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Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants.

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Präsentation zum Thema: "Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants."—  Präsentation transkript:

1 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn

2 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Potentiale für die Biogasproduktion 1.Klärschlamm 2.Co-Substrate (z.B. Fett, Bioabfall) 3.Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) 4.Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten)

3 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Grundsätzliches zum Thema Schlamm 1.Bei der Abwasserreinigung entsteht unvermeidbar Schlamm 2.Jeder hat den Schlamm, den er verdient 3.Schlamm muss stabilisiert werden 4.Schlamm ist eine Ressource (Energie, N, P)

4 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm Organisches Substrat CSB = mg O 2 /L 1 O 2 -Verbrauch 400 mg O 2 /L 1-Y H Energiestoff- wechsel Gebildete Bakterienmasse CSB = 600 mg O 2 /L Y H Baustoff- wechsel Y H : Ertragskoeffizient, Yield

5 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Klärschlammanfall in China (2006) Gesamtschlammanfall im Jahr 2006: 9 Mio. t TR (Zhou, 2007) (Wang et al., 2006)

6 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft H2OH2O N, P, K Organik (CSB) "Problemstoffe" Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen 2. Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient

7 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Schadstoffe im Klärschlamm Quelle: Europäische Kommission, 2000 Novellierung der EU-Klärschlammrichtlinie: Entwurf neuer Grenzwerte für Schwermetalle und org. Schadstoffe [mg/kg TR]

8 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 3. Ziele der anaeroben Schlammstabilisierung Reduzierung der zu entsorgenden Schlammenge bzw. des Volumens (geringere Entsorgungskosten) Verminderung von biologischen Prozessen und Geruchsbildung Verbesserung der Entwässerbarkeit Reduktion (pathogener) Keime Energiegewinnung: Produktion von Biogas, Strom

9 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Anaerobe Schlammstabilisierung Faulung von - Primärschlamm - Überschussschlamm Verfahrensführung - 1-stufig - mehrstufig - mesophil - thermophil

10 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit (Kapp, 1984)

11 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration Schwimmschlamm B Nach- Vorklär-Belebungsbeckenklär- becken Primär- schlamm E A C Rücklaufschlamm E1 D1 D2D Überschussschlamm E2 Faul- behälter F G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat A2 A1 (Dichtl, 2007)

12 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate SubstratGasproduktion [NL/kg oTR zu ] CH 4 -Gehalt Primärschlamm % Überschussschlamm % PS+ÜS % Kohlenhydrate89050% Eiweiße59084% Fette* % (*1 kg Fett = 10 kWh Primärenergie)

13 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential BHKW Biogas- Anlage CH 4 + CO 2 4 GW EL + 3,4 GW therm. PS 16,6 Mio. t TS/a Abwasser 33,2 Mio. t TS/a ÜS 21,3 Mio. t TS/a RS 37,9 Mio. t TS/a

14 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential 4 GW = 4 große AKW

15 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 4. Schlamm ist eine Ressource Für 1,3 Milliarden Menschen ergibt sich ein Potenzial im Rohschlamm von: 38 Mio. t TS/a, 1,4 Mio. t Stickstoff/a, 1 Mio. t Phosphor/a Sowie weitere Wertstoffe, z.B.: Kalium Magnesium Schwefel

16 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Der Wert des chinesischen Rohschlamms, RS = 8,4 Mrd. /a bzw. 220 / t TR Rohschlamm RessourceMarktwertWert RS [/tTR] Ressourcenpotential für China [/a] Phosphor (P)3,13 /kg P89, Stickstoff (N)1,03 /kg N38, Feststoffe (TS)0,094 /kg TS93,

17 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Gasverwertung auf Kläranlagen Verwendung des Faulgases auf Kläranlagen in Deutschland (Haberkern et al., 2004) Verstromung im BHKW: Aus 100% Primärenergie werden: % Strom und % Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar)

18 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Organische Verbindungen (CSB) als Ressource + 0,9 kWh EL /kg CSB Anaerober Abbau BHKW Biogas CSB Biogas- Anlage CH 4 + CO 2 - 0,35 kWh EL /kg CSB CSB Aerober Abbau CO 2 + H 2 O Belüftung

19 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) - 35 Mio. MWh EL /a (= 4 GW) 57 Mio. t CSB/a Mio. t N/a Aerober Abbau CO 2 + H 2 O Belüftung + 64 Mio. MWh EL /a (= 7,3 GW) Anaerober Abbau BHKW Biogas Biogas- Anlage CH 4 + CO 2 57 Mio. t CSB/a

20 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW

21 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Produkte:

22 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Konzept zur direkten Verwertung –Anbau Nachwachsender Rohstoffe

23 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für EW Düngung mit Schwarzwasser kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Verluste kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S t/a Mais FM Maissilage Externe Vermarktung Biogas- anlage Output Wirtschaftsdünger kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Biogas Zudüngung Mineraldünger 0 kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Düngung mit Schwarzwasser kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Verluste kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Maisanbau auf ha t/a Mais FM Maissilage Externe Vermarktung Biogas- anlage Output Wirtschaftsdünger kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S Biogas Zudüngung Mineraldünger 0 kg/a N kg/a P kg/a K kg/a Mg kg/a S 90,5 GWh el. /a 54 GWh therm. /a BHKW 10,3 MW

24 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 1 Abwasserreinigung (AR) (32 kWh/EW*a) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung]

25 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 1 Abwasserreinigung (ARA) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA 4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung]

26 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Ausblick P orgC S Mg Ca Na KN


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