für den Transformationsprozess

(1)

E ntwicklung und Integration innovativer

Klär anlagentechnologien

für den Transformationsprozess

in Richtung Technikwende

(2)

ERWAS Abschlusskonferenz - 15./16.05.2017 2

Projektstruktur

Innovative Technologien für energieeffiziente und ressourcenschonende Kläranlagen

Umsetzungsstrategien und Werkzeuge für Infrastrukturplanung

Methodik für Transformation zur energieeffizienten,

robusten „Kläranlage der Zukunft“

(3)

► Hintergrund:

 Lange Nutzungsdauer gebauter Infrastruktur legt verfahrenstechnische Ausrichtung der Kläranlage langfristig fest

 Investitionsentscheidungen sind vor dem Hintergrund unsicherer, zukünftiger

Anforderungen an Kläranlagen und sich verändernder Rahmenbedingungen zu treffen

 Die im Abwasser chemisch gebundene Energie wird unzureichend genutzt

► Ziele:

 Nutzung von Chancen neuer Technologien

 Reduzierung des Risikos von kostenintensiven Fehlplanungen

 ► Strategische Infrastrukturplanung

Hintergrund und Ziele

(4)

► Strategische Infrastrukturplanung muss



kläranlagenspezifisch, einzugsgebietsumfassend und



aufgrund von Unsicherheiten durch lange Planungshorizonte in einen rollierenden Controllingprozess eingebunden sein

► Unterstützung des rollierenden Prozesses durch angepasste Werkzeuge:



Ganzheitliches KA-Stoffflussmodell erweitert um Energie und Modulbibliothek



„Prognosedatengenerator“ zur Bereitstellung kläranlagenspezifischer Zulaufdaten für strategische Infrastrukturplanung (Planungszeitraum z.B. in E-Klär: ~ 50 Jahre)



Werkzeug zur Berechnung der Eingangsgrößen für die Bewertung verschiedener Infrastrukturkonzepte (in E-Klär: kWh_Fremd/a, €Jahreskosten/a)

► Vernetzung betriebsseitig vorliegender Finanzdaten mit den Prognosedaten zur Erstellung von Investitionspfaden

Kernbotschaften zur Infrastrukturplanung

setzung ^Um-

(5)

► Zwei szenarienbezogene Planungsschritte als Basis der entwickelten Methodik:

 Festlegung des strategischen Ziels

 Festlegung des „ersten“ Umsetzungsschritts

► Empfehlung folgender Bewertungen zur Festlegung der Planungsschritte:

 Für das strategisches Ziel:

–

Nutzwertanalysen

–

Technologische Stabilitätschecks

–

Bayes‘sche Netze

 Für den „ersten“ Umsetzungsschritt:

– Zweiseitige Robustheitsprüfung der erstellten Investitionspfade hinsichtlich möglicher Strafkosten bei Fehlentscheidungen

Kernbotschaften zur Methodik

^Methodik

(6)

► Verbesserte Verwertung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen:



Feinsieb, zweistufige biologische Verfahren sowie chemisch unterstützte Vorklärung steigern die Ausschleusung der im Abwasser enthaltenen Energie ( energetische und wirtschaftliche Vorteile)



Durch Thermodruckhydrolyse oder Co-Substrat-Zugabe steigt die Faulgasausbeute, zugleich tritt eine erhöhte Nährstoffrückbelastung sowie eine finanziell bedeutende, verbesserte Entwässerbarkeit auf



Die Integration „kohlenstoffneutraler“ Stickstoff-Eliminationsverfahren (Deammonifikation) ist Voraussetzung für eine vermehrte Kohlenstoffausschleusung



Wertstoffe werden mit innovativen Verfahren wie Feinsiebgutwäsche verstärkt zurückgewonnen

► Erhöhte Energieeffizienz

(z.B. durch die im Projekt optimierte Schneckenpresse)

► Steigerung des Eigenversorgungsgrads von Kläranlagen

, wobei eine Schärfung zukünftiger Anforderungen diese Verbesserungen teilweise reduzieren würde

Kernbotschaften zu innovativen Technologien

^Techno-_logien

(7)

Strategische Infrastrukturplanung

► Zwei Planungsschritte zur „Kläranlage der Zukunft“

1. Zieldefinition: Zukünftiges energieeffizientes Anlagenkonzept

Was ist ein zukünftiges, robustes Anlagenkonzept für eine spezifische Kläranlage unter Berücksichtigung zukünftiger Unsicherheiten?

2. Transformationsprozess

Wie/Wann erfolgt die Anpassung der Ist-Anlage zum zukünftigen Anlagenkonzept?

► Notwendigkeit eines Controllingansatzes:

Regelmäßige Wiederholung/ Überprüfung der Planungsschritte zur Anpassung an im Zeitverlauf neu gewonnene Erkenntnisse

setzung Methodik

(8)

❶ Zieldefinition durch Betreiber E-Klär:

a) Energieeffizienz b) Wirtschaftlichkeit

c) Risikovermeidung als ergänzende Zielstellung

Abgeleitete

Bewertungsindikatoren:

a) Minimaler Fremdenergiebezug [kWh_Fremd/a]

b) Minimale Jahreskosten [€/a

]

Controllingprozess

setzung Methodik ^Um-

Prognose- jahr

„2050“

Generierung Prognosedaten

Berechnung Bewertungsindikatoren

für Transformationspfade

Erstellung Transformationspfade Kontrolle

Ist-/Prognosewert

Zieldefinition

Berechnung Bewertungs-

indikatoren im Prognosejahr

❶

Festlegung/Anpassung

„erster“

Umsetzungsschritt

Festlegung/Anpassung strategisches

Ist ~ 50 a Ziel

Prognosezeitraum

(9)

❷ Generierung von Prognose- daten mit Tool als Eingangs- daten für Berechnungen Entwickelt:

Werkzeug zur Generierung zukünftiger KA-Zulaufbelastung:

a) Zukünftige Bemessungswerte für Invest-Abschätzung

b) Zukünftige Jahresgänge für Betriebsmittelverbräuche/-kosten

Controllingprozess

setzung

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(10)

Werkzeug: Zulaufdaten-Prognosetool

► Berechnung kläranlagenspezifischer Prognosedaten auf Basis

historischer Zulaufdaten und Vorgabe externer Rahmenbedingungen

• Vorteile aus Nutzung historischer Daten:

 Wissen über spez. Kläranlagen direkt in Planungsprozesse einbindbar

 Schnittstelle Prognosewerkzeug zu Prozessdaten (PLS-Einbindung, z.B. über Berichtswesen), Plausibilitätskontrollen

 Aktuelle Überprüfung Ist/Prognose für Bewertung laufender Planungen

•

Parametrisierung: Zukünftige Veränderungen

externer Rahmenbedingungen (Szenarienbeschreibung)

 Erwartete Einwohnerzahl

 Erwarteter Kanalzustand, Anteil befestigter Fläche

 etc.

Um- setzung

Tool-Entwurf

(11)

Berechnung Bewertungs- indikatoren (kWh

_Fremd

/a, €/a) mit spez. Kläranlagenmodell:

 für zukünftige Ausbau- konzepte im Prognosejahr

Entwickelt:

Erweitertes KA-Stoffflussmodell

(und Kostenmodell)

Controllingprozess

setzung

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(12)

► Ganzheitliches Kläranlagen-Stoffflussmodell

• Erweiterung um Energie

• Umfangreiche Modulmodulbibliothek mit innovativen Verfahren

mit Verfahrensbeschreibung, Bemessungshinweisen, Stoffströmen, Energieebene, Kostenangaben

 softwareunabhängig formuliert

 als Anhang zum Abschlussbericht

• Beispielhafte Umsetzung der neuen Module in Software WEST

Werkzeug: Erweitertes KA-Stoffflussmodell

^Techno-_logien setzung ^Um-

(13)

► Ausschleusung chemisch gebundener Energie

•

Rechengutwaschpresse (großtechnisch)

 CSB-Ausschleusung gering

 Rechengutmenge verringert

•

Chemikalieneinsatz in Vorklärung (Labor)

 bis 60% CSB-Ausschleusung

•

Adsorption in zweistufigen, biologischen Verfahren

 Ausschleusung von 40-50% des CSB_ges

 Ausschleusung von 15-20% des CSB_gelöst

•

Feinsieb statt Vorklärung (großtechnisch)

 Ausschleusung von CSB: 50% und AFS: 60%

30 % Elimination

50 % Elimination

70 % Elimination

0 100 200 300 400 500 600 700

0 200 400 600 800 1000 1200

CBShomAblauf [mg/l]

CSBhomZulauf [mg/l]

Brilon Sundern Iserlohn-Letmathe

Innovative Verfahren

^Techno-_logien

CSB-Ausschleusung mit Feinsieb

(14)

► Nutzung chemisch gebundener Energie

•

Faulung des Feinsiebguts mit Überschussschlamm

 leicht erhöhte Biogasausbeute (+4%)

•

Thermodruckhydrolyse und Faulung des Schlammes

 erhöhte Gasausbeute (+20%)

 höhere Nährstoffrückbelastung (CSB, N, P)

 bessere Entwässerbarkeit (+2 bis +8%_TR)

 erhöhter spez. Polymerbedarf (+33 bis +75%)

•

Entwässerung mittels Schneckenpresse mit Bogensieb

 vergleichbare Entwässerungsergebnisse

 Nur 6% spez. Stromverbrauch einer Zentrifuge

 Konditionierung mit Biopolymeren möglich (bei 3x höherer Dosis)

Innovative Verfahren

^Techno-_logien

(15)

► Teilstromdeammonifikation zur Stickstoffelimination

•

Entwicklung ASM_DEAMMO durch Erweiterung ASM3 um zweistufige Nitrifikationsprozesse und anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox)

•

Identifikation von Hemmpotenzialen durch Batch-Tests

 keine Hemmungen bei Prozesswässern aus TDH nachweisbar

 bis zu 50% Hemmwirkung bei Brüdenkondensaten aus Schlammtrocknung

•

Einsparpotenzial durch Einsatz Deammonifikation

 Reduzierung Sauerstoffbedarf um 60% auf 1,9 kgO₂/kgN_elim

 verringerter Energiebedarf (<1,5 kWh/kgN_elim)

 rein autotropher Prozess  damit C-Einsparung ~ 5,5 kgC/kgN_elim

Innovative Verfahren

^Techno-_logien

(16)

•

Durch Chemikalienzugabe in der Vorklärung

 zusätzliche Spurenstoffelimination von 0 – 60%

•

Durch TDH

 einige Spurenstoffe weitgehend eliminiert, andere in die Flüssigphase überführt

•

Durch Faulung

 partielle Rücklösung vieler Spurenstoffe

•

Durch Teilstromdeammonifikation

 keine eindeutige Ergebnisse

► Auswirkungen veränderter Zulaufbedingungen auf Spurenstoffelimination und Desinfektion

Innovative Verfahren

^Techno-_logien

Konzentrationsänderung in Flüssigphase

(17)

Festlegung/Anpassung des strategischen Zieles

 mit hohem

Orientierungswert trotz Unsicherheit

 unter Berücksichtigung von innovativen Technologien

Festlegung des „strategischen Ziels“

^Methodik

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(18)

Szenarientrichter

• Bevölkerung, Haushaltsgröße, Wirtschaftsstruktur, Niederschlag, Temperatur, entwässerte Fläche

• Energiepreis, Zins, …

• Rechtlichen Regelungen (Hygienisierung, ...)

Bsp. Wickede: 9 Szenarien

Festlegung des „strategischen Ziels“

^Methodik

► Kopplung von Szenarien zu externen Faktoren und Prognosetool

• Szenarienentwicklung

• Vereinfachter, szenarienbasierter Vergleich für 2050

 Nutzwertanalysen

 Szenarienübergreifende Stabilitätschecks

• Bayes‘ sche Netze als mögliches Instrument zur Zielsuche

(19)

► Eingrenzung des strategischen Ziels am Beispiel KA Wickede (20.000 EW)

• Externe Rahmenbedingungen für spez. Kläranlage:

1. Trinkwassergewinnung wenige Kilometer unterhalb der Einleitung 2. Energiepreise – Erhöhung des Eigenversorgungsgrads

• Mögliche zukünftige Ausbaukonzepte (strategisches Ziel) für spez. Kläranlage:

Aerobe Stabilisierung

Umstellung auf anaerobe Schlammbehandlung

Weiterführende Optimierung der Schlammbehandlung durch Einsatz innovativer Verfahren (z. B. TDH, Feinsieb)

Ozonung

Techno- logien

Um- setzung

Festlegung des „strategischen Ziels“

(20)

Erstellung Transformationspfade Berechnung der Bewertungs-

indikatoren (€/a) für Transformationspfade Entwickelt:

Kostenmodell zur Abschätzung von Kostendaten

(Investition/Betriebskosten)

aller möglicher Ausbauschritte Vernetzung vorhandener

Finanzdaten

(u.a. Restbuchwerte)

mit berechneten Kostenwerten

 Investitionspläne

Controllingprozess zur Infrastrukturplanung

setzung ^Um-

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(21)

Festlegung des „ersten“ Umsetzungsschrittes

Festlegung/Anpassung des

„ersten“ Umsetzungsschritts mit Robustheitsprüfung Unter Berücksichtigung:

a) des strategischen Zieles b) der Ausgangssituation c) der vielfältigen

Entwicklungsunsicherheiten

Methodik

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(22)

► Bewertungsschritte

• Kosteneffizienz der Transformationspfade (dynamische Kostenvergleichsrechnung)

• Robustheit des ersten Umsetzungsschrittes – anhand Folgekosten bei fehlerhaften Prognose der externen Rahmenbedingungen

Festlegung des „ersten“ Umsetzungsschrittes

^Methodik

(23)

Kontrolle: Fortlaufender Vergleich der Ist-Werte mit berechneten Prognosewerten Fortlaufende Möglichkeit zur

Anpassung an im Zeitverlauf neu gewonnene Erkenntnisse

(z.B.

Entwicklung Bevölkerung)

:

 Anpassung strategisches Ziel

 Anpassung Transformations- pfade

Controllingprozess zur Infrastrukturplanung

setzung

„2050“

Zieldefinition

„erster“

Ist ~ 50 a Ziel

❶

(24)

ERWAS Abschlusskonferenz - 15./16.05.2017 24 Peer-reviewed Veröffentlichungen

Kaless, M.; Palmowski, L.; Pinnekamp, J. (2017): Carbon Recovery from Screenings for an Energy Efficient Wastewater Treatment. Submitted to Water Science and Technology, Mai 2017

Mousel, D.; Kaless, M.; Görlich, C.; Pinnekamp, J.; Palmowski, L. (2017): Influence of innovative wastewater treatment technologies on micropollutant concentrations. Abstract submitted for the 10^th Micropol & Ecohazard Conference, 17. – 20. September 2017, Wien, Österreich

Kaless, M.; Palmowski, L.; Pinnekamp, J. (2016): Sieving Wastewater for Energy Efficient and Resource Saving Wastewater Treatment. Accepted for oral presentation at the IWA Specialist Conference on sludge management SludgeTech 2017, 9.-13.7.2017, London, UK

Kaleß, M.; Palmowski, L.; Ruppelt, J.; Pinnekamp, J. (2016): The Carbon Balance of a WWTP: Possibilities and Limitations for Improving the Energy Efficiency. 2^nd IWA Conference on Holistic Sludge Management, Malmö, Schweden, 7.-9.6.2016

Kaleß, M.; Koyro, T.; Palmowski, L.; Pinnekamp, J. (2016): Energy Efficient Wastewater Treatment -- Recording And Washing Screenings For Carbon Recovery. IWA World Water Congress, Brisbane, Australien, 9.-14.10.2016

Mikeska, M.; Beier, M.; Rosenwinkel, K.-H. (2016): Evaluation of inhibitory effects on nitritation processes by vapour condensates from sewage sludge drying by means of OUR- Measurement in aerobic batch tests. Poster auf der 8th Eastern European YWP-Conference (IWA) “Leaving the Ivory Tower – Bridging the Gap between Academia, Industry, Services and Public Sector” am 12-14.05.16 in Gdansk

Kaleß, M.; Pinnekamp, J. (2015): Energy-efficient wastewater treatment in a two-stage activated sludge process. Energy Science and Technology (EST 2015), 20. – 22.05.2015, Karlsruhe, S. 161

Beier, M.; Manig, N.; Thöle, D. (2015): Evaluation of energy efficient wastewater treatment concepts of the future using a plant-wide modelling approach. Energy Science and Technology (EST 2015), 20. – 22.05.2015, Karlsruhe, S. 415

Pinnekamp, J.; Keysers, C.; Kaleß, M. (2015): Kohlenstoffausschleusung durch biologische Vorbehandlung zur Steigerung der Energieeffizienz – neue Perspektiven für das AB- Verfahren. Vortrag im Rahmen der 11. Aachener Tagung Wassertechnologie, 27. – 28.10.2015, Aachen, S. 429-440

11 Vorträge, 4 Poster

4 Dissertationen in Vorbereitung

Veröffentlichungen aus dem Projekt

(25)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

www.e-klaer.de

Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp Dr.-Ing. L. Palmowski ISA, RWTH Aachen (Projektkoordination)

Dr.-Ing. M. Beier

ISAH, Leibniz Universität Hannover

Dr. S. Geyler

IIRM, Universität Leipzig