BMBF-Fördermaßnahme „Erwas“: Zwischenergebnisse Konzepte für energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert die Fördermaßnahme „Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft“ (Erwas). Etwa zur Hälfte der Laufzeit gibt es interessante Zwischenergebnisse. Wir haben Auszüge für Sie zusammengefasst.

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Düker GmbH

Veolia Water Technologies Deutschland GmbH

EPC Group

Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser u.Abfall e.V. (DWA)

Ohne Energie funktioniert keine wasserwirtschaftliche Anlage. Die in Deutschland vorhandenen Systeme der öffentlichen Wasserversorgung und Abwasserbehandlung verbrauchen zusammen 6,6 TWh elektrische Energie pro Jahr. Durch Energiesparmaßnahmen und Effizienzsteigerung besteht hier ein geschätztes Einsparpotenzial bis zu 25 %. Um dieses Potenzial zu erschließen, stehen im Rahmen der Fördermaßnahme „Erwas“ (Laufzeit bis Oktober 2017, Fördervolumen 27 Millionen Euro) die Verbesserung der Energieeffizienz und eine ressourcenschonende Energiegewinnung im Fokus.

Ein inhaltlicher Schwerpunkt der geförderten Projekte liegt in der Erarbeitung neuer Konzepte des Zusammenwirkens zwischen der Trinkwasser-, Abwasser- und Energiewirtschaft. Beispiele stellen die Nutzung des Lastmanagementpotenzials und der Energiespeichermöglichkeiten der Wasserwirtschaft für die zukünftigen Energiesysteme dar.

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Weiterhin sollen innovative Verfahren der Energieerzeugung und der Energiewandlung auf wasserwirtschaftlichen Anlagen entwickelt werden, beispielsweise die optimierte Stromerzeugung in mikrobiellen Brennstoffzellen oder die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Methanol. Neue Wege zur verbesserten Erschließung der im Klärschlamm gebundenen Energiepotenziale bei gleichzeitiger Verwertung der im Abwasser enthaltenen Ressourcen wie Phosphor stehen ebenfalls im Fokus.

Intelligentes Druckmanagement

Um den Druck im Wassernetz zu begrenzen und die Wasserleitungen nicht übermäßig zu beanspruchen, kommen in Wasserversorgungssystemen Druckminderventile (DMV) zum Einsatz. Gleichzeitig wird bei der klassischen Druckregulierung mittels DMV ständig Energie in nicht weiter verwendbare Formen wie Schall und Wärme umgewandelt.

Das Forschungsprojekt „Energiegewinnung im Wasserverteilungsnetz durch intelligentes Druckmanagement“ (Ewid) soll Wege aufzeigen, diese Energiedissipation zu verringern. Dazu wird ein neuartiges System, basierend auf einer rückwärts laufenden Pumpe als Turbine (PaT) in Verbindung mit einem intelligenten Druckmanagement (IDM) entwickelt. Ziel ist es einerseits, die maximal mögliche abbaubare Energie des Wassers bedarfsorientiert in elektrische Energie umzuwandeln und andererseits einen Beitrag zur Verringerung der Wasserverluste und des Materialstresses im Wasserverteilungsnetz zu leisten.

Mehr zum Ewid-Projekt auf der nächsten Seite.

Das Ewid-System orientiert sich in der ersten Entwicklungsphase an zwei konkreten Einsatzfällen bei den beteiligten Wasserversorgungsunternehmen AWA-Ammersee Wasser- und Abwasserbetriebe gKU (AWA) und Wasserversorgungszweckverband Perlenbach (PER). Anhand der am Druckminderschacht erfassten Parameter Vor- und Nachdruck sowie Durchfluss erfolgte die Auslegung der PaT sowie die Festlegung ihres Arbeitsbereiches.

Um die Versorgungssicherheit im Versorgungsgebiet auch bei ungünstigen Verhältnissen (z.B. Stromausfall) zu gewährleisten, wird die PaT im Bypass zum vorhandenen Druckminderventil angeordnet. Für eine erste Potenzialanalyse wurden die theoretisch möglichen Energieausbeuten Pel an den späteren Einbauorten nach DVGW-Merkblatt W 613 unter Annahme eines Grundlagenwirkungsgrades von 50 bis 60 Prozent errechnet. Hier konnten für AWA 340 Watt und für PER 3840 Watt ermittelt werden. Es können somit unter geeigneten Voraussetzungen im Versorgungsgebiet beispielsweise bis zu 25 000 kWh Strom im Jahr generiert werden.

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Zur Effizienzsteigerung und sicheren Steuerung und Erweiterung der Flexibilität der Anlagen im Wasserverteilungsnetz sind Systeme erforderlich, die dynamisch auf das Verbraucherverhalten reagieren können. Im Forschungsvorhaben Ewid wird daher die „Nahe-Echtzeit“-Nutzung von Wassernetzsimulationsmodellen erprobt. Hierzu sollen die aufgenommenen Daten an den Messstellen im Netz, wie kritische Punkte, PaT-System usw. möglichst in Echtzeit an die weiteren Stationen (Com-Units) übertragen werden.

Die erfassten Parameter (Netzdruck, Durchflüsse, Betriebszustände usw.) dienen als Input für die Modellierung der hydraulischen Verhältnisse im Wasserversorgungsnetz und weiter zur Steuerung des PaT-Systems. Die Entwicklung von Regelungsmodellen als Basis zur dynamischen Steuerung ist eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung intelligenter Systeme in Versorgungsnetze und eines der Hauptziele des Ewid-Vorhabens.

Metallurgisches Phosphor-Recycling

In Deutschland entstehen bei der Reinigung von Abwasser jährlich etwa 7,5 Millionen Tonnen entwässerter Klärschlamm. Fast alle Schadstoffe, die wir mit dem Abwasser in die Kläranlage spülen, finden wir in diesem Schlamm wieder: Mit Blick auf deren Umweltwirkungen sind es hoch giftige organische und metallische Verbindungen. Aus elementarer Sicht aber auch wertvolle Rohstoffe, die genutzt werden sollten. Der kalorische Brennwert des Schlamms ist nach seiner Trocknung dem von hochwertiger Braunkohle vergleichbar. Als Wertstoffe sind die Metalle und besonders der rare Phosphor interessant. Er steht auf der Liste der kritischen Rohstoffe Europas. Dabei könnten theoretisch bis über die Hälfte des deutschen Bedarfs aus dem Klärschlamm gedeckt werden.

Was im Experiment bereits gelungen, wird derzeit im halbtechnischen Maßstab erprobt. Mehr auf der nächsten Seite.

Wirtschaftlichen Großanlage ist Ziel

Die wirtschaftliche Lösung der Aufgabe liegt wahrscheinlich nicht im Einzelvorgang der Pyrolyse, Verbrennung oder Vergasung, sondern in der Kombination der Prozesse in einem Verfahrensschritt. Das Ziel ist, eine fließfähig gemachte, leichte mineralische Schlacke von der schweren metallischen Schmelze in Phasen unterschiedlicher Dichte zu trennen. Das Verbundprojekt „Klärschlammverwertung Region Nürnberg mit metallurgischem Phosphorrecycling“ (KRN-Mephrec) untersucht in diesem Sinne die traditionellen Schmelzverfahren der Metallverhüttung. Was im Experiment bereits gelungen ist, wird im Projekt als Versuchsreaktor im halbtechnischen Maßstab erprobt und soweit fortentwickelt, dass über den Bau einer wirtschaftlichen Großanlage entschieden werden kann.

Erwas erfolgreich gestartet

Intelligente Wasserwirtschaft der Zukunft erzeugt Energie

Das technologische Konzept als modifizierter Kupolofen ist ausgearbeitet. Statt Eisenschrott wird eisenhaltiger Klärschlamm geschmolzen. Aus der kohlenstoffreichen Organik des Klärschlamms wird gleichzeitig CO-reiches Synthesegas erzeugt. Die Produkte des experimentellen Versuchs in Freiberg wurden getestet; sie sind frei von organischen Reststoffen. Alle Schwermetalle einschließlich Uran sind in der Eisenlegierung neutralisiert. Die phosphorreiche Schlacke erreicht eine Düngequalität, die für die biologische Landwirtschaft geeignet ist. Außer geringen Mengen Flugasche und – bei Nutzung des Synthesegases – den Reinigungsprodukten entsteht kein Abfall.

Die Planung ist weitgehend abgeschlossen, die Komponenten der Pilotanlage sind definiert, und das begleitende Untersuchungsprogramm ist erstellt. Bau und Betrieb der Pilotanlage sind in einem integrierten Genehmigungsverfahren nach Bundesimmissionsschutzrecht genehmigt.

Fazit

In allen Vorhaben arbeiten Akteure aus Wissenschaft, Wirtschaft sowie von Kommunen und Ländern zusammen. Für Betreiber und Unternehmen zeichnet sich bereits nach den Zwischenergebnissen ab, dass „Erwas“ viele neue Möglichkeiten zur Energieoptimierung aufzeigen wird.

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