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Abwasserbehandlung und Energiegewinnung –Einführung zum Stand des Wissens

und Zukunftsvisionen

Boris LesjeanKompetenzzentrum Wasser Berlin

27. Berliner Wasserwerkstatt, 21.10.2010

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Gliederung

• Aktuelle Fakten über Energiebedarf von Klärwerken

• Gegenwart: Energie-neutrale Klärwerke ?

• Zukunft: Energie-positive Klärwerke ?

• Fazit

Definition

• Energie-neutrale Klärwerke = neutrale Energie-bilanz

• Energieautarke Klärwerke = kein Stromanschluss !

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Geschichte der Abwasserbehandlung in Europa (Beispiel Berlin)

• Hauptaussage:

– Technologiewechsel mit Beschleunigung (60 – 30 – 20 Jahren) … was wird die nächste Generation ?

– Erhöhte Reinigungsqualität = Erhöhter netto Energiebedarf(mehr Energieverbrauch, weniger Energierückgewinnung)

200019801960194019201900

Rieselfeld (mit Vorklärung)

C-Elim + Faulung

C-Elim + Nitri+ Faulung

C, N & P Elim+ Faulung

NettoEnergiebedarf

4. RS

4

(brutto) Energieverbrauch zur Abwasserreinigung

Quelle: MUNLV-NRW, 1999

Optimierungspotential

Deutschland Durchnitt: 35 kWh/EW/a für Abwasserreinigung

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35 kWh/EW/a für Abwasserreinigung ???

• Nur ~ 0.7 % des Stromkonsum in Deutschland

• Äquivalent zu:

– 1 Energiesparlampe 4 Watt: 24h/d

– Mein Laptop (65 Watt): ~ 1.5h/d

… « So Watt ??? »

• 4.400 GWh pro Jahr von 10.200 deutschen Kläranlagen= Energiebedarf von 900,000 4-Personen-Haushalten

• 3 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr

• Grösste Energieverbraucher von Kommunen (~ 30%)vor Schulen, Krankenhäusern und Beleuchtung

• Unterschied zu anderen städtischen Einrichtungen:Abwasser ist eine erneuerbare Energiequelle !!!

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Eigenversorgungsgrad bei Elektrizität in Klärwerken

Faulgasproduktion aus KWin Deutschland: 865 GWh/a(20% gesamt Eigenversorgung)= 1,4 % regen. Energiequellen

BS mit Biogas Abfall

/ Landwirt.GörlitzKoverg.

Pest-SKoverg.

Pest-NKoverg.

GeraCo-verg.

Quelle: MUNLV-NRW, 1999(zum Vergleich sind jeweilige Verfahrenstufen /

Reinigungsleistungen zu berücksichtigen)

BS Pilsen

Prague

Veolia (2008-2010, Auswahl)

Ruh

WasMhf

StdfWan

Berlin (2007)

Schö

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Eigenversorgungsgrad bei Wärme in Klärwerken

Quelle: MUNLV-NRW, 1999

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Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz

• Grundsätzliche Überlegungen auf der Grundlage des Standes der Technik (Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, UBA, 2008, 226 S.)

• -30% Stromeinsparung durch Betriebsoptimierung– Reduzierung von Fremdwasser

– Hydraulischer Ausgleich (Wasser-/Schlammspeicher)

– Energieeffiziente Aggregate(Belüftung, Rührwerk, Pumpen, Dekanter, etc)

– Vorklärung

– Regelung des Schlammalters / TS

– Steuerung(Belüftung, mehr Denitrifikation etc)

– Schlammwasserbehandlung

• +90% Faulgasverstromung– 100% Verstromung

– BHKW-Effizienz

– Biogasproduktion (Schlammalter, Temperatur)

– Schlammdesintegration

– 2-stufige Faulung

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Theoretisches Optimierungspotential des KW Energiebedarfs

Grundsätzliche Überlegungen auf der Grundlage des Standes der Technik(Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, UBA, 2008)

„Der Stromverbrauch aller Kläranlagen könnte von derzeit 4.400 auf theoretisch 2.300 bis 2.500 GWh/a fast halbiert werden (bei 18 -20 kWh/EW*afür alle Anlagen)“

„Die Eigenstromerzeugung von derzeit 865 GWh/a könnte mit relativ geringem Aufwand verdoppelt und unter Ausschöpfung aller Möglichkeiten einschließlich Kofermentation auf rund 3.700 GWh/a mehr als vervierfacht werden.“(Investitionsmittel liegen unter 1 Milliarde € und könnten durch die erzielbaren Stromerlöse von rund 300 Mio. €/a leicht amortisiert werden.)

„Energieautarkie bzgl. Strom und Wärme wäre damit – theoretisch –

erreichbar und unter Berücksichtigung externer Substrate sogar eine Überschussproduktion an Strom möglich.“

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• Strass KW, 146.000 EW (Nowak et al., 2010)

Energie-neutrales KW: Beispiel 1

+ 6.3% Stromproduktion

ohne Kovergärung !

0.5d SRT50% CSB-Elim.

AX/AE12-14d SRT

Faulung36d SRT

Anamox83% N-Elim.

N:CSB = 0.07

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Energie-Autarkie im 1-stufigen Belebtschlammverfahren ?

Strombilanz eines Klärwerks > 1 Mio EW

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Konventionelle Vorklärung Erweiterte Vorklärung

kWh

/(E

WC

SB*a

) Klärwerk

Belüftung

Faulgas

Eigenversorgung: 26%

Eigenversorgung: 60%

PS/ÜS: 32/30% des CSBzu PS/ÜS: 68/14% des CSBzu

Genug Kohlenstoffquellefür die Dentrifikation ?

Vorklärung Belebtschlamm

Faulung

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Energie-neutrales KW: Beispiel 2

• Energiemodel kalibriert mit Wolfgangsee-Ischl KW, 40.000 EW(Nowak et al., 2010)

96% CSB-Elim.

76% N-Elim.

N:CSB = 0.09-0.10

BerlinEnergie-neutralesKW wenn CSB Elim. in Vorklärung > 28%

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Zwischenfazit – Energie-neutrales KW

Aus ‚Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen‘, (UBA, 2008):

„In der Summe wird die Energieautarkie für Kläranlagen mit Faulung bzw. die Klimaneutralität der Abwasser- und Klärschlammbehandlung insgesamt vielleicht visionär, aber nicht illusionär.“

… auf der Grundlage des Standes der Technik !!!

Was sind denn die zukünftigen Perspektiven ???

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« Clash » zwischen WRRL und EU Energie/Klima-Paket

Forecasted Energy Usage Water Industry in UK

400%

300%

200%

100%

1990 2008 2015 2030

⇒ Wechsel der Denkmuster nötig !

⇒ “Innovation, not compliance, for Water Company CO2e reduction”Prof. Charles Ainger, Cambridge University

⇒ Nicht nur Energie-neutrales KW, sondern auch Energie-positives KW !

Sources: UK Council for Science and Technology (adapted)‘Improving innovation in the water industry’, 2009

Oxeram

CoDiGreen

Carismo

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Welcher Weg führt bis zum Energie-positiven KW ?

• Externe Energiequellen

– Kovergärung

– Windkraft in KW

– Photovoltaik in KW

• … und warum nicht interne Energiequellen ?

• Abwasser IST eine (fast) ungenutzte regenerative Energiequelle !!!

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Theoretischer Energiegehalt im Abwasser (120 gCSB/EW*d)

Quelle:Rosenwinkel,Berlin, 2006

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20

40

60

80

100

120

140

160

180

kWh/(EW.a)

CSB zu Strom

CSB zur hoch grad Wärme

Niedrig grad Wärme (2°C)

Mechanisch (10m)

Energierückgewinnung mit Faulturm(Biogas): 2kWh/kgCSBabgebaut,Faulung

• Theoretisches Potential bis 350 kWh/(EW*a)gegen (heute) brutto 20-80 kWh/(EW*a) Bedarf

• Potential: > 10 % regenerative Energiequellen aus Abwasser ???

• Das Klär-Kraftwerk: wirklich eine Utopie ???

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Optionen für Energie-positive KW

• Bestehende Konzepte:

– Schon möglich in tropischen Regionenmit UASB-Verfahren (Quelle: GTZ/TBW):

• Energiebedarf: 0.08kWh/kgCSBabb

• Energieproduktion: 0.6kWh/kgCSBabb

• Beispiele neuartiger Verfahren und Konzepte(Kreativität unbedingt nötig !):

– Direkt anaerobe Verfahren in gemässigter Klimaregion ? (Nachbehandlung notwendig)

– Erweiterte Vorklärung / Hochlastverfahren ohne konv. Denitrifikation ?

– (Mikrobiologische) Brennstoffzellen ?

– Stirlingmotoren, ORC-(Organic-Rankine-Cycle)-Anlage ?

– Algen-Reaktoren ?• Carbon credit

• Biomasseproduktion (Biogas)

• Nährstoffentfernung

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Algen-Reaktoren für die 3. Generation von Biokraftstoffen

Brutto-Energieproduktion von 9 kW/ha, potentiell bis zu 23 kW/ha.(Quelle: De Schamphelaire and Verstraete, 2009)

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Ziel: nachhaltiges KW

• Konzept « Biofabrik »– Energieproduktion

– Düngerproduktion (N, P, Mg etc)

– Carbon credit

– Biopolymer / Bioplastik

– Etc

– … und auch (erweiterte) Abwasserbehandlung !

• Life Cycle Assessment (LCA):die Methode für die gesamtökologische Bewertung– « From Cradle to Grave »: alle assoziierten Prozesse

– Alle Umweltwirkungen (Luft, Wasser, Boden)

– Direkter UND indirekter Energieverbrauch

– Chemikalien- und Ressourcenverbrauch

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Fazit

• Energie-neutrales KW ist heute schon möglich / machbar durchOptimierung von:

– Energieeinsparung

– Faulgasverstromung

• Schon mehrere Beispiele vorhanden

• Abwasser enthält riesige noch ungenutzte Energiepotentiale

• Energie-positives KW wird nötig sein und zur Geschäftsmöglichkeit

– Klimawandel

– Erneuerbare Energie

• Neue Verfahren und Konzepte sind noch zu entwickeln

• LCA-Methode ist für die Bewertung zu nutzen

• Nächste KW-Generation: Klär-Kraftwerk !

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Danksagung

• Team und Kollegen für die regelmäßigen Anregungen

• Christian Remy (KWB) für seine persönliche Unterstützung

bei Daten und Fakten

• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit