Dynamische Simulation zur

(1)

Philipp Pyro, Inka Hobus, Gerd Kolisch

Dynamische Simulation zur

Bereitstellung von Flexibilität durch Abwasserreinigungsanlagen

E-Mail: ppo@wupperverband.de Tel.: 0202 / 583 109

(2)

Inhalt

Grundlagen

 Motivation und Vorgehen

 Definition Flexibilität

 Vorstellung KA Radevormwald

Simulation

 Modellaufbau

 Restriktionen

 Ergebnisse Langzeitsimulation

 Schnittstelle: Simulation Verteilnetz

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Motivation für einen flexiblen Kläranlagenbetrieb

• Ausbau erneuerbarer Energien

→ führt zu Schwankungen bei der Stromproduktion

→ daraus ergibt sich ein Bedarf an Flexibilität

→ Zielsetzung daher: Kläranlagen als Dienstleister für Flexibilität im virtuellen Kraftwerk

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Kopplung der KA-Simulation mit Markt- und Netzanalyse

Marktanalyse Kläranlagen-Simulation Stromnetz-Simulation

Ziel Preis-Optimierung und Anreizsignale Methode Zeitreihen-Analyse

Ziel Flexibilitäts-Regelung mit Anlagen-Restriktionen Methode ASM

Ziel Analyse von Grenzwert-

verletzungen und Flex-Bedarf Methode Lastflussberechnungen

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Flexibilität

Strom- überschuss Strom-

defizit

Verbraucher abschalten (z.B. Gebläse)

Erzeuger anschalten

(BHKW)

Verbraucher anschalten (z.B.

Entwässerung)

Erzeuger abschalten

(BHKW)

Positive Flexibilität

Negative Flexibilität Netz

Kläranlage

Netz

Kläranlage

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Flexibilität: Regelenergiemarkt

• Primärregelleistung (PRL)

• Sekundärregelleistung (SRL)

 Aktivierungszeit: < 5 min.

 Dauer: Wenige Sekunden bis Minuten

• Minutenregelleistung (MRL)

 Aktivierungszeit: < 15 min.

 Dauer: 15 Minuten bis mehrere Stunden

(7)

Signale MRL aus Marktanalyse

Herbst ^Winter

21 22 23

Winter Frühjahr Sommer

15 16 17 18 19 20 9 10 11 12 13 14

Uhrzeit

0 1 2 3 4 5 6 7 8

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KA Radevormwald

Anschlussgröße: 67.000 E Anaerobe Stabilisierung Maßgebliche Verbraucher:

• Gebläse: ∑ 445 kW

• Rücklaufschlammpumpen 3 x 30 kW

Energieerzeugung:

• BHKW: 2 x 80 kW

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Untersuchung in der Praxis mit Abschaltversuchen

• Integration in ein virtuelles Kraftwerk

• 3x technische Einheiten

(Gebläse, Rücklaufschlammpumpen, BHKW)

• Versuche über mehrere Tage nach externen MRL-Signalen

→Präqualifikation erfolgreich

→Ablaufqualität nicht beeinträchtigt

Kommunikationsbox

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Fragestellung Langzeitsimulation

• Welche Leistung wird ab/angeschaltet?

• Welche Restriktionen greifen wie oft?

• Restriktionen sinnvoll gewählt?

• Auswirkungen auf Reinigungsleistung?

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Modellaufbau

Bausteine für Verarbeitung Flexibilität

Faulungsmodell (nach Siegrist) ASM1

Faulgasspeicher mit BHKW

Erweiterte Bausteine für PtG

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Validierung der Ablaufkonzentrationen

0 1 2 3 4 5 6 7 8

01.01.2014 20.02.2014 11.04.2014 31.05.2014 20.07.2014 08.09.2014 28.10.2014 17.12.2014 NH4-N Ablauf NKB [mg/l]

NH4-N_real NH4-N_Modell

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Simulierter und gemessener Stromverbrauch

Verbrauch Leistung Verbrauch Leistung

kWh/a kW kWh/a kW

Rechen ^2.612 ^0,30 ^2.628 ^0,30

Sandfang 19.274 2,20 18.967 2,17

Vorklärung (inkl. PS-Pumpe) ^14.203 ^1,62 ^13.578 ^1,55

Belüftung 799.373 91,25 793.549 90,59

Umwälzung ^86.678 ^9,89 ^87.892 ^10,03

Rezirkulation ^52.773 ^6,02 ^48.913 ^5,58

Rücklaufschlammförderung 218.174 24,91 218.533 24,95

Nachklärung Nachklärung ^48.770 ^5,57 ^48.793 ^5,57

Fällmittel-

dosierung Fällmitteldosierung 1.782 0,20 1.752 0,20

Voreindickung (PS) ^1.994 ^0,23 ^2.015 ^0,23

ÜSS-Abzug und Voreindickung* 37.657 4,30 23.460 2,68

Faulung ^190.606 ^21,76 ^193.314 ^22,07

Nacheindickung ^1.648 ^0,19 ^1.664 ^0,19

Entwässerung 34.587 3,95 35.960 4,10

Sonstiges ^112.575 ^12,85 ^126.932 ^14,49

Summe 1.622.708 185,24 1.617.951 184,70

*Real wird kontinuierlich ÜSS in die VK gefördert, dieser Mehrverbrauch wird im Modell unter "Sonstiges" mitberücksichtigt

Schlamm- behandlung

Rade 2014 Energieanalyse

Simulation_Ist-Zustand 2014

Verfahrens-

gruppe Aggregategruppe

Mechanik

Biologie

Gute Übereinstimmung

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Flexibilisierte Aggregate

Positive Flexibilität

Negative Flexibilität Verbraucher:

Gebläse P -

Rücklaufschlammpumpen P -

Rezirkulationspumpen P -

Mech. ÜSS-Eindickung - P

Erzeuger:

BHKW P P

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Berücksichtigung von verfahrenstechnischen Restriktionen

KA_zu VK BB NK KA_ab

RS PS

ÜS Seihband ED

BHKW Prozesswasser

ED

FB

Speicher Speicher

RZ

REZI-PUMPEN t_Reg: 30 min.

Rest. 1: Nitrat (c_BBab,NO3)

GEBLÄSE

t_Reg: 15 min.

t_max 120 min.

Rest. 1 Ammonium (c_BBab,NH4)

Rücklaufschlammpumpen t_Reg: 60 min.

t_max 120 min.

Rest. 1: Wassermenge

Blockheizkraftwerk (BHWK +/-) t_Reg: 5 / 30 min.

t_min 60 / 5 min.

Rest. 1: max. Füllstand Speicher Rest. 2: min. Füllstand Speicher Rest. 3: max. Schaltzyklen Mech. ÜSS-Eindickung t_Reg: 15 min.

t_min 120 min.

Rest. 1: TS-Gehalt BB

Rest. 2: max. Schaltvorgänge Rest. 2: Uhrzeit

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Flexibilitätsbaustein (Bsp. Gebläse)

Prüfung NH4 Festlegung Restriktionen

Ext. Signal

Prüfung Regeneration

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Flexibler Betrieb der Gebläse im Modell

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1

0 1 2 3 4 5 6

6:30 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30

Konzentration [mg/l]

O2 Ablauf BB NH4-N Ablauf BB Externes Signal Abschalten

Restriktion NH₄-N = 3 mg/l

max Abschaltdauer = 2h

Regenerations- zeit = 15 min.

Max. NH4-N- Konz. erreicht

(18)

Zeitpunkte der Restriktionen über ein Jahr

Uhrzeit

0 1 2 3 4 5 6 7 8

20 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

21

(19)

65%

Rezirkulationspumpen

Abrufe Max. Abschaltdauer Regenerationszeit NO3

Anteil der Flexibilität und Restriktionen über ein Jahr

97%

Gebläse

Abrufe Max. Abschaltdauer Regenerationszeit NH4-Grenzwert

68%

Rücklaufschlammpumpwerk

Abrufe Max. Abschaltdauer Regenerationszeit Qzu

88%

BHKW positiv (zuschalten)

Abrufe Max. Laufzeit

Regenerationszeit Speicherfüllstand

Anzahl Schaltungen Bereits alle BHKW betrieben Mindestlaufzeit

(20)

Flexibilitätspotential als Resultat der Simulation

11%

48%

41%

Anzahl der abgeschalteten Aggregate bei Marktsignal (MRL 2035)

0. Aggregate 1. Aggregat 2. Aggregate 3. Aggregate

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 50 100 150 200 250 300

Häufigkeit

Abgeschaltete Gesamtleistung [kW]

Aggregatemanagement: Abgeschaltete Gesamtleistung

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Mittlere Leistung [kW]

Mittlere abgeschaltete Leistung (pro Aggregat)

Gebläse

Rücklaufschlammpumpen

Rezirkulationspumpen

(21)

Bei den gewählten Restriktionen ausreichende Ablaufqualität

0 1 2 3 4 5 6 7 8

NH 4-N Ablauf Nachklärung [mg/l]

V0 NH4-N [mg/l]

Überwachungswert NH4-N: 8 mg/l

0 1 2 3 4 5 6 7 8

NH 4-N Ablauf Nachklärung [mg/l]

MRL 2035 NH4-N [mg/l]

Überwachungswert NH4-N: 8 mg/l

(22)

Schnittstelle: Simulation Verteilnetz

• Simulation des örtlichen Verteilnetz durch Uni Wuppertal

• Übergabe des Leistungsbedarfs aus dem KA Modell

→Auswirkungen des flexibilisierten Betriebs auf das lokale Netz

(23)

Schnittstelle: Simulation Verteilnetz

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

Entnahme -Einspeisuung [MW]

MRL 2035 [MW] Einspeisegrenze [MW] Entnahmegrenze [MW]

Korridor für Netzkapazität (im Verteilnetz) Aus Gründen der Netzkapazität kann eine netzdienliche Fahrweise notwendig werden (zu viel Strom im Verteilnetz)

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Fazit

• Mit Praxisversuchen kann die Machbarkeit einer Flexibilisierung gezeigt werden

• Mit der Simulation wird das Potential im Dauerbetrieb aufgezeigt

• Aus dem Potential kann ein wirtschaftlicher Nutzen berechnet und dieser den Kosten für die Flexibilisierung gegenübergestellt werden

• Ausblick:

Effekte auf das Verteilnetz können durch die Kopplung der KA Simulation mit der Netzsimulation untersucht werden

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Anschrift Verfasser:

Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft M.Sc Philipp Pyro

Untere Lichtenplatzer Str. 100 42289 Wuppertal

Tel.: 0202 / 583 109

E-Mail: ppo@wupperverband.de