Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

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Prof. Dr. Peter Cornel

TU Darmstadt, Institut IWAR
Franziska-Braun-Str. 7
64287 Darmstadt

Tel.: +49 6151 16-27 48
p.cornel@iwar.tu-darmstadt.de

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Logo ESiTIAbwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch

Hintergrund

Grundsätzlich ist für die kommunale Abwasserbehandlung ein erheblicher Einsatz von Energie erforderlich. Gleichzeitig enthält Abwasser jedoch auch Energie in Form von Wärme und chemisch gebundener Energie, die im Rahmen der Abwasserbehandlung genutzt werden kann. Energieverbrauch und -erzeugung auf kommunalen Kläranlagen unterliegen in der Regel separat optimierten Prozessen und sind örtlich und zeitlich voneinander getrennt. Durch die Vernetzung von Energieverbrauch und -erzeugung kann das Teilsystem Kläranlage zum Energiespeicher werden, womit durch Interaktion mit technischen Infrastruktureinrichtungen, z. B. zum Energieversorgungsunternehmen oder zu Großenergieverbrauchern resp. -erzeugern (Industrie, Müllheizkraftwerk, etc.) weitere Potenziale zur effizienten Energienutzung und -erzeugung erschlossen werden können.

Kläranlage als Energieverbraucher, -erzeuger und -speicher

Abb. 1: Kläranlage als Energieverbraucher, -erzeuger und -speicher

Einen wichtigen technischen Baustein bildet dabei die Klärschlammbehandlung durch das Potenzial der Energiespeicherung und -erzeugung. Im Rahmen des Verbundprojektes gilt es, das System der Klärschlammbehandlung weiterzuentwickeln mit dem Ziel einer intelligenten und flexiblen Energiekonzeption, wobei die verschiedenen Energieformen, d.h. Strom, Wärme, Kälte, chemisch gebundene Energie (Klärschlamm, Gas) sowie Arbeit zusammengeführt werden sollen. Von hoher Relevanz ist dabei sowohl die energetische als auch die stoffliche Bilanzierung, d. h. die Erweiterung der Betrachtungsgrenzen auf im Klärschlamm bzw. in Co-Substraten chemisch gebundene Energie.

Ziele

Ziel ist die Entwicklung eines Planungswerkzeugs auf Basis eines Leitfadens und Tools für die Anwendung in der Praxis unter Berücksichtigung von technischen, ökologischen, ökonomischen und  gesellschaftlichen Aspekten für den Betrieb einer Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft in der Interaktion mit Infrastruktureinrichtungen. Ziel ist die Identifizierung der Kläranlage als Energiesystemdienstleister mit der Klärschlammfaulung als Energieverbraucher, -speicher und -erzeuger im Zentrum bei maximaler Flexibilisierung der Energieströme. Das Planungswerkszeug führt dabei die Ergebnisse aus den Untersuchungen am Beispiel der Wissenschaftsstadt Darmstadt in den Bereichen „System“, „Technik“, „Ökologie“ sowie „Ökonomie und Gesellschaft“ zusammen und schafft somit eine Bewertung aus unterschiedlichen Perspektiven. Das Planungswerkzeug bildet den Transfer für eine Anwendung durch eine Abbildung von Kennzahlen und Entscheidungsbäumen. Im Rahmen einer interdisziplinären Bearbeitung erfolgt dabei eine ganzheitliche Betrachtung, repräsentiert durch die unterschiedlichen Verbundpartner aus Kommune, Industrie und Wissenschaft. Durch die zunächst exemplarische Durchführung der Untersuchungen am Beispiel der Wissenschaftsstadt Darmstadt soll eine hohe Anwenderrelevanz sichergestellt werden. Mit rd. 145.000 Einwohnern als südliches Oberzentrum der Metropolregion Rhein-Main kann Darmstadt als Beispielstadt für zahlreiche Städte dienen, womit ein Transfer der Forschungsergebnisse über das zu entwickelnde Planungswerkzeug sichergestellt ist. Für dieses Anwendertool werden Bewertungen und vor allem Kennzahlen aus den einzelnen Arbeitszielen integriert und aufgrund der Durchführung von Expertenworkshops die Anwender direkt miteingebunden.

Arbeitsschwerpunkte

Die Bearbeitung des Verbundprojektes erfolgt innerhalb von fünf Hauptarbeitsschwerpunkten:

(1) Systembetrachtung: Erfassung und Visualisierung der dynamischen Energieströme der Kläranlage im Zusammenspiel mit technischer Infrastruktur, Weiterentwicklung der Kläranlage zum Energiesystemdienstleister im sektorübergreifenden Zusammenspiel von Energieströmen (Strom, Wärme, Kälte aber auch mögliche Speichermedien wie z. B. Klärschlamm, Substrate, Faulgas)

(2) Technik: Entwicklung einer Klärschlammbehandlung als funktionaler Baustein für ein flexibles Energiesystem, d. h. für Energieverbrauch, -speicherung und -erzeugung

  • Optimierung der Faulung für eine flexible Energienutzung (Wärmespeicher, Stoßbeschickung, Faulgasproduktion/- verwertung, etc.); Entwicklung/Erweiterung von Betriebs- und Bemessungsansätzen (Nutzung von Co-Substraten); Entwicklung/Erweiterung der Anwendung von neuen Faulverfahren (Hochlastfaulung)
  • Entwicklung von Verfahrenskombinationen für eine Nutzbarmachung von schwer abbaubaren Substanzen durch Nutzung von „überschüssiger“ Energie (Wärmesenke) oder regenerativen Energien (Solarthermie) mittels Thermodruckhydrolyse
  • Entwicklung eines Gesamtsystems der thermischen Klärschlammwertung (Verbrennung) unter Berücksichtigung von neuen Verfahren (Pyrolyse, Vergasung); Ziel ist hier die Implementierung einer nachhaltigen Klärschlammverwertung bei einer hohen Betriebs-/ Entsorgungssicherheit, d. h. Optimierung bezüglich der energetischen (Einsatz geeigneter Kraft-Wärme-Kopplungsprozesse für Strom und Wärme) als auch stofflichen Nutzung (Phosphorrückgewinnung)

(3) Ökologische Bewertung der Maßnahmen zur Energieoptimierung im Hinblick auf die Umweltauswirkungen bzw. auf die Abwasser- und Klärschlammbehandlung

(4) Analyse von treibenden und hemmenden Faktoren für die untersuchten Verfahrensvarianten, sektorübergreifende Organisation, Integration von Entscheidungsträgern, multikriterielle Bewertung, indem aufbauend auf einer betriebswirtschaftlichen Betrachtung weitere ökonomische, ökologische und soziale Kosten und Nutzen einfließen.

(5) Transfer: Entwicklung eines Planungswerkzeugs für die Einbindung der Kläranlage in ein Energieverbundsystem. Ziel ist es, die gewonnenen Forschungsergebnisse, exemplarisch ermittelt für die Wissenschaftsstadt Darmstadt, als Basis eines Planungswerkzeugs zu transferieren. Über die ermittelten Kennzahlen entsteht damit ein Anwendertool, wobei sowohl ein down- als auch up-scaling Berücksichtigung findet. Die Realisierung erfolgt dabei in einer Kombination von Leitfaden und Anwendertool.

Darstellung der Verknüpfung der Ziele innerhalb des Verbundprojekts mit dem Planungswerkzeug (Leitfaden und Anwendertool)

Abb. 2: Darstellung der Verknüpfung der Ziele innerhalb des Verbundprojekts mit dem Planungswerkzeug (Leitfaden und Anwendertool)

Weitere Informationen

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