Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Kontakt

Dr. Klaus-Michael Mangold

DECHEMA Forschungsinstitut
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt

Tel.: +49 69 7564-327
mangold@dechema.de

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Logo KEStroKläranlagen als Energiepuffer für Stromnetze

Hintergrund

Im Rahmen der Energiewende wächst der Anteil regenerativer Energien, z. B. Windkraft und Photovoltaik. Diese Energiequellen unterliegen großen Schwankungen in ihrer Verfügbarkeit. Energie-Puffer-Systeme, beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke, können dies ausgleichen. Auch Kläranlagen könnten als Energie-Puffer genutzt werden.

Ziele

In dem Verbundvorhaben KEStro soll ein System zur Pufferung der Energie aus Stromnetzen entwickelt werden, das in Kläranlagen eingesetzt werden soll. Dieses System besteht aus zwei Komponenten: einer energieliefernden und einer energieverbrauchenden. Je nach Bedarf wird entweder Energie aus Abwasser gewonnen oder Energie für die Reinigung des Abwassers verbraucht. Eine mit Abwasser betriebene Biobrennstoffzelle dient als regenerative und stetig verfügbare Energiequelle. Ein neuartiges Verfahren zur elektrochemischen Beseitigung von Spurenstoffen dient als Energiesenke, die nur dann zum Einsatz kommt, wenn ein Überangebot im Stromnetz vorliegt. Von dieser Neuentwicklung profitieren neben den Betreibern von Stromnetzen vor allem die Kläranlagen. Für sie eröffnet sich eine neue Möglichkeit zur Wertschöpfung durch die Stromerzeugung aus Abwasser und durch die Kosteneinsparungen aufgrund einer verringerten Klärschlammmenge. Die Entwicklung des neuen Verfahrens zur Spurenstoffbeseitigung ist auch im Hinblick auf mögliche gesetzliche Vorgaben, die voraussichtlich nur durch Einführung einer weiteren Reinigungsstufe erfüllt werden können, von Bedeutung.

Schema des zweistufigen Prozesses zum Abbau von Spurenstoffen

Abb. 1: Schema des zweistufigen Prozesses zum Abbau von Spurenstoffen. Im ersten Schritt (linke Bildhälfte) erfolgt die Adsorption der Spurenstoffe an Aktivkohle. Im zweiten Schritt (rechte Bildhälfte) finden die elektrochemisch unterstützte Desorption und der Abbau an speziellen Elektroden statt.

Arbeitsschwerpunkte

Thematisch gliedert sich das Forschungsvorhaben in zwei Bereiche: die Biobrennstoffzelle und die Spurenstoffbeseitigung. Abwasser ist eine Ressource, die für eine nachhaltige Energiegewinnung wesentlich intensiver genutzt werden könnte. Im Gegensatz zu Windkraft und Solarenergie ist die Energiegewinnung aus Abwasser weder von Witterungsbedingungen noch von Tageszeiten abhängig. In der Biobrennstoffzelle werden an einer Elektrode Abwasserbestandteile unter Mitwirkung von Bakterien durch Oxidation abgebaut. Dadurch verringert sich auch die Menge des entstehenden Klärschlamms. An der anderen Elektrode wird Luftsauerstoff reduziert. Die Beseitigung anthropogener Spurenstoffe ist eine neue Herausforderung für Kläranlagen, die mit etablierten Reinigungsverfahren nicht bewältigt werden kann. Zahlreiche chemische Verbindungen, z. B. Flamm- und Korrosionsschutzmittel, Pflanzenschutzmittel, Weichmacher, und vor allem Arzneimittel werden in die aquatische Umwelt eingebracht und sind dort nachweisbar. Für die Beseitigung dieser Spurenstoffe soll ein neuartiges, zweistufiges Verfahrenskonzept umgesetzt werden, das von den Projektpartnern DECHEMA-Forschungsinstitut und DVGW – Technologiezentrum Wasser gemeinsam entwickelt wurde. Im ersten Schritt, der Aufkonzentrierung, erfolgt die Adsorption der Spurenstoffe an Aktivkohle. Dabei wird die Aktivkohle vom Abwasser kontinuierlich durchströmt. Dieser Schritt erfordert nur Energie für das Pumpen des Abwassers. Im zweiten Schritt, dem elektrochemischen Abbau, finden die elektrochemisch unterstützte Desorption und der elektrolytische Abbau statt. Auf diese Weise werden die Spurenstoffe zunächst in einem kleinen Volumen angereichert. Dort werden sie an einer zweiten Elektrode durch Oxidation abgebaut. Für diesen Schritt wird elektrische Energie verbraucht. Die Aktivkohle wird dadurch regeneriert und kann anschließend wieder für die Aufkonzentrierung genutzt werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist auch, die beim elektrochemischen Abbau entstehenden Stoffe auf ihre Umweltverträglichkeit hin zu untersuchen. Das Forschungsprojekt lässt sich zeitlich in zwei Abschnitte einteilen. Im ersten Projektabschnitt soll zunächst im Labormaßstab gezeigt werden, welche Verbesserungen der Leistung von Biobrennstoffzellen durch materialseitige, konstruktionsseitige und mikrobiologische Maßnahmen möglich sind.

Versuchsanlage zur elektrochemischen Wasserbehandlung (Desinfektion von Prozesswasser)

Abb. 2: Versuchsanlage zur elektrochemischen Wasserbehandlung (Desinfektion von Prozesswasser)

Parallel dazu soll das neuartige Verfahren zur Beseitigung von Spurenstoffen weiter optimiert und die optimalen Betriebsparameter ermittelt werden. Es sollen Untersuchungen mit Abwässern aus kommunalen und industriellen Kläranlagen verschiedener Standorte durchgeführt werden. Im anschließenden zweiten Projektabschnitt sollen Demonstratoren einer Biobrennstoffzelle und eines Moduls zur Beseitigung von Spurenstoffen in einer Kläranlage des Abwasserverbands Braunschweig getestet werden. Schließlich soll für das Gesamtsystem eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erstellt werden.

Weitere Informationen

>> zu den Arbeitspaketen

>> zur Homepage des Verbundes