Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien."—  Präsentation transkript:

1 Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien

2 Einleitung Klimaveränderung und Energiebedarf sind dominante Themen Einsparung an fossilen Brennstoffen Erneuerbare Energieträger Faulgas (Biogas) Abwasserreinigung hat in Österreich an politischer Bedeutung verloren, weil zumindest die Erstausstattung in Österreich und weiten Teilen Westeuropas weitgehend vorhanden ist.

3 Einleitung Derzeit hohe Energiepreise und staatliche Förderung für Energie aus nachwachsenden Rohstoffen Druck auf Kläranlagen, Einsparungspotenziale beim Energiebedarf zu ermitteln und umzusetzen Auch wenn sich diesbezügliche Verbesserungen nur sehr langsam amortisieren Abwasserbenchmarking liefert viel Datenmaterial zur Überprüfung theoretischer Überlegungen mit den Ergebnissen des praktischen Betriebes

4 Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Welchen Einfluss hat die geforderte Reinigungsleistung auf den Energiebedarf? Die Reinigungskapazität einer Belebungsanlage, ist abhängig vom Schlammalter und der Temperatur Die tatsächlich erzielte Reinigungsleistung auch von der Steuerung der Sauerstoffzufuhr

5 Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Energiebedarf ist primär von der Sauerstoffzufuhr durch Belüftungssysteme abhängig. Der gesamte Sauerstoffbedarf setzt sich zusammensetzen aus: OVC Sauerstoffbedarf für die Oxidation der Kohlenstoffverbindungen OVN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu Nitrat, das im Ablauf enthalten ist (4,3 g O 2 /g NO 3 -N e ) OVDN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu molekularem Stickstoff, der durch Denitrifikation aus dem Abwasser entfernt wird (1,7 g O 2 /g N-DN)

6 Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Berechnung von OVC Schlammalter CSB-ÜS OVC ohne Vorklärung mit Vorklärung [d] Energie im Schlamm Energiebedarf für Belüftung

7 Mittlere Jahrestemperatur im Belebungsb.°C15 CSB von ausgefaultem Schlamm g/EW 110 /d30 CSB von simultan aerob stabilisiertem Schlamm, Optimierung für N-Entfernung g/EW 110 /d34 CSB von simultan aerob stabilisiertem Schlamm, Optimierung für Stabilisierung g/EW 110 /d30 Sauerstoffertrag unter Betriebsbedingungen konventionell /effiziente neue Anlagen kg O 2 /kWh1,7 /2,2 Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Annahmen für Energiebedarfsrechnung bei verschiedenen Fallbeispielen

8 Fallbeispiele für Energiebilanzen ReinigungsanforderungAnlagentyp t TS (d) 1EU-Anforderung für normale Gebiete (BSB-Entfernung) 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung 4 2EU-Anforderung für empfindliche Gebiete, 75% N-Entfernung, Nitrifikation T>8°C 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, konventionelle Ausrüstung 15 3EU-Anforderung für empfindliche Gebiete, 75% N-Entfernung, Nitrifikation T>8°C; 2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, effiziente Ausrüstung 1,5/ 8 4gleichzeitige aerobe Schlammstabilisierung mit Stickstoffentfernung >80% 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, intermittierende Belüftung 25 5gleichzeitige aerobe Schlammstabilisierung, ohne Stickstoffentfernung 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, aerobes Schlammalter 25 d 25

9 Fallbeispiel 1: 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung CSB Zulauf110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärbecken (CSB-Entfernung VKB 30%)77 g/EW/d CSB im Primärschlamm: 110 – 77 =33 g/EW/d Ablauf CSB11 g/EW/d CSB Abbau Belebung: =66 g/EW/d OVC = 50% vom CSB-Abbau33 g/EW/d CSB-ÜS = 50% vom CSB-Abbau33 g/EW/d CSB im ausgefaulten Schlamm30 g/EW/d CSB Zulauf Faulbehälter: PS + ÜS = =66 g/EW/d CSB Faulgas: 66 – 30 =36 g/EW/d OP= 1,7 kg/kWh; Sauerstoffgehalt im BB c x = 2mg/l Belüftungsenergie: (33/1,7) * 10/(10-2) = 24,3 Wh/EW/d Gasanfall: 36 * 0,35 =12,6 NL CH 4 /d Elektr. WirkungsgradGasmotor: 3 kWh/Nm³CH 4 Energiebilanz: 24,3 – 12,6 * 3 = -13,5 Wh/EW/d (-0,56 W/EW)

10 Fallbeispiel 2: 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung 75% N-Entfernung OP = 1,7 kg O 2 /kWh; Sauerstoffgehalt im BB c x = 1,5 mg/l OVgesamt= = 57 g/EW/d; Belüftungsenergie: 57/1,7 * (10/8,5) = 39,4 Wh/EW/d Gasanfall: 30 * 0,35 = 10,5 NL CH 4 /d; Wirkungsgr. Gasmotor: 3 kWh/Nm³CH 4 Energiebilanz: 39,4 - 10,5*3 = +7,9 Wh/EW/d (+0,33 W/EW) CSB Zulauf (9 g N/EW/d)110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärung: (CSB-Abnahme VKB: = 30%)77 g/EW/d CSB Primärschlamm33 g/EW/d CSB Ablauf9 g/EW/d CSB Entfernung in Belebung: 77 – 9 =68 g/EW/d OVC (Abb. 2)41 g/EW/d CSB-ÜS (2 g N/EW/d)27 g/EW/d OVN = ( ) * 4.3 =6 g/EW/d OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 5,6 g N/EW/d): 5,6 * 1.7 =10 g/EW/d CSB im ausgefaulten Schlamm:30 g/EW/d CSB im Zulauf Faulbehälter: =60 g/EW/d CSB im Faulgas = =30 g/EW/d

11 Fallbeispiel 3: 2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, 75% N-Entfernung, effiziente Ausrüstung Sauerstoffertrag OP = 2,2 kg O 2 /kWh; Sauerstoffgehalt im BB c x = 1,5 mg/l OVgesamt= ,7 + 6,3+ 1,6 = 49,6 g/EW/d Belüftungsenergie:(49,6/2,2)*10/8,5 = 26,5 Gasanfall: 38 * 0,35 =13,3 NL CH4/d; Wirkungsgrad Gasmotor: 4 kWh/Nm³CH 4 Energiebilanz: 26,5 – 13,3 * 4 = -26,7 Wh/EW/d (-1,1 W/EW) CSB Zulauf (9 g N/EW/d)110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärung (Wirkungsgrad Vorklärung 30%):77 g/EW/d CSB im Primärschlamm33 g/EW/d CSB im Ablauf:9 g/EW/d CSB-Entfernung in Belebung68 g/EW/d OVC (Abb. 2)34 g/EW/d CSB – ÜS (3,5 g N/EW/d)34 g/EW/d CSB im Zulauf Faulbehälter:(3,5 g N/EW/d): =68 g/EW/d OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 3,7 g N/EW/d): 3,7 * 1,7=6,3 g/EW/d OVN= (9-3,5-3,7) * 4,3=7,7 g/EW/d CSB im ausgefaulten Schlamm (2 g N/EW/d)30 g/EW/d OV Trübwasserdenitrifikation (WETT) 1,5 * 1,05=1,6 g/EW/d CSB im Faulgas: =38 g/EW/d

12 Fallbeispiel 4: 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, intermittierende Belüftung, 75% N-Entfernung Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O 2 /kWh; Sauerstoffgehalt im BB c x =1,0 mg/l OV gesamt=: ,3 + 11,9 = 86 g O 2 /EW/d; Belüftungsenergie = (86/1,7) * 10/9 = +56,2 Wh/EW/d Energiebilanz: +56,2 Wh/EW/d (+2,3 W/EW) CSB Zulauf (11 g N/EW/d)110 g/EW/d CSB Ablauf9 g/EW/d CSB-Entfernung in Belebung101 g/EW/d OVC67 g/EW/d CSB im stabilisierten ÜS (2,3 g N/EW/d)34 g/EW/d OVDN: N-Entfernung 7 g N/EW/d: 7 * 1,7=11,9 g/EW/d OVN (NO 3 -N im Ablauf: (11 – 2,3 – 7) 4,3 =7,3 g/EW/d

13 Fallbeispiel 5: 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, aerobes Schlammalter 25 d (weitgehende Schlammstabilisierung) Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O 2 /kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx=1,2mg/l Belüftungsenergie : (107,7/1,7)*10/8,8 = +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW) Energiebilanz: +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW) CSB- Zulauf: (11 g N/EW/d)110 g/EW/d CSB im Ablauf9 g/EW/d CSB Entfernung in Belebung101 g/EW/d OVC (Abb. 2)69 g/EW/d CSB im stabilisierten Schlamm:(2 g N/EW/d)30 g/EW/d OVN (Nitrat im Ablauf 11-2 = 9): 9 * 4,3 g O 2 /gN =38,7 g/EW/d OV Gesamt : ,7 =107,7 g/EW/d

14 Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele Dim12345 Sauerstoffertrag OPkgO 2 /kWh1,7 2,21,7 Mittl. O 2 -Gehaltmg/l21,5 11,2 η el Gasmotor% Leistung BelüftungW/EW1,01,91,12,33,0 Sonstiger BedarfW/EW0,7 1,00,70,6 el. EnergiebedarfkWh/EW/a el. Leistung BiogasW/EW1,61,32,200 el. GesamtleistungW/EW0,21,2-0,13,03,6 el. EnergiebezugkWh/EW/a

15 Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 W/EW Belüftung Sonstige Biogas Gesamt 12345

16 Resümee aus den Energiebilanzen Höhere Anforderungen an die Reinigungsleistung (Nährstoffentfernung statt nur BSB-Entfernung) führen zwar zu einem höheren Energiebedarf durch bessere Verfahrenswahl, effizientere Ausrüstung und Nutzung des Faulgases kann dies kompensiert werden (Fallbeispiele 1, 2 und 3). Große Kläranlagen können heute trotz hoher Anforderungen an die Nährstoffentfernung, über ein Betriebsjahr gesehen, ohne externe Energiezufuhr betrieben werden. Ausgleich zwischen einer relativ konstanten Energieproduktion aus Faulgas und den starken Schwankungen des Energiebedarfs für die Belüftung über den Anschluss an das Stromnetz (Beispiel 3).

17 Resümee aus den Energiebilanzen Bei kleinen Anlagen (< EW) ist es nicht wirtschaftlich, den Bedarf an externer Energiezufuhr zu minimieren, weil die Einsparung an Energie zumindest derzeit nicht die erhöhten Investitionskosten für eine Schlammfaulung mit Verstromung des Faulgases wettmachen können. Die Minimierung des Energiebedarfes ( Maximierung der Stickstoffentfernung) resultiert in schlechterer Stabilisierung des Schlammes (Fallbeispiele 4 und 5).

18 Realer Gesamtenergiebedarf von 47 Anlagen (kommunale Kläranlagen in Österreich von bis 1 Mio. EW)

19 Zusammenfassung Die auf Basis gesicherter theoretischer Grundlagen und Erfahrungswerte berechneten Kennzahlen für den spezifischen Leistungsbedarf je EW stimmen sehr gut mit den Ergebnissen des österreichweit angewendeten Abwasserbenchmarkings überein. Der Einfluss der Reinigungsleistung auf den Energiebedarf ist zwar vorhanden aber nicht dominant Den stärksten Einfluss auf den Energiebedarf hat die Größe der Anlage, v.a. wenn gleichzeitig die Minimierung der Gesamtkosten angestrebt wird

20 Zusammenfassung Für die Herstellung und laufende Instandsetzung der Kläranlagen kann ein mittlerer Leistungsbedarf von ~12 W/E abgeschätzt werden (vorwiegend fossile Energieträger). In elektrische Leistung umgerechnet wären das >4 W/E. Damit liegt der Energiebedarf für die Errichtung und laufende Instandsetzung von Kläranlagen in der gleichen Größenordnung wie der Energiebedarf für den Betrieb Einsparungen an Energie dürfen nie zu Lasten der Reinigungsleistung durchgesetzt werden. Insgesamt spielt der Energiebedarf von Kläranlagen auf nationaler Ebene weder für den Energiehaushalt noch für die Volkswirtschaft eine wichtige Rolle.

21 Zusammenfassung Beim Betrieb von vielen Abwasserreinigungsanlagen ist ein relevantes Einsparungspotenzial an Energie vorhanden. Wieweit es wirtschaftlich ist dies zu realisieren, muss bei bestehenden Anlagen im Einzelfall entschieden werden. Energieautarke Kläranlage? Es ist nachweislich möglich große Kläranlagen (> EW) trotz hoher Anforderungen an die Reinigungsleistung (1.AEVkA) so zu planen und zu betreiben, dass in einer Jahresbilanz keine externe Energiezufuhr benötigt wird. Ob dies immer erstrebenswert ist, muss unter Berücksichtigung aller spezifischen lokalen Randbedingungen entschieden werden.


Herunterladen ppt "Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen