ESiTI Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur

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ESiTI

Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft:

Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch

15./16. Mai 2017 – ERWAS-Abschlusskonferenz – Berlin

Christian Schaum, Robert Lutze, Johannes Rühl, Markus Engelhart in Kooperation mit dem gesamten Projektteam von ESiTI

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Die Projektidee

Abwasser

[Foto: www.entega.ag]

gereinigtes

Abwasser

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Das Arbeitsprogramm

3 ERWAS-Abschlusskonferenz | 15./16. Mai 2017 | Berlin

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Das Team

14 Projektbesprechungen im Gesamtverbund

Diverse Abstimmungsgespräche

Umfrage mit 200 Beteiligten

Seminar und Workshop

Stakeholder-Workshops

Workshop Energieszenarien

…

 Betrieb von 2 halbtechnischen Versuchsanlagen

 Betrieb von mehreren Laborreaktoren

 Durchführung von diversen Laborversuchen

 Präsentationen/Veröffentlichungen auf diversen nationalen und internationalen Tagungen

 …

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Anforderungen der Energiewirtschaft

Anforderungen durch Energiewende

- Ausstieg aus Kernkraft

- Reduzierung fossiler Stromerzeugung - Erhöhung Anteil erneuerbare Energien

Herausforderungen

- Änderung des Kraftwerkparks

- Erneuerbare Energien  zukünftig hohe Volatilität

Nachfrage/ Bedarf an Flexibilität  Lastausgleich/ Lastmanagement  Regelenergie

 Residuallastglättung (Spotmärkte)

…Chance für Kläranlagen zur Interaktion?

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Abwasserbehandlung:

 Aggregate

(Pumpen, Gebläse etc.)

 Zulauf-/

Prozesswasserspeicher

 …

Flexibilitätsbausteine auf Kläranlagen

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Klärschlammbehandlung:

 Aggregate

(Pumpen, Entwässerung etc.)

 Beschickung Faulung und damit Erzeugung Faulgas im Tagesgang

 Blockheizkraftwerk

 Monoklärschlammverbrennung

 Faulgasaufbereitung und Einspeisung

 …

Abwasserbehandlung:

 Aggregate

 Zulauf-/

 …

Flexibilitätsbausteine auf Kläranlagen

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Flexibilitätsbaustein: Konventionelle Faulung

0 20 40 6080 100 120 140160 180 200

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Volumenstrom [L/h, NL/h]

Zeit [hh:mm]

Überschussschlamm Faulgas

0 5 10 15 20

0 20 40 60 80 100

0 24 48 72 96 120 144

Massenstrom [kg oTR zugeführt/h]

Faulgasvolumenstrom [NL/h]

Zeit [h]

Faulgas Zulauf

Bedarfsorientierte Faulgaserzeugung -

stoßweise Beschickung Status Quo

-

kontinuierliche Beschickung

Flexibilisierung der

Faulgasproduktion

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Flexibilitätsbaustein: Co-Substrate

Schnelle Faulgasumsetzung

 geringere Vorlaufzeit

Hohe Variation des Faulgasvolumenstroms

 in Abhängigkeit Co-Substrat-Anteil

Aber:

Gewährleistung Betriebsstabilität bei schwankenden Belastungen

0 50 100 150 200 250

0 4 8 12 16 20

spez. Faulgas- erzeugungsrate [NL/(kg oTR zu∙d)]

Zeit [d]

PS+ÜSS ÜSS Co-Substrat

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 0,4 0,7 0,9

rel. Std.- Abweichung [-]

CSB_co/CSB_gesamt [-]

CSB-Fracht Org. Säuren

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Steigerung der Prozessstabilität durch Anreicherung langsam wachsender methanerzeugender Mikroorganismen

Flexibilitätsbaustein: Faulung mit Biomasseanreicherung

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 5 10 15 20 25

Y CH4, AnMBR/ Y CH4, konvent., 20d [-]

SRT [d]

konventionelle Faulung SRT/HRT=1,0

SRT/HRT=1,25 SRT/HRT=1,5

Y CH4 / Y CH4,konv.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 5 10 15 20 25

Y CH4, AnMBR/ Y CH4, konvent., 20d [-]

HRT [d]

konventionelle Faulung SRT/HRT=1,0

SRT/HRT=1,25 SRT/HRT=1,5

Y CH4 / Y CH4,konv.

Schnelle Abbaugeschwindigkeit

 Verringerung des Faulraumes

Anreicherung langsam wachsender methanerzeugender Mikroorganismen

 Steigerung Prozessstabilität

 Anpassung der Schlammbelastung bei flexiblen Zulaufvolumenstrom

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Flexibilitätsbaustein: Thermodruckhydrolyse (TDH)

Steigerung der Faulgasausbeute

Verbesserung der

Entwässerungseigenschaften

Speicherfähigkeit des Hydrolysats

Wärmesenke Aber

Freisetzung refraktärer Substanzen Lösung: Einsatz Oxidationsmitteln?

Kein signifikanter Einfluss auf refraktäre Substanzen

Negative Effekte auf Faulgasausbeute

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spez. Energiedichte [kWh_el/m³]

Primärschlamm – 7 % TR 50

Co-Substrat – 20 % TR 200

Faulgas – 65 % CH₄ 1,9

Lithium-Ionen-Akku > 200

Speicher:

 Rohschlamm/Co-Substrate

 Faulgas

 (Zulauf-/Prozesswasserspeicher)

 Kurzzeitspeicher/

Batterien/Elektromobilität

 …

 Aggregate

 …

Flexibilitätsbausteine auf Kläranlagen

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Weitere Bausteine:

 Windkraft und Photovoltaik

 Technologien zur

Umwandlung von Strom in Wärme oder chemisch gespeicherter Energie

 …

Speicher:

 Rohschlamm/Co-Substrate

 Faulgas

 (Zulauf-/Prozesswasserspeicher)

 Kurzzeitspeicher/

Batterien/Elektromobilität

 …

 Aggregate

 … Abwasserbehandlung:

 Aggregate

 Zulauf-/

 …

Flexibilitätsbausteine auf Kläranlagen

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Variantenuntersuchung

am Beispiel des ZKW Darmstadt

Variante 1 Variante 2A Variante 2B Variante 3

Bezugsjahr 2015 2030 2030 2030

EW 175.000 190.000 190.000 190.000

Reinigungsstufen Mechanische und biologische Stufe

+ 4. Reinigungs- stufe

Schlammbehandlung Anaerobe Stabilisierung mit Co-Vergärung

+ thermische Verwertung (extern)

+ Phosphor- rückgewinnung

+ thermische Verwertung

(integriert) + Phosphor- rückgewinnung

+ TDH + thermische

Verwertung (integriert) + Phosphor- rückgewinnung Externer Energiebedarf

[MWh/a]

2.660 1.300 820 90

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Untersuchte Technologien Variante 3

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► „Ist-Zustand“

 Gasgeführter Betrieb BHKW

 Strombezug nach Bedarf

► Lastmanagement

 Ausgleich von Lastspitzen im Tagesgang (Flexible Verbraucher bzw. Aggregate)

 Anpassung Stromerzeugung und -verbrauch (Erhöhung bspw. durch Co-Vergärung)

► Energiemarkt

 Reaktion auf Preissignale im Markt (Residuallastglättung)

 Reaktion auf ungeplante, energiewirtschaftliche Ereignisse

Bezug

Identifizierung von Betriebsstrategien für Variante 3

Erzeugung

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Intelligentes Strom- UND Wärmemanagement für jede Betriebsstrategie

Wärmeerzeugung Wärmebedarf

Unterscheidung HT > 300°C und NT < 90°C

Herausforderung:

- Tages-/Jahresgang

- Erhöhung Flexibilität Strom

BHKW

Verbrennung TDH

Trocknung

ORC

Faulung

Kälte

Kessel

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624

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

kg CO2-Äqv./Mg TS

Nettoergebnis incl. Abwasserreinigung Abwasserbehandlung

entgangene Gutschriften Gutschriften

Speiseresteaufbereitung / Transport Monoverbrennung

Mitverbrennung

Transport zur therm. Behandlung Konventionelle Schlammbehandlung

Variante 1: IST-Zustand 2015

Ökobilanzielle Analyse

453

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

kg CO2-Äqv./Mg TS

Nettoergebnis incl. Abwasserreinigung Abwasserbehandlung / Strom / Wärme

entgangene Gutschriften Gutschriften

Speiseresteaufbereitung/Transport Monoverbrennung (Vor-Ort)

TDH Konventionelle Schlammbehandlungsprozesse

Variante 3: mit TDH und Monoverbrennung (Vor-Ort)

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Elemente und Treiber einer energiewirtschaftlich

orientierten Klärschlammbewirtschaftung

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Multikriterielle Bewertung

Validiertes und gewichtetes Kriterienset aus Befragung von 200 Experten

Transfer und Bewertung anhand des Kriteriensets am Beispiel des ZKW

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Transfer: Erarbeitung eines Leitfadens

Identifizierung von Maßnahmen - Speichermanagement

- Flexibilisierung des Stromverbrauchs - Flexibilisierung der Stromerzeugung

Ermittlung der Flexibilitätssteigerung und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Auswertung von Energiedaten im Tagesgang: Ermittlung flexibler Aggregate

Ermittlung von Kennzahlen zur Flexibilitätskapazität im IST- Zustand

Bestandsaufnahme der Energiespeicher im IST-Zustand

Durchführung einer multikriteriellen Bewertung

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Ausblick

 Geplante Realisierungen/

Machbarkeitsstudien auf dem ZKW Darmstadt

 Einsatz von Regelenergie Testphase ab Sommer 2017

 Wechsel der Außenbeleuchtung auf LED, Umbau im Herbst 2017,

geplante Einsparung 60.000 kWh/a

 Test von Elektrofahrzeugen

…Baustein für eine zukünftige

Energiewirtschaft…

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C. Schaum (Universität der Bundeswehr München),

J. Rühl, R. Lutze, P. Cornel, M. Engelhart (TU Darmstadt, Abwassertechnik), T. Ansmann, A. Dierich (inter3),

A. Dornburg, N. Vukovic (bluemove consulting), M. Jakob, W. John, K. Wagner, J. Klinger (entega), M. Seier, L. Schebek (TU Darmstadt, SuR),

M. Sievers, H. Bormann, M. Niedermeiser (CUTEC), E. Feit, E. Gilbert (EnviroChemie),

M. Mohr, B. Waelkens, W. Sternad (Fraunhofer IGB), R. Wittstock, G. Edens, J. Franck (Born-Ermel)