Prof. Dr. Michael Sievers, CUTEC

BioBZ - Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein

einer energieerzeugenden

Abwasserbehandlungsanlage

ERWAS – Statusseminar

02./03. Februar 2016 - Essen

Überblick

2

 Einleitung

 Arbeitsplan

 Zwischenergebnisse

 Ausblick

Einleitung

Verbleib der chemisch gebundenen Energie – grobe Mittelwerte

Zulauf Klär- anlage

100 %

Zulauf Belebung 70 %

Primärschlamm 30 %

Faulung

Überschuss- schlamm 25 % Ablauf

8 %

Faulgas 27 %

Faul- schlamm 28 % Vor-

klärung

Atmung 37 %

Rücklaufschlamm

Nach- klärung Belebungs-

becken

160 kWh/EW

a

(Basis: 110 gCSB/EW

d, 4 kWh/kgCSB)

Einleitung

Zulauf Klär- anlage

Zulauf Belebung

Primärschlamm

Faulung

Faul- gas

Faul- schlamm Hebewerk,

Sandfang, Vorklärung

Rücklaufschlamm

Nach- klärung, Filtration Belebungs-

becken

Alle Werte in kWh/EW^.a

Rot – Verbrauch (elektrisch) Grün – Energieinhalt (chemisch) Blau – Erzeugung (elektrisch)

160 112

48

13

45 43 40

2 17

1

1 +1 1 2

15

Elektro-Energiebilanz (Gesamt) Verbrauch (opt.) 25 kWh/EW

a Erzeugung 15 kWh/EW

a

Energieströme elektrisch/chemisch auf KA

Einleitung

Gesamtziel und Projektteam

Entwicklung, Untersuchung und Bewertung einer bio-elektrochemischen Brennstoff-

/Elektrolysezelle im Pilotmaßstab.

Foto: Eurawasser Klärwerk Goslar

Einleitung

Funktionsprinzip

6

Arbeitsplan

Arbeitspakete und Herausforderungen

Reaktionskinetik (CSB-Abbau, Effizienz, Mikroschadstoffabbau ..) Verfahrenstechnik

(Stofftransport, Biofilmstruktur ..) Materialien (Elektroden,

Membranen ..)

Konstruktion (Elektrodendesign, Stackaufbau, etc.)

Elektrotechnik

(Zellenverschaltung, Spannungswandlung, Stromspeicherung etc.) Regelungstechnik

(Leistungsmaximum, stabiler Zellenbetrieb ..)

Abwassertechnik

(Anlagenintegration, Jahres-,

Tagesschwankungen Abwasser ..)

Arbeitsprogramm

Arbeitspakete und Herausforderungen

8

Reaktionskinetik (CSB-Abbau, Effizienz, Mikroschadstoffabbau ..) Verfahrenstechnik

(Stofftransport, Biofilmstruktur ..) Materialien (Elektroden,

Membranen ..)

Konstruktion (Elektrodendesign, Stackaufbau, etc.)

Elektrotechnik

(Zellenverschaltung, Spannungswandlung, Stromspeicherung etc.) Regelungstechnik

(Leistungsmaximum, stabiler Zellenbetrieb ..)

Abwassertechnik

(Anlagenintegration, Jahres-,

Tagesschwankungen Abwasser ..)

Ergebnisse zu Wasserstoffproduktion siehe Poster

Ergebnisse zum Mikroschadstoffabbu s. Poster

Zwischenergebnisse zur Wasserstoffproduktion siehe Poster

Zwischenergebnisse zum

Mikroschadstoffabbau

siehe Poster

Zwischenergebnisse

Stromproduktion

Materialentwicklung

Elektrodenmaterial

Herstellungsverfahren für Composit-Elektroden nach

Sandwichbauart entwickelt (Materialbasis Graphit-Polymer Compound)

 Fürs up-scaling sowie für Massenfertigung geeignet

 Anodentypen 1.0 und 2.0 für Laboranlage

 Anodentyp 3.0 für Technikums-/Pilotanlage

Abwasseruntersuchungen

Leistungsentnahme

Unterschiedliche Leistungswerte bei „gleichen“

Zellen

Einzelzellenschaltung á la Photovoltaik sinnvoll

Konstantstromquelle zur Optimierung sinnvoll

CSB-Abbau und Stromproduktion

Vorgeklärtes Abwasser - KA Goslar

Biofilmkonditionierung

Verbesserung der CSB-zu Strom-Wandlungseffizienz

Sekundärer Biofilm

CSB-Abbau: 63,3 ± 10,5 % CE: 37,6 ± 22,3 %

Quartärer Biofilm

CSB-Abbau: 72,8 ± 9,0 % CE: 38,2 ± 12,2

Art. WW 1.0 Biofilm

CSB-Abbau: 49,6 % ± 12,7 % CE: 61,7 ± 11,6

Spannungswandlung und Stromspeicherung

Eigenentwicklung von Prototypen 1.0, 2.0 und 3.0 für konstante Ausgangsspannung von 2,5 V (Eingang 60 bis 200 mV)

U₁= 0,12 V, I_aus1=11,8mA --- U₂=0,15V, I_aus2=15,4mA zwei Wandler mit unterschiedlichen Eingangsspannungen

Konzept und Elektronik für

Zellenverschaltung und

Stromabgabe funktioniert

Grobe Abschätzung Stromerzeugungspotenzial

15

Messung: h Strom/CSB = 0,3

h DC/DC Konverter = 0,6

Annahme: CSB Abbau = 15 bis 60 % von CSB

110gCSB/EWxd (ca. 18 W/EW)

Potenzial: 0,5 bis 2 W/EW

d.h. 1.000 EW – 0,5 bis 2 kW (CSB Abbau 15 bis 60 %) 10.000 EW – 5 bis 10 kW (CSB Abbau 15 bis 30 %) 100.000 EW – 50 bis 100 kW (CSB Abbau 15 bis 30 %)

VORSICHT: Scale-up und Pilotversuch mit belastbarer Technik-

und Kostenbewertung fehlen noch

Grobe Kostenschätzung

Investitionskosten

Analog zu Membrantechnik (s. z.B. Goedicke,

Fluidverfahrenstechnik), da als Hauptkostenfaktor die

Elektroden inkl. Verkabelung und Wandlung angenommen werden können:

K

= K

+ K

= K

+ k

A

 Abgeschätzt: K

/K

= 0,5 .... 0,8

Abschätzung der jährlichen Kapitalkosten

K

= 2

K

(angenommen)

 K

= r

K

(jährliche Kapitalkosten)

 r = q

(q – 1) / q

– 1

mit q = 1+z (z-Zinssatz, n-Abschreibungszeitraum)

Jährlichen Kapitalkosten als Funktion der Elektroden

Basis: 1 m

pro EW - Effizienz: Chemische Energie BSB in Strom

Weiteres Vorgehen

 Konstruktion, Aufbau Pilotanlage bis

5/2016(6 m

Volumen, 100-200 m

El.-Fläche, Durchsatz 5 m

/h)

 Betriebsversuche

Klärwerk Goslar - bis 4/2017

 Bewertung Technik,

Kosten

20

Foto: Eurawasser Klärwerk Goslar

Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit