ERWAS – Statusseminar 02./03. Februar 2016 - Essen BioBZ - Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage Überblick Einleitung Arbeitsplan Zwischenergebnisse Ausblick 2 Einleitung Verbleib der chemisch gebundenen Energie – grobe Mittelwerte Atmung 37 % Zulauf Kläranlage 100 % Vorklärung Zulauf Belebung 70 % Belebungsbecken Ablauf 8% Nachklärung Überschussschlamm 25 % Rücklaufschlamm Faulung Primärschlamm 30 % kWh/EW.a 160 (Basis: 110 gCSB/EW.d, 4 kWh/kgCSB) Faulschlamm 28 % Faulgas 27 % Einleitung Energieströme elektrisch/chemisch auf KA Alle Werte in kWh/EW.a Rot – Verbrauch (elektrisch) Grün – Energieinhalt (chemisch) Blau – Erzeugung (elektrisch) 160 2 112 Zulauf Hebewerk, Zulauf Klär- Sandfang, Belebung anlage Vorklärung 17 Belebungsbecken 2 13 Nachklärung, Filtration 40 1 Faulgas Rücklaufschlamm 1 48 Faulung 15 43 Primärschlamm Elektro-Energiebilanz (Gesamt) Verbrauch (opt.) 25 kWh/EW.a Erzeugung 15 kWh/EW.a Faulschlamm 1 +1 45 Einleitung Gesamtziel und Projektteam Entwicklung, Untersuchung und Bewertung einer bio-elektrochemischen Brennstoff/Elektrolysezelle im Pilotmaßstab. Foto: Eurawasser Klärwerk Goslar 5 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 ..) 7 Arbeitsprogramm Arbeitspakete und Herausforderungen Reaktionskinetik (CSB-Abbau, Effizienz, Mikroschadstoffabbau ..) Zwischenergebnisse zur Ergebnisse zu Wasserstoffproduktion siehe Poster Verfahrenstechnik Wasserstoffproduktion (Stofftransport, Biofilmstruktur ..) siehe Poster Materialien (Elektroden, Membranen ..) Ergebnisse zum Mikroschadstoffabbu s. Poster Konstruktion (Elektrodendesign, Stackaufbau, etc.) Elektrotechnik (Zellenverschaltung, Spannungswandlung, Zwischenergebnisse zum Stromspeicherung etc.) Mikroschadstoffabbau Regelungstechnik (Leistungsmaximum, stabiler siehe Poster Zellenbetrieb ..) Abwassertechnik (Anlagenintegration, Jahres-, Tagesschwankungen Abwasser ..) 8 Zwischenergebnisse Stromproduktion 9 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 13 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, Iaus1=11,8mA --- U2=0,15V, Iaus2=15,4mA zwei Wandler mit unterschiedlichen Eingangsspannungen Konzept und Elektronik für Zellenverschaltung und Stromabgabe funktioniert Grobe Abschätzung Stromerzeugungspotenzial Messung: h Strom/CSB = 0,3 h DC/DC Konverter Annahme: = 0,6 CSB Abbau = 15 bis 60 % von CSBzu 110gCSB/EWxd (ca. 18 W/EW) Potenzial: d.h. VORSICHT: 0,5 bis 2 W/EW 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 %) Scale-up und Pilotversuch mit belastbarer Technik- und Kostenbewertung fehlen noch 15 Grobe Kostenschätzung Investitionskosten Analog zu Membrantechnik (s. z.B. Goedicke, Fluidverfahrenstechnik), da als Hauptkostenfaktor die Elektroden inkl. Verkabelung und Wandlung angenommen werden können: Kinvest = Kfix+ Kelektroden = Kfix+ kelektrode . Aelektroden Abgeschätzt: Kelektroden/Kinvest = 0,5 .... 0,8 Abschätzung der jährlichen Kapitalkosten Kinvest = 2 . Kelektroden (angenommen) Kj = r . Kinvest (jährliche Kapitalkosten) r = qn . (q – 1) / qn – 1 mit q = 1+z (z-Zinssatz, n-Abschreibungszeitraum) Jährlichen Kapitalkosten als Funktion der Elektroden Basis: 1 m2 pro EW - Effizienz: Chemische Energie BSB in Strom Weiteres Vorgehen Konstruktion, Aufbau Pilotanlage bis 5/2016(6 m3 Volumen, 100-200 m2 El.-Fläche, Durchsatz 5 m3/h) Betriebsversuche Klärwerk Goslar - bis 4/2017 Bewertung Technik, Kosten 19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Foto: Eurawasser Klärwerk Goslar 20
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