Zentrum für Innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern

Abwasser-Forum EVS, 06.12.2007

Zentrum für Innovative AbWassertechnologien

an der Technischen Universität Kaiserslautern

Steigerung der Energieeffizienz von kommunalen Kläranlagen

Jo HansenGerd Kolisch, Inka Hobus, Kai Wu


1 Veranlassung

Erweiterung der kommunalen Abwasserreinigungsanlagen hat zu steigendem Energieverbrauch geführt

Anstieg der Bezugskosten für Energie in den letzten Jahren: erheblicher Kostenfaktor beim Betrieb von Anlagen

Kläranlagen tragen bei Kommunen mit ca. 20...30% zum Gesamtenergieverbrauch mit entsprechenden Kostenanteilen bei

Reduzierung des Energieverbrauchs kann kommunalen CO2-Ausstoß verringern

Modellprojekt ‚Energetische Optimierung von Kläranlagen in

Rheinland-Pfalz‘ im Auftrag des MUFV


Ziel: Steigerung der Energieeffizienz bei der Abwasserreinigung in Rheinland-Pfalz

Energieanalysen für 4 Referenzanlagen Bewertung des Energieeinsatzes Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Überprüfung der Wirtschaftlichkeit

Abschätzung des Einsparpotentials RLP Prüfung der Übertragbarkeit Betrachtung von Maßnahmenszenarien Einsatz weitergehender Technologien

2 Projektziel, Vorgehensweise und Ergebnisse


Ausgewählte Referenzanlagen

KA Fischbachtal (5.500 EW)simultane aerobe Stabilisierung

KA Billigheim (22.200 / 40.400 EW)getrennte aerobe Stab., Kampagne

KA Bad Ems (20.000 EW)anaerobe Stabilisierung

KA Speyer (82.400 EW)anaerobe Stabilisierung


Grobanalyse

Feinanalyse

Umsetzung

Erfolgskontrolle

Vorgehensweise: in Anlehnung an ‚Handbuch Energie‘ NRW

Grobanalyse

• Bestandsaufnahme von Verfahrenstechnik Betriebs- und Anlagendaten• Kennzahlenvergleich und Bewertung• Ableitung von Optimierungsmaßnahmen

Feinanalyse:

• Erstellen einer Energiematrix• detaillierte Maßnahmenbeschreibung und Wirtschaftlichkeitsberechnung


500.000250.000

Ene rg ie ve rb ra uc h [kWh/a ]

0

Ho c hwa sse rp um p we rk

Re ziku la tio n

P-Fä llung

Re c he n

Vo rklä rung

RÜB

Eind ic kung

N a c hklä rung

Sc h la m m e ntwä sse rung

Fa ulung

Sa nd fa ng

Infra struktur

Rüc kla ufsc h la m m

Rührwe rke

Einla ufhe b we rk

Be lüftung Bio lo g ie

Energierelevante Anlagendaten


Begriffe:

Richtwert:

Ein aus durchgeführten Energieanalysen in NRW abgeleiteter

Wert, der realistisch erreicht werden kann

Idealwert:

Ein theoretischer Wert, der anhand von Berechnungen an

einer Modellanlage unter optimalen Voraussetzungen

erreicht werden kann


Kennzahlensystem Handbuch Energie in KA

Bsp.: Aerobe Stab.anlage für 15.000 EW


ges. spez. Elektrizitätsverbrauch kWh/(E*a) 36 31 24

spez. Elektrizitätsverbrauch Belebung kWh/(E*a) 27 22 17

ges. Faulgasnutzung % 83% 98% 99%

Faulgasumwandlung in Elektrizität % 23% 30% 31%

spez. Faulgasproduktion l/(kg oTR) 394 450 475

Eigenversorgungsgrad Wärme % 96% 97% 98%

Elektrizität % 26% 55% 72%

IdealwertKA Speyer IST-Zustand Richtwert

Energienachweis für den Ist-Zustand


Spezifischer Elektrizitätsverbrauch, alle Anlagen


1) ohne RÜB und HW-Pumpwerk

2) abzüglich Einspeisung

3) EVU, Deponie, Notstrom

Bereich [%-Anteil]berechneter Verbrauch

[kWh/a]

EW-spez. Verbrauch [kWh/(E*a)]

Modellanlage[kWh/(E*a)]

Abwasser-Behandlung

Regenüberlaufbecken 2.592 0,03

Hebewerke/Pumpwerke (Zulauf) 6,6% 191161 2,32 1,86

Rechen 0,2% 4.348 0,05 0,09

Sandfang 0,7% 19.174 0,23 0,5

Vorklärung 0,3% 9.757 0,12 0,1

Biologische Stufe / Belebung 78,4% 2.264.489 27,48 16,6

Nachklärung 1,1% 30.901 0,37 0,15

Fällmitteldosierung 0,0% 841 0,01 0,04

Schlamm-Behandlung

Voreindickung 1,9% 56.095 0,68 1,46

Anaerobe Stabilisierung 5,0% 144.854 1,76 1,1

Entwässerung 2,9% 83.367 1,01 0,91

Infrastruktur

Betriebsgebäude 0,6% 16.080 0,20 0,18

Betriebsmittel 0,0% 312 0,00 0,26

Abluftreinigung/Lüftung 2,3% 65.320 0,79 0,73

Hochwasserpumpwerk 55.940 0,68 0,11

Endenergieverbrauch berechnet 1) 100% 2.886.700 35,0 24,0

Endenergieverbrauch gemessen 1) 101% 2.928.161 35,5

Eigenerzeugung genutzt 2) 782.500

Fremdenergiebezug 3) 2.204.193

Energieverbrauchermatrix


Verfahrenstechnische Maßnahmen: Anpassung des Sauerstoffgehaltes Überprüfung des Schlammalters Überprüfung der Regelstrategien Mengenproportionale RS-Förderung ...

Maschinentechnische Maßnahmen

Einsatz energieeffizienter Pumpen Ersatz Belüfterelemente Austausch von Gebläsen / Verdichtern Einrichtung BHKW/MGT...

Maßnahmen zur Energieoptimierung


Beispiel: Anpassung von Schlammalter und O2-Gehalt

Hintergrund:

O2-Gehalte größer 2 mg/l verbessern die Nitrifi-kationsrate nur noch geringfügig

hohe Schlammalter: hohe endogene Atmung, (Teil-)Stabilisierung und geringer Gasertrag

KA Speyer:

1. Ist-Zustand 1,9 Mio. kWh/a (22,8 kWh/(E*a)) beitTS von bis zu 30 d und cO2 von 2,8 mg/l

2. Optimierter Zustand (tTS = 16 d und 1,5 mg O2/l) verbraucht 1,5 Mio. kWh/a (18,3 kWh/(E*a))

3. Vorschlag TSBB und cO2 stufenweise absenken

(4. Alternativ: Belebungsbecken stilllegen)


Beispiel: Austausch von Belüftungselementen

Hintergrund: Belagsbildung, Auslösen von Weichmachern und

Alterung verschlechtern den Sauerstoffertrag neue flächendeckende Druckluftbelüftungssysteme

erreichen Einträge von über 20 g O2/(m³*mET)

KA Billigheim (außerhalb Kampagne):

1. Ist-Zustand 0,47 Mio. kWh/a (25 kWh/(E*a))

2. Einsatz feinblasiger Plattenbelüfter mit einem Sauerstoffeintrag von 29 g O2/(m³*mET)

3. Optimierter Zustand verbraucht 0,21 Mio. kWh/a (11 kWh/(E*a))


Beispiel: Einsatz von energieeffizienten Pumpen

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 200

= 60 %= 70 %

= 75 %

= 77 %

= 75 %

400 600 800 1000

Fördermenge [m³/h]

Förd

erh

öhe

[m]

n = 960 n = 850 n = 750 Anlagenkennlinie

Arbeitsbereichder Pumpe

Hintergrund: energieeffiziente Pumpen haben Kenn-

werte zwischen 4 und 6 Wh/(m³*mFH)

ungünstige Auslegung, Verschleiß undfehlende Regelbarkeit erhöhen den Energieverbrauch

KA Fischbachtal:

1. Ist-Zustand 25.800 kWh/a (4,7 kWh/(E*a))

2. Installation einer RS-Pumpe mit einem spez. Energiebedarf von 5 Wh/(m³*mFH)

3. Optimierter Zustand verbraucht 3.800 kWh/a (0,7 kWh/(E*a))


Theoretisches Einsparpotenzial über alle Anlagen


Sofortmaßnahmen

Realisierungshorizont 0-2 Jahre

Erfordern geringe Investitionen

K/N bis 0,3

Können aufgrund der betrieblichen Randbedingungen sofort realisiert werden


Kurzfristige Maßnahmen


Insgesamt wirtschaftlich

K/N zwischen 0,3 und 0,6

Mit Investitionen verbunden

Präzisierung in Ausführungsplanung


Abhängige Maßnahmen


Sind an Bedingungen geknüpft

Mit Investitionen verbunden

In der Regel erst nach Nutzungsdauerende der ‚alten‘ Aggregate/Bauwerke


Energienachweis nach Umsetzung der Maßnahmen


Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen


3 Potenzial für Energieoptimierung in Rheinland-Pfalz

Abschätzung ausgehend von der Verteilung der Anlagen auf Größenklassen und spez. Besonderheiten in RLP

Konzentration auf Belebungsanlagen (> 95% aller EW in RLP)

spezifischer Energieverbrauch

Bundes-weit ATV-Arbeitsbericht (1999) RLP-

Energieprojekt Angenommene Werte

für RLP

[kWh/EW*a] [kWh/EW*a] [kWh/EW*a] [kWh/EW*a]

GK 1 75 - - 75

GK 2 55 44,81) 42 45

GK 3 44 41,32) 42

GK 4 35

- 42 51 381) 40

GK 5 32 - 36 35 1) Kampagnebetrieb


Charakterisierung der vorhandenen AnlagenIn RLP werden derzeit etwa 750 kommunale KA mit einer Gesamtausbaugröße von etwa 7,175 Mio EW betrieben

250

275

73

140

10109

679542

3.810

2.035

0

50

100

150

200

250

300

GK 1 GK 2 GK 3 GK 4 GK 5

Anzahl der Kläranlagen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Ausbaugröße (EW) in 1.000 EW

Σ Anzahl der Kläranlagen Σ Ausbaugröße insgesamt (1.000 EW)


Energieverbrauch der Belebungsanlagen in RLP

Energieverbrauch der Belebungsanlagen

3.85621.982 19.961

151.898

71.225

268.920

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

GK 1 GK 2 GK 3 GK 4 GK 5 Summe

MW

h/a

ca. 17%

533 Anlagen

ca. 37 Mio €!


Abschätzung des Optimierungspotenzials

Betrachtung unterschiedlicher Szenarien

(1) Umsetzung betrieblicher und maschinentechnischer Maßnahmen

(2) Umstellung von aeroben Stabilisierungsanlagen der GK 4 (82 Anlagen) auf Faulung

(3) Reduzierung Fremdwasser von 30 auf 20%

(4) Erhöhung der Eigenstromerzeugung

4.1 Nutzung vorhandener Faulraumkapazitäten (Reserve: ca. 720.000 EW)4.2 Verstromung des derzeit abgefackelten Faulgases zu 80% mit elektr. Wirkungsgrad von 30%


Maßnahmenabschätzung

30%

4%9,5%

1,5% 3,4% 7,2% 3,2%0%

20%

40%

60%

80%

100%

betr

iebl

iche

+m

asch

inen

tech

n.M

aßna

hmen

Sch

lam

mal

ter,

Sau

erst

off

Um

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lung

auf

Fau

lung

Fre

mdw

asse

r

Nac

hrüs

tung

BH

KW

Nac

hrüs

tung

+C

o-V

ergä

rung

BH

KW

+5%

durch Kombination von Maßnahmen sind in Einzelfällen durchaus Potenziale von 35 – 40% zu erwarten (Mix aus Einsparung und Erzeugung)

Potenzielles Einsparpotenzial von dann 120.000...130.000 MWh!

Prioritäten!


4 Fazit und Ausblick

Erhebliches Potenzial zur energetischen Optimierung der Abwasserreinigungsanlagen in RLP

Umsetzung der betrieblichen und maschinentechnischen Maßnahmen weist mit rund 30% das größte Potenzial auf

Ca. 65% aller Maßnahmen sind Sofortmaßnahmen mit K/N = 0,1 Sehr kostenaufwendige Umstellung von aeroben

Stabilisierungsanlagen auf Faulung birgt Potenzial von knapp 10% Fremdwasserentflechtung ca. 1,5% großes Potenzial bietet Eigenstromerzeugung und –nutzung:

konsequente Nachrüstung der Faulungsanlagen mit effizienten BHKW (wenn wirtschaftlich sinnvoll) sowie Nutzung der vorhandenen Faulraumkapazitäten bietet erhebliches Potenzial

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