Energiepositive Klärwerke. Innovationsprojekte am

Energiepositive Klärwerke.
Innovationsprojekte am
Kompetenzzentrum Wasser Berlin.
Boris Lesjean, Christian Remy, Morgane Boulestreau, Johan Stuber
Kompetenzzentrum Wasser Berlin
38 Berliner Wasserwerkstatt
18.06.2015
1
Rückblick 2010
Fazit: Nächste KW-Generation = Klär-Kraftwerk !
2
Rückblick 2011-2013
Pilotprojekt CARISMO „Carbon is Money“
Remy, Boulestreau, Lesjean (2014)
Water Science & Technology,
Proof of concept for a new energypositive wastewater treatment scheme
3
Rückblick 2014
CARISMO unter den TOP3 des deutschen Nachhaltigkeitspreises
Filmbeitrag in 3sat nano: www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=47280
4
2015: EU-Projekt PowerStep startet
“FULL SCALE DEMONSTRATION OF ENERGY POSITIVE SEWAGE
TREATMENT PLANT CONCEPTS TOWARDS MARKET PENETRATION”
CARISMO
Container
Umsetzung
des CARISMO-Konzepts
für 2000 EW
SBR 1
Schlammspeicher
SBR 2
Schlitzrechen
5
Nutzung des Energiegehalts im Abwasser
Optimierte Kläranlage (GK4-5)
heute (= Benchmark):
~10% des Energiegehalts wird
als Strom wiedergewonnen
175 kWh/EW*a
4 kWh/m³
(1000 mg/L CSB,
120 L/EW*d)
Theoretisches
Energiepotential
in Abwasserorganik
105 kWh/EW*a
2.4 kWh/m³
Klärwerk:
60% des CSB
in den Klärschlamm
53 kWh/EW*a
1.2 kWh/m³
Faulung:
50% des CSB
ins Biogas
6
42 kWh/EW*a
0.96 kWh/m³
Methanausbeute:
320 L CH4/kg CSB
17 kWh/pe*a
Abwärme
17 kWh/EW*a
0.38 kWh/m³
BHKW:
40% elektrischer
Wirkungsgrad
Energieeffizienz in Köln
7
Hamburg
8
Hamburg
9
Maßnahmen in Hamburg
 Stromoptimierung
– Erneuerung der Druckbelüftung auf KW
 Nutzung eigener Energie
– Wärme aus Abwasser
– Einspeisung von Bio-Erdgas
– Fernwärmeversorgung durch Abwärme der
Klärschlammverwertungsprozesse
 Externe Energiequellen
– Covergärung
– Photovoltaikanlage auf Klärwerksgelände
– Windenergieanlagen auf Klärwerksgelände
10
Bericht „Steigerung der Energieeffizienz
auf kommunalen Kläranlagen“, UBA, 2008
 Grundsätzliche Überlegungen auf Grundlage des Stands der Technik (226 S.)
 Optimierungspotential für Deutschland:
– -30% Stromeinsparung durch Betriebsoptimierung
– +90% Faulgasverstromung
– Kurze Amortisation (Payback)
 „Energieautarkie bzgl. Strom und Wärme wäre damit
– theoretisch – erreichbar und unter Berücksichtigung
externer Substrate sogar eine Überschussproduktion
an Strom möglich.“
 In Zusammenfassung:
„In der Summe wird die Energieautarkie für Kläranlagen
mit Faulung bzw. die Klimaneutralität der Abwasserund Klärschlammbehandlung insgesamt vielleicht visionär, aber nicht illusionär.“
11
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion
in allen Verfahrensschritten
Weniger
Belüftung
„Carbon is money“
(KWB 2011 – 2014)
175 kWh/EW*a
4 kWh/m³
(1000 mg/L CSB,
120 L/EW*d)
105 kWh/EW*a
2.4 kWh/m³
53 kWh/EW*a
1.2 kWh/m³
42 kWh/EW*a
0.96 kWh/m³
Mehr
Faulgas
Theoretisches
Energiepotential
in Abwasserorganik
Klärwerk:
60% des CSB
in den Klärschlamm
Faulung:
50% des CSB
ins Biogas
12
Methanausbeute:
320 L CH4/kg CSB
17 kWh/pe*a
Abwärme
17 kWh/EW*a
0.38 kWh/m³
BHKW:
40% elektrischer
Wirkungsgrad
“Carbon is Money”
Projekt finanziert durch:
13
Das CARISMO-Konzept im Pilotbetrieb
auf der Kläranlage Berlin-Stahnsdorf
Rohabwasser
Flokkulation
Koagulation
Mikrosieb
(100 µm)
Dekanter
Faulung
Weitere Behandlung
Becherglasversuche:
Flockungs
mittel
Polymer
20 mg/L Al
7 mg/L
Rückspülung mit
Betriebswasser (5 bar)
38°C, 20d
0,6-1,5% TS
4.5-6 m³/h
Trommel
-sieb
(100µm)
Nach
mechanischer
Reinigung
500 L
R1 R2
150L 150L
12h
500 L
3,5% TS
= Probenahme
Betrieb: 8 h pro Tag, 4 Tage pro Woche
Wöchentliche Wartung/Reinigung
Weitere Behandlung
(nicht getestet)
14
Trommelsieb als kompakte Vorklärung
Rückspülung mit Filtrat
Anlage
Inbetriebnahme
Kapazität
Siebweite
Trommelsieb als Vorklärung
170 m³/h
150 µm
2005 1200 m³/h
100 µm
150 m³/h
40 µm
Stavanger (NOR) 2015-2016 2050 m³/h
100 µm
Bångbro (SE)
Filtration
Langnes, Tromsø
(NOR)
Agnieres en Devoluy
(FR)
2003
2011
Trommelsieb mit Flockung/Polymer




Näs (SE)
2010
30 m³/h
80 µm
Forsbacka (SE)
2014
30 m³/h
80 µm
Kontinuierliche Filtration von innen nach außen
Automatische Rückspülung mit Filtrat (5-8 bar)
Ablauf des Rückspülwassers in Sammelrohr
Niedriger Energieverbrauch (5-20 Wh/m³)
15
Information Hydrotech
Ergebnisse des Pilotbetriebs in 2012-2013
 Stabiler Betrieb der Anlage über 18 Monate möglich
 Chemische Reinigung des Siebs nur 2x erforderlich
 Faulreaktor konnte gut bilanziert werden (±10%)
Mittelwerte von
Mischproben
100 µm Trommelsieb
20 mg/L Al + 7 mg/L Polymer
Zulauf
Ablauf
Mikrosieb
Entfernung
Suspendierte Stoffe
[mg SS/L]
465
13
96%
CSB gesamt
[mg O2/L]
954
208
78%
CSB partikulär
[mg O2/L]
679
27
96%
CSB gelöst
[mg O2/L]
275
223
19%
P gesamt
[mg P/L]
14,2
2,7
81%
P partikulär
[mg P/L]
6,6
0,4
94%
P gelöst
[mg PO4-P/L]
7,6
2,3
70%
[mg N/L]
90
75
17%
[mg NH4-N/L]
68
61
10%
N gesamt
NH4-N
16
Kohlenstoff für
Denitrifikation?
Einschätzung des Denitrifikationspotentials nach Mikrosieb
 Kinetische Labor-Tests zur Denitrifikation zeigen Deni-Potential des
Mikrosieb-Ablaufs  Quantifizierung nicht möglich
 Abschätzung des minimalen Deni-Potentials über Fettsäuren (VFA) nach
Mikrosieb: 120 mg/L Ac-eq entspricht 28 mg/L NO3-N (nach A131)
17
Vergleich von Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept
0,51 kWh/m³, 20 mg/L Fe
Rohabwasser
Belebtschlamm
(N/DN, ChemP)
Vorklärbecken
30% des CSB
30% des CSB
REFERENZKLÄRANLAGE
Klarlauf
Faulturm
Biogas
BHKW
Strom
430 NL/kg oTRin
Ergebnisse aus
den Pilotanlagen
0,01 kWh/m³
20 mg/L Al, 7 mg/L Polymer
Rohabwasser
Flockung +
Mikrosiebung
Nachbehandlung
(Biofilter)
73% des CSB
CARISMO:
Mikrosieb + Biofilter
0,2 kWh/m³
56 mg/L MeOH
Klarlauf
9% des CSB
Faulturm
Biogas
600 NL/kg oTRin
18
BHKW
Strom
Stoff- und Energiebilanz für eine Modellkläranlage
für 100 000 EW
Emission von Treibhausgasen
[kg CO2-eq/m³]
Energieverbrauch
[kWhelektrisch/m³]
Indirekt (Strom, Chemikalien)
Direkt (N2O aus Denitrifikation,
CO2,fossil aus Methanol)
Strom
Rohabwasser
Chemikalien
Klarlauf
Abwasserbehandlung
CSB = 1000 mg/L
P = 15 mg/L
N = 85 mg/L
Strom
CSB = 100 mg/L
P = 2 mg/L
N = 18 mg/L
(AbwV für GK4)
Schlamm
Biogas
Faulturm
BHKW
Gutschriften
für Strom
Systemgrenze
 nicht betrachtet: Schlammentwässerung, Rückbelastung, Schlammentsorgung
19
Energiebilanz: Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept
„ENERGIE-POSITIVES KW“
Transfer von CSBzu in Schlamm
30 + 30%
Ausnutzung des org. Potentials
im Abwasser (175 kWh/EW*a)
10%
73 + 9%
+81%
18%
20
Nicht betrachtet:
- Schlammentwässerung
- Rückbelastung
- Schlammentsorgung
- Sonstige Verbraucher
„Vom Klärwerk zum Kraftwerk“: Strom für 1400 Einwohner
nicht betrachtet:
- Schlammentwässerung
- Rückbelastung
- Schlammentsorgung
21
Carbon footprint: Referenzkläranlage
und CARISMO-Konzept
N2O aus Denitrifikation
+ fossiles CO2 aus MeOH!
„CO2-NEUTRALES KW“
Nicht betrachtet:
- Schlammentwässerung
- Rückbelastung
- Schlammentsorgung
- Sonstige Verbraucher
22
Abschätzung der Betriebskosten für 100 000 EW
(nur Strom und Chemikalien)
TR nach Faulung
100%
118%
23
Nicht betrachtet:
- Schlammentwässerung
- Rückbelastung
- Schlammentsorgung
- Sonstige Verbraucher
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion
in allen Verfahrensschritten
Cosubstrate & Entsorgungswege
(KWB 2010 – 2012)
175 kWh/EW*a
4 kWh/m³
(1000 mg/L CSB,
120 L/EW*d)
Theoretisches
Energiepotential
in Abwasserorganik
105 kWh/EW*a
2.4 kWh/m³
Klärwerk:
60% des CSB
in den Klärschlamm
53 kWh/EW*a
1.2 kWh/m³
Faulung:
50% des CSB
ins Biogas
24
42 kWh/EW*a
0.96 kWh/m³
Methanausbeute:
320 L CH4/kg CSB
17 kWh/pe*a
Abwärme
17 kWh/EW*a
0.38 kWh/m³
BHKW:
40% elektrischer
Wirkungsgrad
Energiebilanz von verschiedenen Entsorgungswegen
15
Cumulative energy demand [GJ/(t TS)]
10
Fuel for incinerator
5
Transport
Electricity (for Drying)
0
Natural Gas (for Drying)
Substitution of electricity
-5
Substitution of hard coal
-10
Substitution of lignite
-15
Net impact: -5.4
-0.5
-7.9
-4.8
-4.0
Monoincineration
Power plant
Drying + power
plant
Drying +
cement kiln
-20
Wass 2009
(route mix)
TRADE-OFF P-RÜCKGEWINNUNG vs. ENERGIEEFFIZIENZ!
25
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion
in allen Verfahrensschritten
HTC-CHECK
Schlammbehandlung
mit Hydrothermaler Carbonisierung
(KWB 2012 – 2013)
175 kWh/EW*a
4 kWh/m³
(1000 mg/L CSB,
120 L/EW*d)
Theoretisches
Energiepotential
in Abwasserorganik
105 kWh/EW*a
2.4 kWh/m³
Klärwerk:
60% des CSB
in den Klärschlamm
53 kWh/EW*a
1.2 kWh/m³
Faulung:
50% des CSB
ins Biogas
26
42 kWh/EW*a
0.96 kWh/m³
Methanausbeute:
320 L CH4/kg CSB
17 kWh/pe*a
Abwärme
17 kWh/EW*a
0.38 kWh/m³
BHKW:
40% elektrischer
Wirkungsgrad
Modell des HTC-Prozesses von TerraNova
Thermalölkreislauf aus
externer Wärmequelle
HX1
HX2
Wärmetauscherkreislauf
m
h
Q
W
Kühlung
Druckablass
Pumpe
Legende:
Kammerfilterpresse
HTC-Parameter:
180°C, 20-31 bar, 150 min
- Masse
- Enthalpie, z.B. Heizwert
- Thermische Energie, z.B. Dampf
- Arbeit, z.B. elektrische Energie
27
65-70%
TS
Energiebilanz für Szenarien mit Faulschlamm
Remy, Warneke, Lesjean (2015)
Korrespondenz Abwasser
Hydrothermale Carbonisierung:
eine neue Option der Klärschlammbehandlung?
 HTC hat bessere Energiebilanz als alle Referenzszenarien
 Optimale Wärmenutzung (kein Zusatzbrennstoff für HTC-Reaktor) führt
zu energetischen Vorteilen der HTC
28
Optimierung der Energieeffizienz und Energieproduktion
in allen Verfahrensschritten
Demonstration von
energiepositiven Klärwerken
(KWB 2015 – 2018)
175 kWh/EW*a
4 kWh/m³
(1000 mg/L CSB,
120 L/EW*d)
Theoretisches
Energiepotential
in Abwasserorganik
105 kWh/EW*a
2.4 kWh/m³
Klärwerk:
60% des CSB
in den Klärschlamm
53 kWh/EW*a
1.2 kWh/m³
Faulung:
50% des CSB
ins Biogas
29
42 kWh/EW*a
0.96 kWh/m³
Methanausbeute:
320 L CH4/kg CSB
17 kWh/pe*a
Abwärme
17 kWh/EW*a
0.38 kWh/m³
BHKW:
40% elektrischer
Wirkungsgrad
EU Demonstrationsprojekt POWERSTEP
30
15 Partner, 6 Länder, 6 Fallstudien
Kompetenzzentrum Wasser Berlin
Research
Germany
Technische Universität Wien
Research
Austria
EAWAG
Research
Switzerland
Fraunhofer IPM
Research
Germany
Veolia Water Technologies
Industry
Sweden
Veolia Germany
Industry
Germany
NEAS Energy A/S
Industry
Denmark
Biofos
Utility
Denmark
Berliner Wasserbetriebe
Utility
Germany
Umweltbundesamt
Public authority
Germany
Electrochaea
SME
Denmark
aqua plant solutions
SME
Germany
Sustec Consulting and Contracting
SME
The Netherland
Atemis
SME
Germany
ARCTIK
SME
Belgium
31
Zusammenfassung
 Energiepositive Klärwerke = neue Ansätze in allen
Verfahrensschritten notwendig
 CARISMO-Projekt hat gezeigt:
 Konzept besser als Referenzklärwerk (+81% Biogas),
auch inkl. Nachbehandlung über Biofilter mit externer C-Quelle
 Energie-positives und CO2-neutrales Klärwerk möglich!
 Vergleichbare Betriebskosten für Strom und Chemikalien
 EU Projekt POWERSTEP:
 Demonstration von neuen Ansätzen an 6 Standorten
 Die nächste KW-Generation „Klär-Kraftwerk“ kommt!
32
KWB
www.kompetenz-wasser.de
Contacts:
[email protected]
[email protected]
[email protected]
33

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