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Energieeffizienz im Klärwerk Bargteheide EKSH – Energie Olympiade 2013 Fachtagung am 20.05.2014

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Energieeffizienz im Klärwerk Bargteheide

EKSH – Energie Olympiade 2013 Fachtagung am 20.05.2014

1. Ausgangssituation: Vorstellung der Kläranlage Bargteheide

1.1 Kenndaten der KA

1.2 Reinigungsleistung der KA

1.3 Betriebliche Veränderungen: Anschluss der Gemeinde Bargfeld-Stegen

2. Der Weg zur Klärschlammdesintegration

2.1 Projektstudie Energetische Optimierung

2.2 Betriebsversuch 2012: Klärschlammdesintegration mittels Ultraschall

3. Investitionsentscheidung

3.1 Aufwandspositionen Klärschlammdesintegration

3.2 Ertragspositionen Klärschlammdesintegration

3.3 Ausgangssituation: Stromverbrauch je Einwohnerwert

3.4 Ausgangssituation: Energie aus Abwasser (kommunaler Abwasseranteil)

3.5 Ausgangssituation: Energie aus CO-Substrat

3,6 Energiebilanz: Auswertung von Betriebsdaten für das Betriebsjahr 2013

3.7 Energiebilanz: Stromverbrauch je Einwohnerwert in 2013

3.8 Energiebilanz: Zusammenfassung der Ergebnisse für das Betriebsjahr 2013 als Entscheidungsgrundlage

4. Auswertung von Betriebsdaten

4.1 Der praktische Betrieb: Ergebnisse der Klärgasproduktion

Gliederung

1. Ausgangssituation Vorstellung der Kläranlage Bargteheide

Ausbaugröße: 42.500 EW

Abwassermenge: ca. 4.500 m³/d

Ausgleichbecken (2300 m³)

2 straßige mechanische Vorreinigung (max. 560 m³/h)

2 straßige Belebung (4600 m³)

2 Nachklärbecken (812m²)

4 Aufstaufiltrationsbecken (48 m²)

1 Siebband zur Schlammeindickung

Klärschlammdesintegration (Ultraschall)

2 Zentrifugen zur Schlammentwässerung

Statischer Schlammeindicker (200 m³)

2 Faultürme (1800 m³)

2 Gasspeicher (700 m³)

1.1 Kenndaten der KA:

1. Ausgangssituation Vorstellung der Kläranlage Bargteheide

1. 2 Reinigungsleistung der KA:

CSB BSB5 NH4-N TNb Pges.

Ü-Werte [mg/l] 40 15 10 5 (Nges) 0,5

Zulauf [mg/l] 812 546 67 82,7 12,6

Ablauf [mg/l] 25 3 0,13 8,15 0,14

Abbaugrad [%] 97,0 99,5 99,8 91,5 98,9

2012 2013

JSM (m³/a) 1.152.531 1.369.199

JAM (m³/a) 1.212.032 1.434.930

FW (m³/a) 59.501 65.731

CSB (mg/L) 857 812

CSB- Fracht (kg/a) 1.040.000 1.165.163

1. Ausgangssituation Vorstellung der Kläranlage Bargteheide 1.3 Betriebliche Veränderungen: Anschluss der Gemeinde Bargfeld-Stegen: - Anschluss an die OE Bargteheide ab dem 01.01.2013 - Erhöhung der angeschlossenen Einwohnerwerte von 34.000 EW auf 37.500 EW

BHKW: 2 Stk. MAN 6 Zylindermotor mit 123 kW elektr. und 181 kW therm.

1. Ausgangssituation Vorstellung der Kläranlage Bargteheide

Studie zur energetischen Optimierung der Kläranlage

Bargteheide im Jahr 2010 (Ing.-Büro Consulaqua, HH):

Zielsetzung

1. Nutzung solarer Energie

2. Klärschlammdesintegration

2. Der Weg zur Klärschlammdesintegration 2.1 Projektstudie Energetische Optimierung:

Versuchszeitraum: Juni 2012 bis September 2012 Praxisversuch zur Desintegration von Klärschlamm durch Ultraschall auf der Kläranlage auf der KA Bargteheide

Ergebnis: - Steigerung der Faulgasproduktion um ca. 20 % ~ 140.000

kWh/a - Senkung des Polymerverbrauchs - Reduzierung des Klärschlammanfalls (besserer Organikabbau) - Verbesserung der Entwässerbarkeit - Verringerung der Viskosität – Verbesserung der Fließfähigkeit

2.2 Betriebsversuch 2012

2. Der Weg zur Klärschlammdesintegration

Erforderliche Investitionskosten: 130.000 € netto - Klärschlammdesintegration mittels Ultraschall (20kHz), Typ Sonotronic - Durchsatzleistung: 18m³/d ÜSS (modulare Bauweise) - Anschlussleistung: 5,0 kW - Installation/ IBN am 01.09.2013 a. Kapitaldienst (Abschreibung, Verzinsung) 10.300 €/a b. Verschleißteile 2.000 €/a c. Stromkosten (43.800 kWh/a) 6.570 €/a d. Personalkosten 2.400 €/a e. Zusätzliche Kosten BHKW 1.000 €/a ~ 22.270 €/a

3. Investitionsentscheidung 3.1 Aufwandspositionen Klärschlammdesintegration

a. Zusätzliche Verstromung 21.350 €/a b. Red. Klärschlammentsorgung 12.000 €/a c. Reduzierung FHM 7.000 €/a d. Absenkung der Viskosität 1.000 €/a ~ 41.350 €/a Betrieblicher Vorteil: ca. 19.000 € netto/Jahr!

3. Investitionsentscheidung 3.2 Ertragspositionen Klärschlammdesintegration

Betrieb der KA ohne KS-Desintegration:

Stromverbrauch 2012 (KA gesamt) 860.000 kWh/a Eigenerzeugung 2012 (BHKW) 700.000 kWh/a

81,25 % Eigenversorgung

860.000 kWh/a : 34.000 EW = 25,3 kWh/EW x a

Nach einer Studie der DWA im Jahr 2011 mit 1.415 Kläranlagen der Größenklasse

10.001 bis 100.000 EW (GK 4) betrug der Durchschnittswert 34,1 kWh/EW x a, somit lag die Kläranlage Bargteheide 25 % unterhalb des Durchschnitts.

3. Investitionsentscheidung 3.3 Ausgangssituation: Stromverbrauch je Einwohnerwert

Gasertrag pro Einwohnerwert EW: 20 L /EW x d = 7,3 m³/EW x a 34.000 EW x 7,3 m³/EW x a = 248.200 m³/a Daraus erzeugter Strom: 248.200 m³/a x 1,6 kWh/m³ = 397.000 kWh/a ~ 400.000 kWh/a

3. Investitionsentscheidung 3.4 Ausgangssituation: Energie aus Abwasser (kommunaler Abwasseranteil)

a) Anlieferung CO-Substrat in 2010: Daten aus Messprogramm im laufenden Anlagenbetrieb.

80 m³/Woche mit einem CSB= 80 kg/m³ = 6.400 kg CSB /Woche ~ 332.800 kg CSB/a

332.800 kg CSB/a x 0,5 m³/kg CSB = 166.400 m³/a Klärgas 166.400 m³/a x 2,3 kWh/m³ = 382.720 kWh/a

3.5 Ausgangssituation: Energie aus CO-Substrat

3. Investitionsentscheidung

b) Optimierung in den Anlieferbetrieben ab 2012: Folge daraus: CSB Konzentration sinkt von 80.000 mg/L auf 56.000 mg/L Verluste in der Gasproduktion: ~ 50.000 m³/a dadurch Verluste in der Stromproduktion: ~ 115.000 kWh/a

3. Investitionsentscheidung 3.5 Ausgangssituation: Energie aus CO-Substrat

Gasertrag pro Einwohnerwert: 37.500 EW x 7,3 m³/EW x a = 273.750 m³/a 273.750 m³/a x 1,6 kWh/m³ = 438.000 kWh/a

Gasertrag aus Co-Substrat 232.960 kg CSB/a x 0,5 m ³/kg CSB = 116.480 m³/a 116.480 m³/a x 2,3 kWh/m³ = 267.904 kWh/a

Summe: 438.000 kWh/a + 267.904 kWh/a = 705.904 kWh/a + 19,5 % ( durch Ultraschall) für 4 Monate = 751.787 kWh/a

3. Investitionsentscheidung 3.6 Energiebilanz: Auswertung von Betriebsdaten für das Betriebsjahr 2013

Energie-Erträge (bei reduziertem CO-Substrat Anteil): Aus Faulgas 751.787 kWh/a Photovoltaik, 76kWp 65.000 kWh/a Summe alternativer Energie: ~ 816.787 kWh/a

3. Investitionsentscheidung 3.6 Energiebilanz: Auswertung von Betriebsdaten für das Betriebsjahr 2013

Stromverbrauch 2013 975.000 kWh/a inkl. Gemeinde Bargfeld-Stegen

Eigenerzeugung 2013 816.787 kWh/a 84 % Eigenversorgung

975.000 kWh/a : 37.500 EW

= 26,0 kWh/EW x a

Nach einer Studie der DWA im Jahr 2011 mit 1.415 Kläranlagen der Größenklasse 10.001 bis 100.000 EW (GK 4) betrug der Durchschnittswert 34,1 kWh/EW x a, somit liegt die Kläranlage Bargteheide 25 % unterhalb des Durchschnitts.

3.7 Energiebilanz: Stromverbrauch je Einwohnerwert in 2013

3. Investitionsentscheidung

Verbrauch 2013

Klärgas 2013 Photovoltaik Summe rel. Anteil

Prognose Betriebsjahr 2013

975.000 kWh 751.787 kWh 65.000 kWh 816.787 kWh 83,8 %

Vergleichsbetrachtung:

Betrieb ohne Gem.

Bargfeld – Stegen

905.000 kWh

708.251 kWh 65.000 kWh 773.251 kWh 85,4 %

Verlustrate Co-Substrat 3,5 %

905.000 kWh

830.402 kWh 65.000 kWh 895.402 kWh 98,9 %

3. Investitionsentscheidung 3.8 Energiebilanz: Zusammenfassung der Ergebnisse für das Betriebsjahr 2013 als Entscheidungsgrundlage

Betriebs-jahr

Summe erwartete

Gasproduktion

Summe gemessene

Gasproduktion

Summe Energiegewinn

Summe Photovoltaik

Summe Energieproduktion

Summe Energieverbrauch

rel. Anteil

2010

414.600 m³ 397.500 m³ 767.000 kWh - 767.000 kWh 880.000 kWh 87 %

2012 346.680 m³ 361.000 m³ 700.000 kWh 65.000 kWh 765.000 kWh 860.000 kWh 81 %

2013 390.000 m³ 384.000 m³ 790.000 kWh 65.000 kWh 855.000 kWh 975.000 kWh 87 %

2014 (Prognose)

445.000 m³ - 845.000 kWh 65.000 kWh 910.000 kWh 975.000 kWh 93 %

4. Auswertung von Betriebsdaten 4.1 Der praktische Betrieb: Ergebnisse der Klärgasproduktion

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