Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Logo arriveeArbeitspakete im Verbund arrivee

Das Arbeitsprogramm gliedert sich in die nachfolgend beschriebenen Teilschritte mit den jeweils zugeordneten Fragestellungen. Zur Realisierung der bereits beschriebenen Ziele erfolgt eine Untergliederung des Gesamtvorhabens in fünf ineinandergreifende Arbeitspakete (AP) mit jeweils interdisziplinärer Bearbeitung. Die Arbeitspakete bauen teilweise aufeinander auf, können in Teilbereichen jedoch auch voneinander unabhängig und zeitgleich bearbeitet werden. In AP 1 werden die Grundlagen und das Regelenergiepotenzial unter Berücksichtigung der bekannten Aufbereitungsprozesse ohne investiven oder betrieblichen Aufwand rein theoretisch untersucht. In AP 2 wird ein Konzept für eine optimierte und energieeffiziente Nutzung des Klärgases in Verbindung mit Überschussstrom aus Erneuerbarer Energieerzeugung entwickelt. Darauf aufbauend erfolgt in AP 3 die Anpassung einer vorhandenen Steuerungs- und Kommunikationstechnik an die Anforderungen der Kläranlage. Die Technik wird dann sowohl an einem Modell der Kläranlage Radevormwald virtuell, als auch im realen Betrieb erprobt sowie das erreichbare Regelpotenzial untersucht. AP 4 und AP 5 untersuchen begleitend die gesellschaftlichen wie auch die rechtlichen und wirtschaftlichen, mit dem Projekt verbundenen Fragestellungen.

AP 1: Grundlagenermittlung und Potenzialanalyse

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Theo Schmitt, TU Kaiserslautern, FG Siedlungswasserwirtschaft, Paul-Ehrlich-Str. 14, 67663 Kaiserslautern

Kurzbeschreibung:

In AP 1 werden die Potenziale für die Bereitstellung von positiver Regelenergie (= Zuschalten von Stromerzeugern und Abschalten von Stromverbrauchern) und negativer Regelenergie (= Abschalten von Stromerzeugern und Zuschalten von Stromverbrauchern) und verstetigtem Einspeise-/Bezugsverhalten für elektrische Energie auf Kläranlagen mit Faulung (BHKW, Drucklufterzeugung, Druckluftspeicherung, Monoverbrennung, Power-to-Gas-Technologie) grundlegend untersucht und anhand von Modellrechnungen quantifiziert.

Dabei erfolgt eine Beschreibung und Festlegung der Flexibilitäten und der begrenzenden Rahmenbedingungen der Kopplungselemente zwischen elektrischem Netz und der Kläranlage sowie eine Erfassung eines dahingehenden Optimierungspotenzials der relevanten Kläranlagenkomponenten. Das bundesweite Potenzial an möglichen Anlagenstandorten bzw. von in Frage kommenden Anlagen wird abgeschätzt. Das dort verfügbare Regelenergiepotenzial wird basierend auf statistischen Daten ermittelt und dem heutigen Regelenergiebedarf und dem zu erwartenden zukünftigen Regelenergiepotenzial gegenübergestellt.

Die heute bestehenden Vermarktungsmöglichkeiten verstetigter Bezugs- und Einspeiselastgänge durch Bildung übergeordneter Bilanzkreise werden ermittelt. Die grundsätzlichen Möglichkeiten des vermiedenen Ausbaus des Netzes, welches zur Versorgung der Kläranlagen dient (Hochspannung, Mittelspannung, Niederspannung), werden im Hinblick auf das Regel- bzw. Vertriebskonzept allgemein beschrieben.

Darüber hinaus werden in diesem AP die heute geltenden nationalen und internationalen technischen und rechtlichen Vorgaben zur Integration von Einspeisern, Speichern und Lasten in die Verteilungsnetze (z.B. BDEW 2008; VDE 2011; DIN EN 50160 (2011-02-00)) auf den unterschiedlichen Spannungsebenen zusammengestellt. Neben den heute gültigen Richtlinien sind auch bereits absehbare Änderungen (z.B. nationale Normen im Entwurfsstatus) zu berücksichtigen.

AP 2: Konzeption und Auslegung

Ansprechpartner:

Karl-Heinz Lentz, iGas GmbH, Bonner Str. 305, 42697 Solingen

Kurzbeschreibung:

Kommunale Kläranlagen können auf Basis verschiedener Konzeptansätze, die im Zuge dieses Arbeitspaketes am Beispiel einer Kläranlage des Wupperverbandes entwickelt und bewertet werden, in den Regelenergiemarkt eingebunden werden. Grundsätzlich kann die überschüssige Energie in drei Szenarien mit unterschiedlichen Wirkungsgraden verwendet werden:

  • Ein „EE-Stromüberschuss-geführter“ Betrieb von Anlagenkomponenten, wobei das BHKW temporär abgeschaltet und das nichtgenutzte Klärgas zur späteren Nutzung gespeichert wird.

  • Die Umwandlung der überschüssigen Energie mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff: Der Sauerstoff kann dem Belebungsbecken zugeführt werden und reduziert dort die Belüftungsenergie. Ein mögliches Nutzungskonzept für den Wasserstoff schließt (i) die direkte Verbrennung in einem separaten H2-BHKW, (ii) die Beimischung zum Klärgas mit einer gemeinsamen Verbrennung im BHKW, (iii) die Verwendung als Kraftstoff für kommunale Fahrzeuge sowie (iv) die nachfolgende Methanisierung unter Verwendung von CO2 aus der Schlammfaulung ein.

  • Die Erzeugung von Druckluft und Speicherung zur kontinuierlichen Nutzung im Belebungsbecken der Kläranlage; hierbei wird Belüftungsenergie eingespart.

In Abhängigkeit der Verwertungsmöglichkeiten vor Ort sowie der Effizienz der Umwandlungsschritte resultiert das Verwertungskonzept von EE-Überschüssen.

AP 3: Zusammenspiel Markt-Netzlast-Kläranlage

Ansprechpartner:

Dr. Gerd Kolisch, Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft mbH, Untere Lichtenplatzer Str. 100, 42289 Wuppertal

Kurzbeschreibung:

Das Zusammenspiel von Netzlast, Markt und Kläranlage sowie die hierüber mögliche Bereitstellung von positiver / negativer Regelenergie wird am Beispiel der Kläranlage Radevormwald des Wupperverbandes mit Realdaten getestet und weiter optimiert. Hierauf aufbauend werden Hinweise und praktische Handlungsabläufe für den Anschluss von Kläranlagentechnik an virtuelle Kraftwerke abgeleitet.

AP 4: Marktorientierte Kosten-Nutzenanalyse

Ansprechpartner:

Ralf Simon, Transferstelle Bingen, Berlinstr. 107a, 55411 Bingen

Kurzbeschreibung:

In diesem AP wird das wirtschaftliche Potenzial für Kläranlagen unter Bestandsaufnahme aktueller und zukünftiger Energiemärkte abgeschätzt, das sich durch eine Teilnahme am Regelenergiemarkt ergibt. Die energiewirtschaftliche Bewertung des Marktpotenzials der vorgeschlagenen Speicher- und Regelkonzepte, weitergehender Vermarktungsmöglichkeiten (Bezugs-/ Einspeiseverstetigung) und des vermiedenen bzw. notwendigen Netzausbaus erfolgt begleitend zu der Simulation des Anlagenkonzeptes und zum Probebetrieb (AP 3).

Anhand von Kosten-Nutzenbetrachtungen werden die herausgearbeiteten Flexibilitäten in verschiedenen Konzepten u. a. die Umwandelbarkeit elektrischer Energie in andere Energieformen (Gasspeicher) und Verbrauchsverzögerungen von Anlagen, wie z.B. der Faulschlammbehälter bewertet. Daraus werden Handlungsempfehlungen für die Ver- und Entsorgungsbranche abgeleitet.

AP 5:  Politische und rechtliche Bedingungen

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Theo Schmitt, TU Kaiserslautern, FG Siedlungswasserwirtschaft, Paul-Ehrlich-Str. 14, 67663 Kaiserslautern

Kurzbeschreibung:

arrivee wird über die gesamte Laufzeit von einem sozialwissenschaftlichen Arbeitspaket begleitet, das insbesondere die energiepolitischen (Projektpartner TU KL) und energierechtlichen (Projektpartner BBH) Rahmenbedingungen und deren Veränderungsmöglichkeiten untersucht. Leitend ist im AP 5 die Fragestellung, unter welchen politischen und rechtlichen Bedingungen sich die Umsetzungschancen der im Projekt arrivee entwickelten technologischen Innovation erhöhen würden. Mit einbezogen werden vom AP-Leiter auch organisatorische (z. B. Netzausbau, Lastmanagement, dezentrale EE-Erzeugung) und räumliche Kriterien (z. B. Auswirkungen des demografischen Wandels im ländlichen Raum).

Die in den AP 2 und AP 3 gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung der technologischen Innovationen werden hierzu regelmäßig reflektiert und bei den Ausarbeitungen des AP 5 berücksichtigt; ebenso wie die in AP 1 ermittelten Grundlagen und die betriebswirtschaftliche Analysen des AP 4. An der abschließenden Entwicklung der Handlungsempfehlungen, die sich aus den Ergebnissen von arrivee ableiten lassen, sind alle Projektpartner beteiligt.

Die in AP 1 ermittelten juristischen Grundlagen fließen in eine nach Rechtsgebieten differenzierende schematische Darstellung sowie eine ausführliche Erläuterung ein, welche auch das Zusammenspiel der verschiedenen Normen berücksichtigt. Von der TU Kaiserslautern werden die politischen, räumlichen und organisatorischen Grundlagen zur Integration von Abwasserreinigungsanlagen in Verteilnetze der regionalen Energieversorgung analysiert und schriftlich in Form eines projektinternen Leitfadens dargestellt. Diese Übersichten sollen die übrigen Projektbeteiligten rechtzeitig dafür sensibilisieren, wie sie bei der Entwicklung möglicher Lösungsansätze die gegebenen Rahmenbedingungen berücksichtigen sollen und können.