Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn

Präsentation zum Thema: "Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn"—  Präsentation transkript:

1 Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn
Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn

2 Potentiale für die Biogasproduktion
Klärschlamm Co-Substrate (z.B. Fett, Bioabfall) Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten)

3 Grundsätzliches zum Thema Schlamm
Bei der Abwasserreinigung entsteht unvermeidbar Schlamm „Jeder hat den Schlamm, den er verdient“ Schlamm muss stabilisiert werden Schlamm ist eine Ressource (Energie, N, P)

4 1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm
O2-Verbrauch 400 mg O2 /L 1-YH Energiestoff-wechsel Organisches Substrat CSB = mg O2 /L 1 Gebildete Bakterienmasse CSB = 600 mg O2 /L YH Baustoff-wechsel YH: Ertragskoeffizient, Yield

5 Klärschlammanfall in China (2006)
Gesamtschlammanfall im Jahr 2006: 9 Mio. t TR (Zhou, 2007) (Wang et al., 2006)

6 2. „Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient“
N, P, K "Problemstoffe" H2O Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen

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

8 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 Anaerobe Schlammstabilisierung
Faulung von - Primärschlamm - Überschussschlamm Verfahrensführung - 1-stufig - mehrstufig - mesophil - thermophil

10 Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme
(Kapp, 1984) Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit

11 Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration
Schwimmschlamm B Nach- Vorklär- Belebungsbecken klär- becken Primär- schlamm E A C Rücklaufschlamm E1 D1 D2 D Überschussschlamm E2 Faul- behälter F G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat A2 A1 (Dichtl, 2007)

12 Gasproduktion [NL/kg oTRzu]
Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate Substrat Gasproduktion [NL/kg oTRzu] CH4-Gehalt Primärschlamm 60-65% Überschussschlamm PS+ÜS Kohlenhydrate 890 50% Eiweiße 590 84% Fette* 1.540 70% (*1 kg Fett = 10 kWh Primärenergie)

13 Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential
Abwasser 33,2 Mio. t TS/a PS 16,6 Mio. t TS/a ÜS 21,3 Mio. t TS/a CH4 + CO2 RS 37,9 Mio. t TS/a BHKW 4 GWEL + 3,4 GWtherm. Biogas-Anlage

14 Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential
4 GW = 4 große AKW

15 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 Der Wert des „chinesischen Rohschlamms, RS“
Ressource Marktwert Wert RS [€/tTR] Ressourcenpotential für China [€/a] Phosphor (P) 3,13 €/kg P 89,12 € Stickstoff (N) 1,03 €/kg N 38,95 € Feststoffe (TS) 0,094 €/kg TS 93,60 € S = 8,4 Mrd. €/a bzw. 220 €/ t TR Rohschlamm

17 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 Organische Verbindungen (CSB) als Ressource
- 0,35 kWhEL/kg CSB CSB Aerober Abbau CO2 + H2O Belüftung + 0,9 kWhEL/kg CSB Anaerober Abbau BHKW Biogas CSB Biogas-Anlage CH4 + CO2

19 Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs
Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) Aerober Abbau - 35 Mio. MWhEL/a (= 4 GW) Belüftung 57 Mio. t CSB/a + 5.2 Mio. t N/a CO2 + H2O Anaerober Abbau Biogas CH4 + CO2 57 Mio. t CSB/a BHKW Biogas-Anlage + 64 Mio. MWhEL/a (= 7,3 GW)

20 Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs
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 Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm
Produkte:

22 Konzept zur direkten Verwertung –Anbau Nachwachsender Rohstoffe

23 Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für 350.000 EW
Zudüngung Zudüngung Mineraldünger Mineraldünger 0 kg/a N 0 kg/a N kg/a P kg/a P kg/a K kg/a K kg/a Mg kg/a Mg kg/a S kg/a S Düngung mit Düngung mit Schwarzwasser Schwarzwasser t/a t/a Maissilage Maissilage kg/a N kg/a N Mais FM Mais FM kg/a P kg/a P kg/a K kg/a K kg/a Mg kg/a Mg kg/a S kg/a S BHKW 10,3 MW Maisanbau auf ha Biogas Biogas - - Biogas Biogas Verluste Verluste anlage anlage kg/a N kg/a N kg/a P kg/a P kg/a K kg/a K 90,5 GWhel./a 54 GWhtherm./a kg/a Mg kg/a Mg kg/a S kg/a S Output Output Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger kg/a N kg/a N Externe Externe kg/a P kg/a P Vermarktung Vermarktung kg/a K kg/a K kg/a Mg kg/a Mg kg/a S kg/a S

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

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

26 Ausblick P Ca S N K Mg Na orgC