Smarter Arealnetzbetrieb unter Einbindung wasserstoffbasierter Erzeugungs- und Speichertechnologien zur Eigenenergieversorgung

 

Auftraggeber: Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen (Programm progres.nrw) und EU (EFRE, Ziel 2) 

Partner: Emschergenossenschaft, TUTTAHS & MEYER Ingenieurgesellschaft für Wasser-, Abwasser- und Energiewirtschaft mbH, Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Elektrische Anlagen und Netze, ifak Magdeburg e. V.

 

Die Erkenntnisse der letzten Jahre zeigen, dass eine zentrale Energieversorgung auf der Basis fossiler Brennstoffe vor allem unter dem Aspekt des Klimaschutzes, aber auch wegen des steigenden Aufwandes bei ihrer Gewinnung sowie der Endlichkeit der Ressourcen nicht mehr zukunftsfähig ist. Um den gesamten Energiebedarf in Zukunft nachhaltig und wirtschaftlich zu gewährleisten, ist bereits heute die weitergehende Entwicklung und Erschließung regenerativer Energiequellen, -speicher und -nutzungspfade unabdingbar. Vor diesem Hintergrund wurde im Projekt SMART.NET speziell für Kläranlagen eine zukünftig tragbare Energieversorgung unter Einbindung der Speichermöglichkeiten für elektrische wie auch thermische Energie untersucht. Insbesondere das Zusammenspiel der Einzelkomponenten und der fluktuierende Beitrag regenerativer Energiequellen wurden hierbei betrachtet.

In dem entwickelten integrierten Simulationsmodell werden die biochemischen, elektrischen und thermischen Prozesse auf einer Kläranlage zusammengeführt. Am Beispiel der Kläranlage Bottrop sind in diesem Modell die Simulationsblöcke der Abwasserreinigung und Biogaserzeugung mit elektrischen Modulen (BHKW, Schlammkraftwerk, Energieverbraucher, erneuerbare Energien) sowie thermischen Modulen (BHKW, Schlammkraftwerk, Faulung, thermosolare Klärschlammtrocknung) verknüpft. Ausgangsbasis der Modellerstellung war, die anfallenden Energie- und Massenströme mathematisch abzubilden und das erhaltene Modell zunächst anhand des aktuellen Zustandes der Anlage zu validieren. Diese Zustände wurden sodann in verschiedenen Szenarien mit innovativen Komponenten und Speicherkonzepten kombiniert, um sowohl elektrisch als auch thermisch eine möglichst weitreichende energetische Eigenversorgung im gesamten Tages- und Jahresverlauf zu erreichen. Hierzu wurden ebenfalls umfangreiche Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen unter Berücksichtigung entsprechender Investitionssummen, simulierter Strom- und Wärmebilanzen sowie Betriebskosten durchgeführt.

Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass durch die Einbindung etablierter erneuerbarer Energiequellen (Windkraft, Photovoltaik, Wasserkraft) ein zum Teil nicht unerheblicher Beitrag zur Energieversorgung dynamisch über das Jahr gedeckt werden kann. Der Einsatz der thermosolaren Klärschlammtrocknung zeigt ebenfalls Vorteile, wie z. B. die bessere CO2-Bilanz sowie die Minderung des Faulschlamm-Massenstromes, wodurch der gesamte Schlamm am Standort verbrannt werden kann.

Die absolute Energieautarkie erweist sich als komplexes Problem. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass das Lastprofil der Kläranlage Bottrop sehr hohe Werte aufweist, sind hier große Speichervolumina notwendig. So kann durch Faulgaszwischenspeicherung oder chemische H2-Gasspeicherung die elektrische Energie-eigenversorgung zwar noch deutlich gesteigert werden, die letzten 1-3 % müssen jedoch zu versorgungsarmen oder bedarfsintensiven Zeiten immer noch aus dem öffentlichen Stromnetz bzw. durch Zukauf von Wärmeenergieträgern bereitgestellt werden.

Die Nutzung von Wärmepumpen ist unter energetischen wie wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur bei höheren Vorlauftemperaturen als bisher üblich sinnvoll. Insbesondere, wenn im prozesstechnischen Bereich größere Energiemengen auf höherem Temperaturniveau (T > 60°C) benötigt werden, ist das Potential der Abwasserwärme tendenziell zu gering.Die Bereitung von Faulgas zu Biomethan (CH4) oder Wasserstoff (H2) setzt einen entsprechenden Energieüberschuss voraus, da die Eigennutzung zur Strom- und Wärmeproduktion zumeist vorzuziehen ist. In Kombination mit power-to-gas Lösungen, bei denen aus temporären Stromüberschüssen ebenfalls Biomethan oder Wasserstoff erzeugt wird, kann auch die Faulgasveredelung sinnvoll sein.

Bedingt durch die Größe der Anlage wirken sich Einzelmaßnahmen wie z. B. Photovoltaik- und Wasserkraftanlagen spezifisch nur sehr gering auf den Energiedeckungsbeitrag aus. Bei den in der Regel deutlich kleineren Kläranlagen mit entsprechendem Potential können derartige Maßnahmen einen erheblich größeren prozentualen Deckungsbeitrag zum Energiehaushalt liefern. Daher müssen im Einzelfall Machbarkeitsuntersuchungen mit Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erfolgen, für die das in SMART.NET entwickelte Simulationsmodell eingesetzt werden kann.

 

 

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