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Ein methodischer Ansatz zur Bereitstellung energetischer Flexibilität durch einen anpassungsfähigen Kläranlagenbetrieb

  • Im Rahmen der Energiewende werden eine Neustrukturierung des Energiesektors und eine grundlegende Transformation der elektrischen Energieversorgung erforderlich. Die volatile Erzeugung von Strom aus Wind und Sonne erfordert mit stetig steigendem Anteil an der Gesamtenergieproduktion einen immer höheren Bedarf an Flexibilität zur Stabilisierung der Stromnetze. Aus energetischer Sicht zeichnen sich Kläranlagen durch eine Vielfalt an Prozessen aus, bei denen Energie umgewandelt, gespeichert, bezogen und produziert wird. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis und vertieften Erkenntnissen an der Schnittstelle zwischen der Abwasser- und der Energiewirtschaft liefern, indem die Vereinbarkeit zwischen den Belangen der Abwasserreinigung und einem flexiblen Anlagenbetrieb sowie die Stromerzeugungs- und Flexibilitätspotenziale kommunaler Kläranlagen in Deutschland umfassend untersucht wurden. Vor diesem Hintergrund wurden Erkenntnisse gewonnen, die zur Auswahl, Bewertung und möglichst sicheren Implementierung von typischen Aggregaten auf Kläranlagen herangezogen werden können, um durch einen anpassungsfähigen Anlagenbetrieb Flexibilität bereit zu stellen. Die zugrundeliegende Methodik wurde im Wesentlichen am Beispiel der Kläranlage Radevormwald entwickelt. Dabei wurden relevante Kennzahlen erarbeitet, die die klärtechnischen Anforderungen sowohl mit den technisch-physikalischen als auch energiemarktbedingten Anforderungen an die Aggregate in Einklang bringen. Ein wesentlicher Fokus liegt auf den abgeleiteten Restriktionen und Kontrollparametern, um einen sicheren Reinigungsbetrieb zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit konnte eine Vielzahl von Erkenntnissen an der Schnittstelle von Energie- und Abwasserwirtschaft gewonnen, bestätigt und zur Ableitung von Anwendungsempfehlungen genutzt werden. Die vorhandene Flexibilität auf Kläranlagen kommt für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten in Betracht. Damit können sie bereits heute und zukünftig verstärkt an Produkten der Energieversorgung und neuen Geschäftsmodellen teilhaben. Die untersuchten Aggregate weisen dabei je nach Verwendungszweck unterschiedliche Eignungen auf und nicht jedes Aggregat ist für jede Nutzungsoption einsetzbar. Die Ergebnisse belegen, dass Kläranlagen mit ihren Leistungsgrößen und verschiebbaren Energiemengen relevante Beiträge zur Energiewende leisten können und zu mehr in der Lage sind als, weitgehend losgelöst vom Energiemarkt und den sich dort abzeichnenden Änderungen, elektrische Energie nur zur eigenen Nutzung zu verwenden.
  • In the context of the German energy transition, a reorganization of the energy sector and a fundamental transformation of the electrical energy supply system are required. This is caused by abandoning of nuclear power, the reduction of fossil-based energy production and the increasing share of renewable energy production. Under these circumstances the operation of energy grids driven by a highly volatile solar and wind-based energy production will not be sustainable and arising energy surpluses and deficits have to be balanced by flexible energy generators and consumers. This will face providers with new challenges in system operation and will lead to a growing demand for energetic flexibility to stabilize electricity grids. The objective of this thesis is to contribute to a better general understanding and to an in-depth knowledge at the interface between the wastewater and the energy sector. This work intends to show the compatibility of a flexible plant operation without endangering the system’s functionality and the potentials to provide flexibility for municipal wastewater treatment plants (WWTPs) in Germany. Within this thesis, a methodical approach has been developed that can be used to select, evaluate and safely implement typical aggregates on WWTPs for flexible plant operation and the provision of energetic flexibility. Relevant key figures have been developed that reconcile requirements of the purification processes with technical-physical necessities as well as demands of the energy market. Furthermore, restrictions and control parameters have been established which complement the developed key figures to ensure effluent quality. It was demonstrated, that WWTPs are able to adapt their operation mode to external and internal requirements under controlled conditions. The existing flexibility is suitable for a variety of uses and WWTPs in general are able to participate in todays and in future energy supply products and new business models. Even for vulnerable components load shifting is possible with appropriate control parameters and reasonable time slots without endangering system functionality. The aggregates investigated have different suitabilities depending on their intended use. Therefore, not every aggregate can be optimally used for every utilization path. The results show that WWTPs have a significant potential to provide energetic flexibility and are able to make relevant contributions to the German energy transition in terms of power generation, shiftable loads and gas production.

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Metadaten
Author:Michael SchäferORCiD
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-56084
ISBN:978-3-95974-108-8
Serie (Series number):Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen (5)
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Theo G. SchmittORCiD, Heidrun Steinmetz
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2019/05/06
Year of Publication:2019
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2019/02/07
Date of the Publication (Server):2019/05/06
Tag:Abwasserreinigung; Energie auf Kläranlagen; Flexibilität
Number of page:XX, 225
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)