Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants

1. Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai 23.09.2009 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. O2-Verbrauch 400 mg O2 /L 1-YH Energiestoff-wechsel 1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm Organisches Substrat CSB = 1.000 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. N, P, K "Problemstoffe" H2O Organik (CSB) 2. „Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient“ 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. Schwimmschlamm B Nach- Vorklär- Belebungsbecken klär- becken becken A2 Primär- schlamm E A C Rücklaufschlamm E1 A1 D1 D2 D Überschussschlamm E2 Faul- F behälter G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration (Dichtl, 2007)

12. Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate (*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 BHKW RS 37,9 Mio. t TS/a 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“ 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: - 30-40% Strom und - 60-70% Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar)

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

19. Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) - 35 Mio. MWhEL/a (= 4 GW) Aerober Abbau 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. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW

21. Produkte: Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnungaus Abwasser und Klärschlamm

22. Konzept zur direkten Verwertung–Anbau Nachwachsender Rohstoffe

23. BHKW 10,3 MW 90,5 GWhel./a 54 GWhtherm./a Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für 350.000 EW Zudüngung Zudüngung Mineraldünger Mineraldünger 0 kg/a N 0 kg/a N 64.837 kg/a P 64.837 kg/a P 933.200 kg/a K 933.200 kg/a K 142.929 kg/a Mg 142.929 kg/a Mg 54.700 kg/a S 54.700 kg/a S Düngung mit Düngung mit Schwarzwasser Schwarzwasser 292.500 t/a 292.500 t/a Maissilage Maissilage 1.368.930 kg/a N 1.368.930 kg/a N Mais FM Mais FM 190.500 kg/a P 190.500 kg/a P 415.800 kg/a K 415.800 kg/a K 13.873 kg/a Mg 13.873 kg/a Mg 107.800 kg/a S 107.800 kg/a S Maisanbau auf 6.500 ha Biogas Biogas Biogas Biogas - - Verluste Verluste anlage anlage 257.430 kg/a N 257.430 kg/a N 25.437 kg/a P 25.437 kg/a P 255.000 kg/a K 255.000 kg/a K 25.177 kg/a Mg 25.177 kg/a Mg 54.810 kg/a S 54.810 kg/a S Output Output Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger 1.111.500 kg/a N 1.111.500 kg/a N Externe Externe 229.760 kg/a P 229.760 kg/a P Vermarktung Vermarktung 1.092.690 kg/a K 1.092.690 kg/a K 131.625 kg/a Mg 131.625 kg/a Mg 107.690 kg/a S 107.690 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 Na Mg orgC