregelung)

Eigenschaften der Regelarmaturen

Eigenschaften Belüfter, Eintragseffizienz abhängig von Beaufschlagung

Sauerstoffsollwerte, Ammoniumregelung, variable Zonen

 Optimale Nutzung des Potentials: komplexe, interdisziplinäre Ingenieuraufgabe !

36

(37)

Zusammenfassung

37

Methode: Integrierte Analyse und Planung mit Simulation

Gemeinsame Analyse von:

 biologisches Verfahren

 Druck- Durchfluß, Effizienz Drucklufterzeugung und Verteilung

 MSR-Konzepten

 E-Tarifmodelle

 E-Verbrauch Modelle

Planung in der beschrieben Komplexität, Hebung des vorhandenen Potential, nur

mit Simulation durchführbar. (Alternative Try/Error an der realen Anlage)

Referenzen

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