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- Abwasserreinigung (1)
- Energie auf Kläranlagen (1)
- Flexibilität (1)
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The development of a power system based on high shares of renewable energy sources puts high demands on power grids and the remaining controllable power generation plants, load management and the storage of energy. To reach climate protection goals and a significant reduction of CO2, surplus energies from fluctuating renewables have to be used to defossilize not only the power production sector but the mobility, heat and industry sectors as well, which is called sector coupling. In this article, the role of wastewater treatment plants by means of sector coupling is pictured, discussed and evaluated. The results show significant synergies—for example, using electrical surplus energy to produce hydrogen and oxygen with an electrolyzer to use them for long-term storage and enhancing purification processes on the wastewater treatment plant (WWTP). Furthermore, biofuels and storable methane gas can be produced or integrate the WWTP into a local heating network. An interconnection in many fields of different research sectors are given and show that a practical utilization is possible and reasonable for WWTPs to contribute with sustainable energy concepts to defossilization.
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.
To achieve the Paris climate protection goals there is an urgent need for action in the energy sector. Innovative concepts in the fields of short-term flexibility, long-term energy storage and energy conversion are required to defossilize all sectors by 2040. Water management is already involved in this field with biogas production and power generation and partly with using flexibility options. However, further steps are possible. Additionally, from a water management perspective, the elimination of organic micropollutants (OMP) is increasingly important. In this feasibility study a concept is presented, reacting to energy surplus and deficits from the energy grid and thus providing the needed long-term storage in combination with the elimination of OMP in municipal wastewater treatment plants (WWTPs). The concept is based on the operation of an electrolyzer, driven by local power production on the plant (photovoltaic (PV), combined heat and power plant (CHP)-units) as well as renewable energy from the grid (to offer system service: automatic frequency restoration reserve (aFRR)), to produce hydrogen and oxygen. Hydrogen is fed into the local gas grid and oxygen used for micropollutant removal via upgrading it to ozone. The feasibility of such a concept was examined for the WWTP in Mainz (Germany). It has been shown that despite partially unfavorable boundary conditions concerning renewable surplus energy in the grid, implementing electrolysis operated with regenerative energy in combination with micropollutant removal using ozonation and activated carbon filter is a reasonable and sustainable option for both, the climate and water protection