DYNAMISCHE SIMULATION VON REGELENERGIEKONZEPTEN AUF ABWASSERREINIGUNGSANLAGEN

DYNAMISCHE SIMULATION VON REGELENERGIEKONZEPTEN AUF ABWASSERREINIGUNGSANLAGEN

I. Hobus, Y. Taudien, P. Pyro, WiWmbH

M. Schäfer, O. Gretzschel, TU Kaiserslautern

Gliederung

Bereitstellung von Flexibilität auf Kläranlagen zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energie

Flexibilitätspotential auf Kläranlagen

Dynamische Simulation der Flexibilitätsbereitstellung Technische Umsetzung auf der Kläranlage

Flexibilität

Bereitstellung von Flexibilität auf Kläranlagen zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energie

Strom- überschuss Strom-

defizit

Verbraucher abschalten (z.B. Gebläse)

Erzeuger anschalten

(BHKW)

Positive Flexibilität

Verbraucher anschalten (z.B.

Entwässerung)

Erzeuger abschalten

(BHKW)

Negative Flexibilität

Netz

Kläranlage

Netz

Kläranlage

Flexibilitätsoptionen

Methanisierung Umwandlung

EE-Überschuss

BHKW

flexible Verstromung Methan oder Faulgas Anlagentechnik

Flexibler Betrieb der Aggregate

Elektrolyse

Flexibilitätsoptionen auf Kläranlagen

Untersuchte Anlagenkonzepte

Flexibilität GK 5 Speicherpotenzial GK 5

Flexibilitäts- und Speicherpotentiale

Kopplung KA mit Markt und Netz

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

Modellaufbau

Flexibilitätsbausteine zur Kopplung mit Markt / Netz

Faulungsmodell (nach Siegrist) ASM1

Faulgasspeicher mit BHKW

Erweiterte Bausteine für PtG

Verfahrenstechnische Restriktionen

KA_zu VK BB NK KAab

RS PS

ÜS Seihband ED

BHKW Prozesswasser

ED

FB

Speicher Speicher

RZ

REZI-PUMPEN t_Reg: 30 min.

Rest. 1: Nitrat (c_BBab,NO3) 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) 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 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 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

Mech. ÜSS-Eindickung t_Reg: 15 min.

t_min 120 min.

Rest. 1: TS-Gehalt BB Rest. 2: max. Schaltvorgänge Rest. 2: Uhrzeit

Minutenregelleistung MRL 2035 aus Marktanalyse

Uhrzeit

0 1 2 3 4 5 6 7 8

20 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23

Winter Frühjahr Sommer Herbst

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

Flexibilität & Restriktionen 2035

Flexibilität & Qualität

0 1 2 3 4 5 6 7 8

NH4-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

NH4-N Ablauf Nachklärung [mg/l]

MRL 2035 NH4-N [mg/l]

Überwachungswert NH4-N: 8 mg/l

Restriktion NH4-N Ablauf Belebung: 3 mg/l

0 1 2 3 4 5 6 7 8

NH4-N Ablauf Nachklärung [mg/l]

V0 NH4-N [mg/l]

Überwachungswert NH4-N: 8 mg/l

Innovative Konzepte: Power to gas

Konzept Methanisierung:

Elektrolyseleistung:

900 kW

H₂-Produktion:

160 Nm³/h O₂-Produktion:

80 Nm³/h

Umsatzrate Methanisierung:

20 m³/h

Innovative Konzepte: Power to gas

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1.1.14 0:00 20.2.14 0:00 11.4.14 0:00 31.5.14 0:00 20.7.14 0:00 8.9.14 0:00 28.10.14 0:00 17.12.14 0:00

Gespeichertes H2-Volumen [Nm³]

Gespeichertes Faulgasvolumen [Nm³]

Faulgasspeicher H2-Speicher

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

1.1.14 0:00 20.2.14 0:00 11.4.14 0:00 31.5.14 0:00 20.7.14 0:00 8.9.14 0:00 28.10.14 0:00 17.12.14 0:00

Methanproduktion [Nm³/d]

CH4-Produktion

Nutzung von EE-Strom: 3.183.000 kWh_el/a CH4-Einspeisung: 371.500 m³/a

Praxistests KA Radevormwald

Angeschlossene EW: 71.700 E

Aggregate im virtuellen Kraftwerk:

2 x BHKW ( 2 x 80 kW_el)

3 x Gebläse BB 1 (55, 75, 90 kW_el) 3 x Gebläse BB 2 (3 x 75 kW_el) 3 x RS-Pumpen ( 3 x 30 kW_el)

Doppelhöckertest für alle vier technischen Einheiten erfüllen die Voraussetzungen

Virtuelles Kraftwerk: Präqualifikation

0 20 40 60 80 100 120 140

8:45 9:00 9:15 9:30 9:45 10:00 10:15

Leistung [kW]

TE1 (BHKW) TE2 (Gebläse BB1) TE3 (Gebläse BB2) TE4 (RS-Pumpe) Herunter-

fahren:

2-3 min

Herunter- fahren:

2-3 min Anfahren:

3-4 min

Anfahren:

3-4 min

Virtuelles Kraftwerk: Ergebnisse

Bereitstellung von Flexibilität für Minutenregelleistung (MRL):

Gebläse BB1; Gebläse BB2; RS-Pumpen

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 40 80 120 160 200 240 280 320

NH4-N Konzentration [mg/l]

Leistung [kW]

Fremdbezug KA (15 min) Gesamtbedarf KA (15min) NH4-N Ablauf BB1 NH4-N Ablauf BB2 NH4-N Ablauf NK

<- Abruf 1 ->

60 min

Abruf 2 ->

15 min

Abruf 3 ->

15 min

<- Abruf 4 ->

60 min

Einfluss auf Fremdbezug

Entstandene Mehrkosten Stromfremdbezug:

(289 kW-272 kW)*64,63 €/kW=1.099 €

10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 0

40 80 120 160 200 240 280 320

Leistung [kW]

Fremdbezug KA (15 min) Gesamtbedarf KA (15min) TE1 (1 min)

<- Abruf 1 ->

80 min Abruf MRL 1:

angeforderte: -80 kW bereitgestellt: -80 kW

Peak- Leistung

pro Monat

[kW]

2016 300

Januar 245 Februar 289

März 272

April 220

289 kW

Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeitsberechnung mit Marktsignalen und Marktpreise aus dem Jahr 2014

MRL 2014 SRL 2014

Abwassermeister Herr Wolfgang Engels Wupperverband, Klärwerk Radevormwald

„Die Implementierung des

Aggregatemanagement war mit geringem technischen Aufwand umsetzbar.

Durch die festgelegten Restriktionen und Kontrollparameter waren keine

Verschlechterungen in der

Reinigungsleistung festzustellen!“

Fazit Praxistest

Zusammenfassung

Mit der dynamischen Simulation und Praxistests konnte gezeigt werden, dass Kläranlagen in der Lage sind ihre Betriebsweise

temporär anzupassen ohne den Klärprozess negativ zu beeinflussen Kläranlagen mit Schlammfaulung sind geeignete Standorte zur

Umsetzung von Power-to-Gas-Anlagen

Voraussetzung:

Schaffung von Anreizsystemen und transparenter, lösungsorientierter (rechtlicher & politischer) Rahmenbedingungen

Dr.-Ing. Inka Hobus

Email: hob@wupperverband.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!