Die energieoptimierte Kläranlage – - Erzeugung und Verbrauch -

Bilanzrahmen

Aktuelle Daten zu Klärschlamm und Energieerzeugung

Optimierung des Stromverbrauchs

Optimierung der Klärgasnutzung

„Munich Wastewater Authority“

The Energy-Optimized Wastewater

Treatment Plant (WWTP)

Production and use

Framework

Current sludge and energy production data

Optimization of electrical

and biogas usage

2

Bilanzrahmen Energiebetrachtung

Mitverbrennung im

Framework for Energy Analysis

wastewater producer

WWTP I users

wastewater treatment sludge handling

heat and electricity

„Combined Heat and Power Plant North“

Combined heat and

power unit (CHP)

sludge pumping station

turbo compressor

dewateríng and

incineration

steam

Co-incineration

3

Klärwerk Gut Marienhof (KLW II) - Übersicht

Klärschlammbehandlung

+ Maschinenhaus

Abwasserreinigung inkl.

zweistufiger Biologie,

Sandfiltration + UV-

Desinfektion

Wastewater treatment incl.

2-stage biological treatment,

sandfilter + UV-disinfection

WWTP II Gut Marienhof - General Plan

Sludge treatment

+ Machine building

4

Klärwerk Gut Großlappen (KLW I) - Detail

Klärschlammver-

brennungsanlage (KVA)

für KLW I und KLW II

WWTP I Gut Großlappen - Detail

Sludge incineration

for WWTPs I and II

5

Zusammenstellung der Eckdaten

• Ermittlung der aktuellen Anschlussgrößen [EW]

• aus Schmutzfracht div. Parameter: CSB, Pges, NH4-N, (BSB5)

• KLW I: rd. 1,05 Mio EW

• KLW II: rd. 0,85 Mio EW

• Kenndaten im Kläranlagenverbund (2006 - 2009)

• Rohschlamminput Faulbehälter:

2900 m³/d bzw. 165 t TR/d bzw. 120 t oTR/d

• Klärgasanfall: 66.000 Nm³/d

• Stromerzeugung: 132.000 kWh/d

• Stromverbrauch: 233.000 kWh/d

• Eigenstromdeckungsgrad: rd. 57% (inkl. KVA)

• Establishing current load factor (Population Equivalents = PE)

Raw sludge input in digester

Summary of Key Data

Characteristics WWTP Group 2006-2009

Self-produced electrical coverage ratio incl. Incineration unit

Electricity consumption

Electricity production

Biogas yield

From pollution loads

of various parameters (COD, BOD, etc.)

6

Auswirkungen der ermittelten Anschlussgrößen auf spezifische Kennwerte (hier Stromverbrauch )

Ermittlung der Anschlussgröße (2008+2009) im Klärwerksverbund in Abhängigkeit der Schmutzfracht

Ermittlung der Anschlussgröße (2008+2009) im

Klärwerksverbund in Abhängigkeit der Schmutzfracht

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

1800,0

2000,0

2200,0

20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0

Einwohnerspezif. Stromverbrauch [kWh/EWa]

An

sch

lussg

röß

e [

T E

W]

CSB120

BSB60

BSB53

Pges1,8

NH4-N8

Bemessungsgrundlage

BSB5 wg. Unplausibilität

nicht verwendet

1,8 < EW < 2,1 Mio.

Stromverbrauch (ohne KVA)

36 - 42 kWh/EW*a

Datengrundlage: Mittelwerte der Schmutzfracht aus Trockenwetterauswertung

Gew. 1,9 Mio EW

Establishing current load factor (2008 + 2009) of the WWTP Group

Effect of load factor on specific characteristics (here electrical consumption)

Energy consumption

(without sludge

incineration)

User- specific energy consumption

unplausible data

7

Roh- und Faulschlammanfall

[oTR]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

g o

TR

/EW

d

Rohschlamm Faulschlamm

62 g

26 g

Roh- und Faulschlammanfall [TR]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Verbund

g T

R/E

W d

Rohschlamm Faulschlamm

87 g

46 g

Klärschlammanteile im Verbund (1,9 Mio EW)

75 - 90 g TR/EW*d

> 400 – 500 l/kg oTRzu

> 700 – 950 l/kg oTRab

Vergleich mit diversen Literaturwerten

< 50 - 60 g TR/EW*d

Anteil organischer

Trockensubstanz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Verbund

g o

TR

/EW

d

Output Faulbehälter

Abgebaut im Faulbehälter

Klärgasanfall: rd. 560 l/kg oTRzu

rd. 980 l/kg oTRab

36 g

Sludge Composition in WWTP Group (1.9 mio PE)

Raw and digested sludge yield (dry)

Raw and digested sludge yield

(organic dry)

Portion of volatile solids

In comparison to literature values

Biogas of volatile solids

8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Eigenerzeugung [kWh/EW*a]

Str

om

verb

rau

ch

[k

Wh

/EW

*a]

60% 70% 80% 90% 100%

Eigenstromversorgungsgrad

50%

Eigenstromversorgungsgrad – Ist und Potential

- 25% Verbrauch

Aktueller Stromverbrauch

Ak

tue

lle

Eig

en

erz

eu

gu

ng

Im Kläranlagenverbund (1,9

Mio. EW) für den gesamten

Abwasserreinigungsprozess

inkl. Klärschlammverbrennung.

GOM alte Generation η=32% (Bestand)

GOM neue Generation η=42%

GOM neu + ORC η=45%

Brennstoffzelle η=50%

Optimierung der Technik

Degree of Electrical Energy Self-Sufficiency: Actual State and Potential in the Future

Current electric power consumption

Ele

ctric

pow

er

consu

mption

Self-generated power

cu

rre

nt

se

lf-g

en

era

ted

po

we

r

WWTP Group (1.9 Mio. PE) for

all wastewater treatment

processes including sludge

incineration

Degree of self-sufficiency

9

Klärwerksverbund (1.900.000 EW)

5%10%

24%

23%

5%

0%

15%

18%

mechanische Reinigung

Abwasserhebung

biologische Reinigung 1. Stufe

biologische Reinigung 2. Stufe

Filtration

Desinfektion (in 2008 rd. 3%)

Schlammbehandlung, Gasaufbereitung

sonstiges

Σ = 40 [kWh/E*a] zzgl. rd. 7 [kWh/E*a] für KVA

Stromverbrauch in den Teilprozessen 2009

Energy Consumption in Sub-Processes 2009

WWTP Group (1,900,000 PE)

Primary treatment

Stage 1+2 biological treatment

Sludge handling, biogas conditioning

Miscellaneous

Wastewater pumping

10

Konkrete Projekte und betrachtete Maßnahmen

• Modernisierung der 1. Biologie auf dem KLW I

• Einbeziehung der Lufterzeugung beider biologischer Stufen

• Prüfung der Nitritation

• Neuordnung der Energieanlagen auf KLW I und KLW II

• Abstufung der Größe der Turboverdichter nach Luftbedarf

• Erneuerung der Motorentechnik

• Abstimmung von Turboverdichtern + Energieerzeuger (GOMs)

• Anpassung der Elektrotechnik und Verfahrenstechnik

• Einsatz von energieeffizienten Regelungsverfahren und Antrieben

• Überprüfung der verfahrenstechnischen Anforderungen, z.B. Druck im

Betriebswassernetz

Specific Projects and Analysed Measures

• Considering aerification of both biological stages

• Examining nitrification

• Reorganization of the Energy Facilities in WWTP I + II

• Incrementation of blower size according to air demand

•.Renewing engine technology

• Coordination of turbo compressors + energie producers (gas engines)

• Adaption of the electro- and process technology

• Implemetation of energy-efficient process controlling and electrical drives

• Reexamination of process technology demands e.g. pressure in process water grid

• Modernisation of 1st Biological Treatment Stage

11

Ergänzende Energieversorgung

• Prüfung von alternativen und regenerativen Energien:

• Photovoltaik („Pilotprojekt“)

• Wasserstofftechnologie (F+E-Vorhaben)

• Externer Energiebezug (vom EVU)

• Zur Abdeckung der Lastspitzen (im Normalbetrieb) noch erf.

• Zur Sicherstellung der Versorgung in Abhängigkeit von Ausfallszenarien

• Unter Berücksichtigung von Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und

Kosten

• Energieverbund mit SWM

• Bereitstellung 1 GOM für „virtuelles Kraftwerk“

Supplemental Energy Supply

• Examination of alternative and regenerative energy

• Cooperation with SWM (power supply company)

• External procurement of energy (from power supply company)

• Hydrogen technology (R + D schemes)

• For covering peak loads during normal operation still necessary

• To guarantee supply depending on blackout scenarios

• Under consideration of operational reliability, availability and cost

• Provision of 1 gas engine for „virtual power station“

12

Möglichkeiten zur Erhöhung der Gasausbeute

• Einschätzung des Potentials durch Desintegration

• Bereits aktuell hoher oTR-Abbau (rd. 57%)

• Gasertrag mit rd. 560 l/kg oTRzu ebenfalls relativ hoch

• Energieinhalt im Faulschlamm für KVA erforderlich

=> Desintegration zur Erhöhung des spezifischen Gasanfalls im Faulbehälter nicht

sinnvoll

• Übernahme von Co-Substraten

• Erhöhung des Schlammanfalls [kg oTS/a]

• Optimierung der Stromerzeugung

• Einsatz verbesserter Motorentechnik im KLW I und KLW II

Possibilities of Increasing the Gas Yield

• Estimation of Potential through Desintegration

• Presently higher degredation of volatile solids (approx. 57%)

• Gas output of 560 l/kg volatile solids is also relatively high

• Energy retention in digested sludge is required for the incineration unit

• Disintegration for increasing the spezific gas production in digester is not meaningful

• Acceptance of Co-Substrates

• Increase of sludge production (kg volatile solids/a)

• Optimization of energy generation

• Implementation of improved engine technology in WWTP I + II

13

Kosten der Maschinentechnik zur Klärgasnutzung + Energiekosten im Vergleich

GOM

Gasturbine

0 1 2 3 4 5 6 7

Gesamtkosten in Mio €/a

Ohne Klärgasnutzung

Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II

Durchleitung über eigene Leitung ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Klärgas KLW II

Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II

Durchleitung über öffentliches Netz ins KLW I, neue GOMs, Wärme mit Heizöl KLW II

Klärgasverkauf, Wärme mit Klärgas

Brennstoffzellenhybridtechnik und nachgeschaltete Abwärmenutzung

Brennstoffzellenhybridtechnik mit Förderung

Klärgasverkauf, Wärme mit Heizöl

Brennstoffzellenhybridtechnik

Gasturbine und nachgeschaltete Abwärmenutzung

GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Wasser)

GOM und nachgeschaltete Abwärmenutzung (Thermoöl)

GOM-Technik ist für die MSE am wirtschaftlichsten

Kostenanalyse zur Klärgasnutzung (KLW II, 2008) Cost Analysis of Biogas Utilization (WWTP II, 2008)

Cost of machine technology for biogas + energy costs in comparison

without biogas usage

conveyance to WWTP 1

conveyance to public grid

selling biogas, heat with oil

fuel cell technology

gas turbine

Gas engine technology is the most economical for the MSE

Total Cost in Million €

14

2934 kW

42% 2730 kW

45%

16% 204 kW

Verlust

1235 kW 15%

38% 69% 846 kW

2081 kW

Verlust 1235 kW

20,0% 32%

ges.elektr.

Wirkungsgrad

ges.therm.

Wirkungsgrad

elektr. Wirkungsgrad

thermischer Wirkungsgradnachgeschaltete

r

Dam

pfp

rozess

185 kW

elektr. Wirkungsgrad

Input Klärgas6500 kW

Mo

tore

na

nla

ge

therm

. W

irkungsgra

d

1300 kW

Zusätzliche Stromgewinnung durch nachgeschaltete Abwärmenutzung KLW II, 2008

ges. elektr.

Wirkungsgrad

45 %

Additional Generation of Electricity through Downstream Waste

Heat Usage WWTP II, 2008 Total electrical

efficiency 45%

Degree of electrical efficiency

Degree of thermal

efficiency level Total thermal

efficiency 32%

loss

loss

ma

ch

ine

s

15

Staffelung Brennstoffzelle KLW II, 2008 „Brennstoffzellenhybridtechnik“

Jahresdauerlinie der Gasproduktion mit Abdeckung der

Grundlast durch Brennstoffzellen (BZ) und Abdeckung der

Spitzenlast durch einen GOM

Jahresdauerlinie der Gasproduktion

mit Abdeckung der Grundlast durch MCFC-Brennstoffzellen

und Abdeckung der Spitzenlast durch einen GOM

0

3.500

7.000

10.500

14.000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Betriebsstunden in h

Gas

pro

du

kti

on

in

kW

h

4.200

7.600

Grundlast: 6 Brennstoffzellen

Spitzenlast: Gas-Otto-Motor

Konkurrenzfähig zu GOM + ORC wenn:

•Strompreis >200%

•Kosten BZ < 60%

Annual Duration Curve of Gas Production with Coverage of

Base Load through Fuel Cells and Coverage of Peak Load through a Gas Engine

Base Load 6 Fuel Cells

Peak Load Gas Engine

Price-Competitive with gas engine with ORC*

when:

• Electricity Price > 200%

• Fuel Cell Price < 60%

Incrementation of Fuel Cells WWTP II, 2008 „Fuel Cell Hybrid Technology“

*ORC = Organic Rankine Cycle

Operational time in hours

16

Geplantes Projekt „Neubau der Energiezentrale“ KLW II, 2008

Neubau Energiezentrale

Projected „Construction of the new Central Power Plant WWTP II“, 2008

Construction of new Central Power Plant

17

Potential durch Einsatz neuer Motoren (KLW I+ II) Durchschnitt von 2006 – 2009 (nur BHKW)

Nach geplanter Erneuerung:

Im Mittel 43 %

Motorenanlage: 9 Gas-Otto-Motoren

+ nachgeschalteten-Prozess

(im KLW II)

Eigenerzeugung Strom:

rd. 58.000 MWh/a

Deckungsgrad rd. 76 %

Klärgasnutzung:

rd. 135.000 MWh/a

Bestand:

Im Mittel 34 %

Motorenanlage: 3 Diesel-Klärgas-Motoren

2 direkt betriebene Verdichter

5 Gas-Otto-Motoren Eigenerzeugung Strom:

rd. 46.000 MWh/a

Deckungsgrad rd. 60 %

Klärgasnutzung:

rd. 135.000 MWh/a

Zündölmenge:

6.000 MWh/a

Erzeugte Luft:

90 Mio. Nm³/a

entspricht 2.000 MWh/a

(ohne KVA)

BHKW

BHKW

Potential through Implementation of New Gas Engines (WWTP I+II

Average from 2006-2009 (only Combined Heat and Power Unit (CHP))

Existing CHP

Coverage 76%

Projected replacement

CHP

Coverage 60%

Air produced

Self-generated electricity

Self-generated electricity

3 Diesel-Biogas Engines

2 Blowers, 6 Gas Engines

9 Gas Engines

+ downstream process in WWTP II

Biogas usage

Biogas usage

Amount of ignition diesel

without sludge incineration

18

Auswertung überschüssiger Wärmeleistung im Sommer

(Trendlinie 12 - 2h Mittelwerte)

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

Mai Juni Juli Aug. Sept.

Wärm

ele

istu

ng

in

kW

genutzte thermische Leistung theo. max. nutzbare Wärmeleistung neue GOMs 900 kW überschüssige Wärmeleistung

900 kW - Band

Einfluss auf Wärmenutzung

• Neue Motorentechnik im BHKW führt zu

• Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads und

• Verringerung des thermischen Wirkungsgrads µth von 50% auf 42%

• Bislang 100% Wärmedeckung im Winter

=> zukünftig: Intelligentes Wärmemanagement erforderlich

• Weiterhin Wärmeüberschuss im Sommer

=> ggf. Nutzung der überschüssigen Wärme (als Kälte) möglich

Influence on Heat Utilization

• New Engine Technology CHP results in

• increased electrical efficiency and

• reduced thermal effiency

• presently 100% Coverage in Winter

=> Future intellegent heat

management necessary

• Exzess heat in Summer will continue

=> Utilization of excess heat for cooling is possible if needed

Th

erm

al p

ow

er

19

Zusammenfassung aus Sicht der MSE

• Abwasserreinigung behält oberste Priorität; Energie unterstützt den Prozess

• Bilanzrahmen betrifft beide Klärwerke inkl. Verbrennung

• Sorgfältige Ermittlung der aktuellen Anschlussgrößen (EW)

• Vergleiche (mit Literaturwerten) müssen differenziert erfolgen

• „Energieautarkes KLW“ ist nur im Mittel erst mit deutlicher Reduzierung des

Stromverbrauchs und neuer Technik möglich

Summary from MSE Standpoint

• The treatment of wastewater remains highest priority; energy only supports the process

• Framework encompasses both WWTP I + II including sludge incineration

• Accurate determination of current load factor (PE)

• Comparisons using literature values must be carefully differentiated

• „Energetically self-sustained WWTP“ is possible only in average and only possible

with reduced energy consumption and new technologies

20

Zusammenfassung aus Sicht der MSE

• Neue Motorentechnik (GOM mit ORC) ist aktuell die wirtschaftlichste Lösung

für München

• Wärme- bzw. Kältebilanz muss in energetischer Gesamtbetrachtung

enthalten sein

• Externe Energiequellen (Co-Vergärung, Photovoltaik) ggf. ergänzend

• Anschluss an EVU bleibt unumgänglich

Summary from MSE Standpoint (continued)

• Heating and cooling balances need to be evalued in respect to total energie requirements

• External energy sources (co-fermentation, photo voltaic) can be supplemented as needed

• Connection to the Power Supply Company (PSC) remains absolutely necessary

• New engine technology (gas engine with organic rankine cycle „ORC“) is presently the

most economic solution for Munich

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Gas-Otto-Motor – KLW I

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Gas Engine – WWTP I

Thank you for your kind attention!