Energetische Untersuchung der "Kläranalage Röhrnbach" - Biukat
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HOCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN LANDSHUT FAKULTÄT ELEKTROTECHNIK UND WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Bachelorarbeit zum Thema Energetische Untersuchung der „Kläranalage Röhrnbach“ vorgelegt von David Hannemann aus Obersontheim Eingereicht: ....................... Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. Stefan-Alexander Arlt
ERKLÄRUNG ZUR BACHELORARBEIT Name, Vorname des Studenten: Hannemann, David........................................................................................ Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen Hiermit erkläre ich, dass ich die Arbeit selbständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benützt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe. .............................. ........................................................ (Datum) (Unterschrift des Studenten)
FREIGABEERKLÄRUNG DES STUDENTEN Name, Vorname des Studenten: Hannemann, David......................................................................................................... Hiermit erkläre ich, dass die vorliegende Bachelorarbeit in den Bestand der Hochschulbibliothek aufgenommen werden kann und ohne Sperrfrist oder nach einer Sperrfrist von ❑ 1 Jahr ❑ 2 Jahren ❑ 3 Jahren ❑ 5 Jahren ❑ 10 Jahren oder länger über die Hochschulbibliothek zugänglich gemacht werden darf. ......................................... .......................................................................... (Datum) (Unterschrift des Studenten)
Kurzfassung Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist die energetische Untersuchung der Kläranlage Röhrnbach mit anschließender Potentialanalyse für Energieoptimierung. Um einen Überblick über die gesamte Abwasserreinigungsanlage zu bekommen, wird die prinzipielle Funktion einer Kläranlage dargestellt, sowie eine genaue Beschreibung der bestehenden Kläranlage Röhrnbach. Aufgrund der Energieverbräuche und anderer Grunddaten dieser Anlage aus dem Jahr 2019 werden ein Energiecheck und eine Energieanalyse durchgeführt. Beides erfolgt nach den Vorgaben des DWA-A 216-Arbeitsblattes (DWA – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall) [1]. Mit den Vorgaben dieses Arbeitsblatts kann methodisch die Energieeffizienz eingeschätzt werden. Beim Energiecheck wird der Energieverbrauch in Abhängigkeit von der Abwasserbelastung der KA erhoben bzw. berechnet, um einen Vergleich mit anderen Kläranlagen ähnlicher Größe durchzuführen. Bei der Energieanalyse werden möglichst viele präzise Daten zum Energieverbrauch und Energieerzeugung erhoben und anschließend bewertet. Damit können Verbesserungsmöglichkeiten im Energiehaushalt gefunden, entwickelt und dargestellt werden. Zusätzlich werden in dieser Bachelorarbeit ein möglicher Einsatz einer Wasserturbine zur Nutzung des Gefälles des gereinigten Abwassers zum Vorfluter, sowie Verbesserungsmöglichkeiten in der Klärschlammbehandlung geprüft.
Abstract The aim of this bachelor thesis is the energetic evaluation of the Röhrnbach waste-water treatment plant with a subsequent potential analysis for energy optimization. To get an overview of the entire wastewater treatment plant, the basic function of a wastewater treatment plant is presented as well as a detailed description of the existing wastewater treatment plant at Röhrnbach. Based on the energy consumption and other basic data of this plant from the year 2019, an energy check and an energy analysis are carried out. Both are carried out according to the specifications of the DWA-A 216 worksheet (DWA – German Association for Water Management, Wastewater and Waste) [1]. In the energy check, the electricity consumption is determined or calculated with respect to the wastewater load of the sewage treatment plant in order to make a comparison with other wastewater treatment plants of similar size. In the energy analysis, as much precise data as possible on energy consumption and energy production are collected and subsequently evaluated. Thus, possibilities for improvement in the energy balance can be found, developed, and presented. In addition, this bachelor thesis examines the possibility of the utilization of a water turbine to use the height difference between the treated wastewater effluent and the receiving river as well as possible improvements in sewage sludge treatment.
Inhaltsverzeichnis Kurzfassung .............................................................................................................. IV Abstract ...................................................................................................................... V Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................... VI Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... VIII Tabellenverzeichnis .................................................................................................. IX Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................ XI 1 Einleitung ................................................................................................................1 2 Grundlagen zu Kläranlagen ...................................................................................2 3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach .................................................................3 3.1 Eckdaten der Kläranlage ....................................................................................3 3.2 Ablauf und Aufbau der Kläranlage......................................................................4 3.2.1 Anlagenschema ......................................................................................7 3.2.2 Klärschlammbehandlung ........................................................................8 3.2.3 Photovoltaiknutzung ...............................................................................8 3.3 Ermittlung von Einwohnerwert und Größenklasse der KA ..................................9 4 Energiecheck ........................................................................................................11 4.1 Spezifischer Gesamtenergieverbrauch ............................................................13 4.2 Spezifischer Stromverbrauch der Belüftung .....................................................14 4.3 Düker .............................................................................................................16 5 Energieanalyse .....................................................................................................17 5.1 Bestandsaufnahme des Ist-Zustands ...............................................................17 5.1.1 Bestimmung des Stromverbrauchs .......................................................17 5.1.2 Bestimmung des Wärmebedarfs ...........................................................19 5.1.3 Strom- und Wärmeerzeugung...............................................................20 5.2 Bestimmung der anlagenbezogenen Idealwerte...............................................20 5.2.1 Gegenüberstellung der IST- und Sollwerte ...........................................31 5.2.2 Bewertung Soll-Ist-Werte und Identifizierung von Maßnahmen.............32 6 Untersuchung Abwasserturbine ..........................................................................38 6.1 Technische Machbarkeit ..................................................................................39 6.2 Wirtschaftliche Machbarkeit .............................................................................40 6.3 Fazit .............................................................................................................42 7 Untersuchung Faulturm .......................................................................................43
8 Fazit und Ausblick ................................................................................................48 9 Literatur .................................................................................................................49 10 Anhang ..................................................................................................................52
Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Luftaufnahme Kläranlage Röhrnbach [4] ...........................................................4 Abb. 2: Skizze Rechenanlage KA Röhrnbach [4, S. 10].................................................4 Abb. 3: Rechenanlage KA Röhrnbach [4, S. 10] ............................................................4 Abb. 4: belüfteter Sand- und Fettfang KA Röhrnbach [4, S. 11] .....................................5 Abb. 5: Skizze belüfteter Sand- und Fettfang KA Röhrnbach [4, S. 11] .........................5 Abb. 6: Anlagenschema Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] ............................7 Abb. 7: Stromerzeugung Photovoltaik KA Röhrnbach [eigene Darstellung] ...................9 Abb. 8: Farbskala Ergebnisse Energiecheck [eigene Darstellung] ...............................11 Abb. 9: Gesamtstromverbrauch Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] ..............13 Abb. 10: Spezifischer Gesamtstromverbrauch von Kläranlagen der Größenklasse 3,4 und 5 in Abhängigkeit vom Reinigungsverfahren [5, S. 24] ............................14 Abb. 11: Spezifischer Stromverbrauch Belüftung von KA [5, S. 25] .............................15 Abb. 12: Verteilung des Stromverbrauchs KA Röhrnbach [eigene Darstellung] ...........19 Abb. 13: Anlagenschema, Abschnitt: Belebungsbecken [eigene Darstellung]..............34 Abb. 14: Rückschlammpumpen 1-3 inkl. Antriebsmotoren [10] ....................................36 Abb. 15: Stromverbrauch RSP 2008 - 2019 [eigene Darstellung] ................................37 Abb. 16: Standort für Untersuchung der Abwasserturbine [12] ....................................38 Abb. 17: Abwasserführung von Nachklärbecken zum Sammelkanal [12] ....................38 Abb. 18: Einsatzbereich der aeroben und anaeroben Schlammstabilisierung in Abhängigkeit von der Anschlussgröße [11, S. 3]............................................43 Abb. 19: Spezifische Gesamtkosten der Verfahrensumstellung [26, S. 40] .................46 Abb. 20: Zielwerte Gesamtwirkungsgrad und spez. Stromverbrauch von Pumpen auf Kläranlagen [5, S. 52] ....................................................................................53 Abb. 21: Glühverlust von ÜSS in Abhängigkeit vom Schlammalter, Temperatur und Vorklärzeit [29, S. 7] ......................................................................................53
Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tab. 1: Größenklasseneinteilung Kläranlagen nach Abwasserverordnung [8] .............10 Tab. 2: Kennwerte Energiecheck DWA-A 216 [9, S. 23] ..............................................12 Tab. 3: Verbrauchermatrix der Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] ................18 Tab. 4: Idealwertberechnung Zulaufpumpe 1 [eigene Darstellung] ..............................21 Tab. 5: Idealwertberechnung Zulaufpumpe 2 [eigene Darstellung] ..............................21 Tab. 6: Idealwertberechnung Rechen [eigene Darstellung] .........................................22 Tab. 7: Idealwertberechnung Sandfangräumer Fahrantrieb [eigene Darstellung] ........22 Tab. 8: Idealwertberechnung Sandfangräumer Hubantrieb [eigene Darstellung] .........22 Tab. 9: Idealwertberechnung Sand-/Fettfang (Belüftung) [eigene Darstellung] ............23 Tab. 10: Idealwertberechnung Sandwäscher Schnecke [eigene Darstellung] ..............23 Tab. 11: Idealwertberechnung Sandwäscher Rührwerk [eigene Darstellung] ..............23 Tab. 12: Idealwertberechnung Sandwäscher Gebläse [eigene Darstellung] ................23 Tab. 13: Idealwertberechnung Fettpumpe [eigene Darstellung] ...................................24 Tab. 14: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 1 [eigene Darstellung] ..............24 Tab. 15: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 2 [eigene Darstellung] ..............24 Tab. 16: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 3 [eigene Darstellung] ..............25 Tab. 17: Idealwertberechnung Denitrifikation [eigene Darstellung] ..............................25 Tab. 18: Idealwertberechnung Rezirkulationspumpe 1 [eigene Darstellung] ................25 Tab. 19: Idealwertberechnung Rezirkulationspumpe 2 [eigene Darstellung] ................26 Tab. 20: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 1 [eigene Darstellung] ..........26 Tab. 21: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 2 [eigene Darstellung] ..........26 Tab. 22: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 3 [eigene Darstellung] ..........27 Tab. 23: Idealwertberechnung Überschussschlammpumpe (ÜSS) [eig. Darstellung] ..27 Tab. 24: Idealwertberechnung Brauchwasserpumpe [eigene Darstellung] ..................28 Tab. 25: Idealwertberechnung Beckenentleerungspumpe [eigene Darstellung] ...........28 Tab. 26: Idealwertberechnung Bandräumer 1 [eigene Darstellung] .............................28 Tab. 27:Idealwertberechnung Bandräumer 2 [eigene Darstellung] ..............................29 Tab. 28: Idealwertberechnung Schlammpumpe [eigene Darstellung] ..........................29 Tab. 29: Idealwertberechnung Schmutzwasserpumpe [eigene Darstellung] ................29 Tab. 30: Idealwertberechnung Schwimmschlammpumpe [eigene Darstellung] ...........30 Tab. 31: Idealwertberechnung Transmissionsverluste Gebäude [eigene Darstellung] .30 Tab. 32: Soll-Ist-Vergleich Energieverbrauch der Anlagenbestandteile KA Röhrnbach [eigene Darstellung] .......................................................................................31 Tab. 33: Farbskala Priorität Einsparpotential [eigene Darstellung] ...............................32
Tabellenverzeichnis Tab. 34: Biogasanfall in Abhängigkeit zu Schlammalter + Reinigungsverfahren [21] ...44 Tab. 35: Abschätzung der Klärgasverstromung [eigene Darstellung]...........................45 Tab. 36: Prognose der jährlichen Einsparung durch Klärgasverstromung [eigene Darstellung] ...................................................................................................45 Tab. 37: Idealwert-Berechnungsansätze Stromverbrauch - Teil 1 [5, S. 43] ...............52 Tab. 38 Idealwert-Berechnungsansätze Stromverbrauch - Teil 2 [5, S. 44] ................53 Tab. 39: Idealwert-Berechnungsansätze Stromverbrauch - Teil 3 [5, S. 45] ................53 Tab. 40: Idealwert-Berechnungsansätze Wärmebedarf [5, S. 47] ................................53
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abb. Abbildung BB Belebungsbecken BIUKAT Bayerische Institut für Umwelt- und Kläranlagentechnologie BHKW Blockheizkraftwerk BSB Biochemischer Sauerstoffbedarf bzw. beziehungsweise ca. circa (ungefähr, etwa) CSB Chemischer Sauerstoffbedarf Deni Denitrifikation DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall eig. eigene EW Einwohnerwert e.V. eingetragener Verein FU Frequenzumrichter GK Größenklasse GV Glühverlust inkl. inklusive KA Kläranlage kWh Kilowatt Stunde KWK Kraft-Wärme-Kopplung kWp Kilowatt peak oTR organischer Trockenrückstand PV Photovoltaik RSP Rücklaufschlammpumpe(n) s. siehe S. Seite spez. spezifisch Tab. Tabelle TS Trockensubstanz ÜSS Überschussschlamm z.B. zum Beispiel
1 Einleitung 1 Einleitung Für unsere heutige Zivilisation sind Kläranlagen für die Abwasserbehandlung und -rei- nigung unabdingbar. Beim Energieverbrauch stellen sie mit durchschnittlich 20 % in einer Kommune den größten Verbraucher im Stromsektor dar [2]. Energetische Einsparungen und Verbesserungen im Bereich von Kläranlagen erschließen somit ein großes Potential bei der Einsparung an Energie, insbesondere Strom. Das hat Auswirkungen auf drei Bereiche: Mit der Senkung des Energieverbrauchs und dem Einsatz von „klimafreundlicher“ Technologie kann zur Bekämpfung des Klimawandels beigetragen werden. Verbesserungen und die Senkung des Energieverbrauch haben bei Kläranlagen positive finanzielle Auswirkungen auf die Kommunen. Diese können wiederum die Senkung mit niedrigeren Abwassergebühren an die Bürger weitergeben. Verbesserungen und Energieeinsparungen sorgen dafür, dass Kläranlagen ihren Anteil zu einer modernen Abwasserreinigung beitragen. Der Fokus liegt hierbei auf der Nutzung von modernen Aggregaten, zeitgemäßen Gesamtkonzepten und einer möglichst vollständigen Datenerhebung. Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht konkret die Kläranlage Röhrnbach, wobei der Energiecheck und die Energieanalyse auf Basis der Vorgaben des Arbeitsblattes DWA- A 216 (DWA – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall) durchgeführt werden. Darüber hinaus werden noch Untersuchungen zur Anwendbarkeit einer Wasserturbine zur Stromerzeugung durch Nutzung des vorhandenen Gefälles des gereinigten Abwassers zum Vorfluter, sowie die Möglichkeiten der Implementierung einer Klärschlammfaulung durchgeführt. Beide technischen Möglichkeiten werden einer Wirtschaftlichkeitsberechnung unterzogen. An diesen Untersuchungen ist die Marktgemeinde Röhrnbach als Auftraggeber beteiligt und hat alle erforderlichen Betriebsdaten geliefert. Diese Bachelorarbeit wurde in Zusammenarbeit mit BIUKAT, dem Bayerischen Institut für Umwelt- und Kläranlagentechnologie [3] erstellt und die Betreuung erfolgte durch Gerhard Huppmann, dem an dieser Stelle mein Dank gilt. 1
2 Grundlagen zu Kläranlagen 2 Grundlagen zu Kläranlagen Die Kläranlage bildet mit dem Kanalsystem zusammen ein Abwasserreinigungssystem. Eine Kläranlage hat die Funktion das gesammelte Abwasser von verschiedenen Verschmutzungen zu reinigen. Damit kann gewährleistet werden, dass keine unhygienischen und krankheitsverursachenden Verhältnisse herrschen, dass Schadstoffe zurückgehalten werden und nicht in den Wasserkreislauf gelangen und dass der Gewässerschutz funktioniert. Über diesen Basisschutz hinaus, ermöglichen moderne Kläranlagen die Gewinnung wertvoller Rohstoffe und haben eine hohe Energieeffizienz bei der Abwasserreinigung. Abhängig von der Abwassermenge und dem Verschmutzungsgrad gibt es unterschiedliche große Kläranlagen. In Deutschland werden Kläranlagen in fünf Größenklassen eingeteilt. Je nach Größenklasse gibt es in der Abwasserverordnung unterschiedliche, gesetzlich geregelte Mindestanforderungen an Kläranlagen. 2
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach 3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach 3.1 Eckdaten der Kläranlage Die Kläranlage der Marktgemeinde Röhrnbach liegt im niederbayrischen Landkreis Freyung - Grafenau. Die im Jahr 2008 erbaute Kläranlage ist ausgelegt für eine frachtgewichtete Belastung von 8000 EW60 (BSB5-Wert). Derzeit sind in der Marktgemeinde mit 4634 Einwohner 98 % der Einwohner an das Kanalsystem angeschlossen. Zusätzlich kommen noch die vor Ort ansässige Industrie und Gewerbebetriebe hinzu. (Ein Granit- und Schotterwerk/Baumaterialhersteller führt vereinzelt zu relevanten Verunreinigungen, die jedoch laut Klärwärter beherrschbar sind und zu keiner Beeinträchtigung führen.) Da Röhrnbach ansonsten keine relevanten Industrieableitungen hat, ist der Schmutzwasseranfall sehr homogen. Das 118 km lange Kanalsystem führt 65 % Abwasser und Regenwasser getrennt zu, zu 35 % wird es im Mischkanal zugeführt. Aufgrund von wasserrechtlichen Anforderungen und mit Hinblick auf moderne Reinigungstechnik, sowie Effizienzsteigerung, wurde für das ältere, vorhandene Klärwerk im Jahr 2008 ein neues errichtet. Die Gesamtfläche der Kläranlage beträgt 7.700 m2, zudem sind noch 6.000 m2 Flurmulde und 7.000 m2 Wiesenrestfläche vorhanden. Das Abwasser aus der Marktgemeinde fließt bergab über einen Düker zur niedriger gelegenen KA. Dort wird das Abwasser dreistufig gereinigt (mechanisch, biologisch und chemisch), sodass es Brauchwasserqualität erreicht und in den nebenan fließenden Osterbach eingeleitet werden kann. 3
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach 3.2 Ablauf und Aufbau der Kläranlage Zulauf und Rechen Schlammstapelbehälter Betriebsgebäude Funktionsgebäude Sand und Fettfang Schlammlagerplatz Nachklärbecken Belebungsbecken Abb. 1: Luftaufnahme Kläranlage Röhrnbach [4] Vom geodätisch höhergelegenen, besiedelten Röhrnbach fließt das Abwasser in die Kläranlage über einen Düker hinab auf 387 m (über NN) zum Funktionsgebäude. Die mechanische Abwasserreinigung, die im Funktionsgebäude stattfindet, beginnt in der Rechenanlage, die alle groben Feststoffe durch einen Rechenrost (Spaltweite: 4 mm) zurückhält, das Rechengut wäscht, presst und einem Entsorgungs-Container zuführt. Abb. 2: Skizze Rechenanlage KA Röhrnbach Abb. 3: Rechenanlage KA Röhrnbach [4, S. 10] [4, S. 10] 4
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach Im weiteren Prozess erfolgt die Eliminierung von Sand und Fett. Dazu gibt es einen belüfteten Langsandfang, der automatisch durch eine Drehströmung, sowie einer Räumerbrücke das Abscheiden von Sand und Fett vom restlichen Abwasser bewirkt. Abb. 4: belüfteter Sand- und Abb. 5: Skizze belüfteter Sand- und Fettfang KA Röhrnbach [4, S. 11] Fettfang KA Röhrnbach [4, S. 11] Zudem wird durch ein Sandwäscherrührwerk der Sand zur Wiederverwendung gewaschen. Aus dem Funktionsgebäude heraus fließt das Abwasser zu den Belebungsbecken, wo die biologische Reinigung mittels Belebtschlammverfahren durchgeführt wird. Ziel der biologischen Reinigung ist das Entfernen von organischen Verunreinigungen. In der KA Röhrnbach geschieht dies in einem 606 m3 großen Denitrifikationsbecken und in vier je 500 m3 großen Nitrifikationsbecken. Diese fünf Becken werden kaskadenförmig durchflossen. Um eine Eutrophierung („Umkippen“) des Gewässers zu vermeiden [5], ist es erforderlich Phosphor und Stickstoff zu eliminieren. Dies geschieht in einem Kombibecken, bei dem phosphorhaltige Wertstoffe durch die Hinzugabe von Fällmittel abgeschieden werden und durch Denitrifikation, bei welcher der Stickstoff aus dem nitrathaltigen Rücklaufschlamm entfernt wird. Chemische Reaktionsgleichung Denitrifikation [6, S. 108]: 4 3 − + 4 + + 5 → 2 2 + 5 2 + 2 2 Die Denitrifikation wird durch den Betrieb eines Rührwerks erreicht. Dieses wälzt das Wasser um, sodass der Stickstoff in die Atmosphäre entweichen kann. Danach fließt das Abwasser in die Nitrifikationsbecken, bei denen Mikroorganismen durch Sauerstoffzufuhr „gezüchtet“ werden, die Kohlenstoffverbindungen wie Zucker, Fette und Proteine zersetzen. Die nötige Sauerstoffzufuhr erfolgt in Form von Luft, die mittels Belüftungsgebläsen und Belüftungskerzen zur Luftverteilung eingebracht wird. Zusätzlich erfolgt die Nitrifikation, bei der in einem bakteriellen Prozess 5
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach Ammoniumstickstoff zu Nitrit, in einem weiteren Prozessschritt zu Nitrat umgewandelt wird und damit Stickstoff entnommen wird. Chemische Reaktionsgleichungen für die Nitrifikation [7, S. 205]: • 1. Teilschritt: Ammoniumoxidation 2 4 + + 3 2 → 2 2 − + 2 2 + 4 + • 2. Teilschritt: Nitritoxidation 2 2 − + 2 → 2 3 − • Gesamtgleichung Nitrifikation: 4 + + 2 2 → 3 − + 2 + 2 + Mit Bandräumern wird der sich an der Oberfläche bildende Schlamm abgezogen. Das Abwasser, das vom Belebungsbecken in das Nachklärungsbecken fließt, ist nun größtenteils gereinigt und die Fließgeschwindigkeit wird verringert, damit Schwebstoffe sedimentieren können. Auch hier wird mit einem Bandräumer, der Oberflächenschlamm abgezogen. Ein Teil dieses Nassschlamms wird dann von diesem Becken wieder zurück zum Nitrifikations- und zum Denitrifikationsbecken gepumpt („Rücklaufschlamm). Der andere Teil dieses Nassschlammes wird zu einem Schlammstapelbehälter gepumpt („Überschussschlamm bzw. ÜSS). Nach diesem Reinigungsprozess besitzt das Abwasser Brauchwasserqualität und wird in den Fluss abgeleitet oder geringfügig für den Wasserbedarf der KA genutzt. 6
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach 3.2.1 Anlagenschema Abb. 6: Anlagenschema Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] 7
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach 3.2.2 Klärschlammbehandlung Eine Überschussschlammpumpe fördert den, neben der Schlammrückführung, überschüssigen Nassschlamm aus dem Nachklärbecken in einen Schlammstapelbehälter mit einem Fassungsvermögen von 1.900 m3. In diesem wird er über eine bestimmte Zeitdauer aerob stabilisiert, bis er von einem externen Entsorgungsunternehmen abgeholt wird. Der Wassergehalt des Nassschlamms beträgt über 95 %, meist 97 %. In Röhrnbach werden derzeit mehrere Entsorgungsmöglichkeiten genutzt: Die Verwertung des Nassschlamms in der Landwirtschaft, die Entsorgung durch Deponierung oder durch Mitverbrennung in einem Kohlekraftwerk. Diese Entsorgungsvarianten stehen, in Übereinstimmung mit den Vorgaben der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung (gültig seit 03.09.2017), nur noch für beschränkte Übergangsperioden zur Verfügung, wobei die Deponierung bereits heute nur in Ausnahmefällen toleriert wird. Für die Mitverbrennung in Kohlekraftwerken muss der Schlamm zum Beispiel in mobilen Kammerfilterpressen entwässert werden, um das Volumen erheblich zu verkleinern und Transportkapazitäten einzusparen. 3.2.3 Photovoltaiknutzung In der Kläranlage Röhrnbach wurden im November 2012 237 Photovoltaik-Module auf Funktions- und Betriebsgebäude mit einer Gesamt-Spitzenleistung von 58 kWp installiert. Im ersten Betriebsjahr (2013) fiel der Eigenversorgungsgrad um mehr als 13 % geringer aus als in den Folgejahren, da die Klärschlammpressung bis dahin über ein Diesel-Notstromaggregat erfolgte. Von 2014 – 2019 lag die Photovoltaik Stromerzeugung konstant bei 42.300 kWh ± 2.100 kWh mit einem Eigenversorgungsgrad von konstant 86 % ± 3 %. 8
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach Stromerzeugung Photovoltaik [kWh] 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 7Jahres-Ø Gesamt Eigenverbrauch Netzeinspeisung Abb. 7: Stromerzeugung Photovoltaik KA Röhrnbach [eigene Darstellung] Diese Bachelorarbeit orientiert sich bei der Untersuchung der Kläranlage Röhrnbach an dem „Arbeitsblatt DWA-A 216 Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen“ (2015). Dieses Arbeitsblatt ist Teil eines umfangreichen technischen Regelwerks der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA). Die DWA ist ein technisch- wissenschaftlicher Fachverband, der sich für eine sichere und nachhaltige Wasser- und Abfallwirtschaft, sowie Förderung der Forschung und Entwicklung in diesem Sachbereich einsetzt. Mit diesem Arbeitsblatt sollen Abwasserreinigungsanlagen auf Energieverbrauch und Wirtschaftlichkeit analytisch beurteilt und das Potential für eine Anlagenoptimierung aufgezeigt werden. 3.3 Ermittlung von Einwohnerwert und Größenklasse der KA Damit Kläranlagen miteinander verglichen und untersucht werden können, sind aussagekräftige Vergleichswerte nötig. Ein signifikanter Vergleichswert ist die anfallende Schmutzfracht, da diese sich direkt auf den Reinigungsaufwand einer Kläranlage auswirkt. Als besonders geeignet zur Quantifizierung der Schmutzfracht gilt hierfür der Wert für den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB). Zur Reinigung der im langjährigen Mittel pro Einwohner angelieferten Abwassermenge wird ein Wert von 120 g pro Tag als chemischer Sauerstoffbedarf angesehen. Dieser Wert ist mittlerweile normiert und wird standardmäßig zum Größenvergleich einer Abwasserreinigungsanlage herangezogen. Erhöhte EWCSB120-Werte ergeben sich durch relevante Abwassereinleitungen von 9
3 Vorstellung der Kläranlage Röhrnbach Industrie und Gewerbe. Die KA Röhrnbach verarbeitete 2019 durchschnittlich Abwasser mit einem chemischen Sauerstoffbedarf von 720,16 kg/d. Daraus ergibt sich der Einwohnerwert nach kg 720,16 × 1.000 EWCSB = d g = 6.001 120 E×d Dieser Wert weicht weniger als 3 % von den Werten aus Jahr 2017 und 2018 ab. Das ist vorteilhaft, da für den Energiecheck und die Energieanalyse ein möglichst durchschnittliches Jahr mit geringen Unterschieden bei den Bezugswerten, eine hohe Aussagekraft bietet. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird vereinfacht mit 6.000 EWCSB gerechnet. Die Einteilung von Kläranlagen wird bestimmt durch den jeweiligen Einwohnerwert. Mit einer Ausbaugröße von 8.000 EWBSB-5 und 6.000 EWCSB befindet sich die Kläranlage Röhrnbach in der Größenklasse 3. Tab. 1: Größenklasseneinteilung Kläranlagen nach Abwasserverordnung [8] Größenklasse Einwohnerwert 1 < 1.000 2 1.000 - 5.000 3 5.001 - 10.000 4 10.001 - 100.000 5 > 100.000 10
4 Energiecheck 4 Energiecheck „Gegenstand des Energiechecks ist eine energetische Bestandsaufnahme einer Abwasseranlage verbunden mit einer ersten Positionsbestimmung hinsichtlich Energieverbrauch und Eigenenergieerzeugung.“ [9, S. 22] Die Kennwerte dafür sind in Tab. 2 dargestellt. Je nach Unterschreitungshäufigkeit („Wie viele anderen KA der gleichen Größenklasse Deutschlands unterschreiten die untersuchte Kläranlage hinsichtlich Energieverbrauch?“) können Gesamtenergieverbrauch und Stromverbrauch für die Belüftungsgebläse entsprechend der folgenden dreistufigen Bewertung eingestuft werden. Abb. 8: Farbskala Ergebnisse Energiecheck [eigene Darstellung] Da die Kläranlage Röhrnbach Schlamm aerob stabilisiert und somit keinen Faulungsprozess ausführt, fallen alle spezifischen Werte zu „Kläranlagen mit Faulung“ weg. Des Weiteren kann auch das Pump- bzw. Hebewerk nicht untersucht werden, da das Schmutzwasser der KA Röhrnbach über einen Düker zugeführt wird und somit ein Pump- oder Hebewerk überflüssig ist. Auf die nähere Betrachtung des Dükers wird auch im nachfolgenden Kapitel 4.3 näher eingegangen. 11
4 Energiecheck Tab. 2: Kennwerte Energiecheck DWA-A 216 [9, S. 23] 12
4 Energiecheck 4.1 Spezifischer Gesamtenergieverbrauch Der spezifische Gesamtstromverbrauch der gesamten KA setzt sich aus den Verbräuchen der verschiedenen Aggregate der KA zusammen. Da die Daten des Gesamtstromverbrauchs von 2008 – 2019 vorliegen, lässt sich die Schwankungsbreite gut darstellen. Mit dem Mittelwert aus 12 Jahren kann bewerten werden, wie stark der Stromverbrauch im ausgewählten Jahr 2019 von vorherigen Jahren abweicht. Stromverbrauch Gesamt [kWh]: 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Abb. 9: Gesamtstromverbrauch Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] Der durchschnittliche Gesamtstromverbrauchs von 2008 – 2019 beträgt 145.600 kWh/a ± 14.000 kWh/a (≙ ± 10 %). Mit ± 10 Prozent Schwankungsbreite ist der Stromverbrauch der KA sehr homogen. Der ausgewählte Stromverbrauch 2019 liegt 6 % (9.000 kWh/a) über dem durchschnittlichen Gesamtstromverbrauch der 12 Jahre und ist somit ein sehr guter Wert als Grundlage. Berechnung des spezifischen Gesamtenergieverbrauchs der Anlage: kWh kWh Eges EStrom + EGas 154.570 a + 11.966 a eges = = = EWCSB EWCSB 6.000 EW kWh kWh eges = 27,75 ≈ 28 E×a E×a Aus dem Diagramm des DWA-Arbeitsblatts, bei dem die Unterschreitungshäufigkeiten für Kläranlagen der Größen 3, 4, und 5 angezeigt werden, muss für die KA Röhrnbach die fette dunkelblaue Kurve „Belebungsanlage mit aerober Schlammstabilisierung kWh ausgewählt werden. Dem spezifischen Gesamtenergieverbrauch von 28 E×a wird eine 13
4 Energiecheck Unterschreitungshäufigkeit von 19 % attestiert. Anders ausgedrückt: Laut Energiecheck ist die Kläranlage Röhrnbach gegenüber 81 % der deutschen Kläranlagen mit aerober Schlammstabilisierung in der gleichen Größenklasse energie-effizienter, nur 19 % sind „besser“. Jedoch sollten diese Angaben mit Vorsicht betrachtet werden, da diese Vergleichs-Kläranlagen auf Daten vom Jahr 2000 beruhen und Kläranlagen sich nur schwer vergleichen lassen. Als grober Richtwert sind 19 % Unterschreitungshäufigkeit trotzdem ein positives Ergebnis für die Kläranlage Röhrnbach, wie auch die dreistufige (GUT; MITTEL, SCHLECHT) Bewertung ein GUT attestiert. Abb. 10: Spezifischer Gesamtstromverbrauch von Kläranlagen der Größenklasse 3,4 und 5 in Abhängigkeit vom Reinigungsverfahren [5, S. 24] 4.2 Spezifischer Stromverbrauch der Belüftung Anschließend ist der spezifische Stromverbrauch der Belüftung der Belebungsbecken zu betrachten, da diese bei den meisten Klärwerken den größten Stromverbraucher in der gesamten Anlage darstellt. In der Kläranlage werden zu den Gebläsen für die Belüftung die Betriebsstunden angezeigt. Da jedoch das hauptsächlich genutzte Gebläse mit einem Frequenzumrichter betrieben wird und damit eine Leistungsanpassung an die tatsächlich benötigte Luftzufuhr vorgenommen wird, können die Betriebsstunden nicht mit Volllaststunden gleichgesetzt werden. (Das gleiche Problem gibt es übrigens auch beim Sandfang-Gebläse, welches auch mit 14
4 Energiecheck Frequenzumrichter geregelt wird.) Laut Klärwärter sind das Sandfang-Gebläse und das Belüftungsgebläse für die Belebungsbecken die einzigen, mit Frequenzumrichter betriebenen Aggregate. Um die Stromverbrauchs-Werte trotzdem berechnen zu können, werden Annahmen getroffen: Die anderen Aggregate werden mit Volllaststunden und ihren Leistungsdaten berechnet. Die Differenz zum Gesamtstromverbrauch ist dann der Stromverbrauch der zwei FU-Gebläse. Gemäß ihren Leistungsdaten für Volllast wird proportional der Stromverbrauch zugeteilt und errechnet. Somit zeigt sich ein Stromverbrauch bei den Gebläsen zur Belüftung der Belebungsbecken von 53.700 kWh/a für das Jahr 2019. EBel 53.700 kWh/a kWh kWh eges = = = 8,95 ≈9 EWCSB 6000 EW E×a E×a kWh Bei einem spezifischen Wert von 9 E×a folgt daraus eine Unterschreitungshäufigkeit von 9 %, was bedeutet, dass nur 9 % der deutschen Kläranlagen gleicher Größenklasse energieeffizienter bei der Belüftung wären und 91 % energieintensiver als die KA Röhrnbach. Da die getroffene Annahme mit Unsicherheiten behaftet ist, kann der spezifische Stromverbrauch nur ein Annäherungswert an den realen Wert abbilden. Im Diagramm ist neben dem errechneten spezifischen Wert auch der spezifische Wert abgebildet, wenn die Betriebsstunden Volllaststunden gewesen wären (gestrichelte kWh Linie). Das heißt, der spezifische Stromverbrauch muss deutlich unter 19 liegen und E×a somit auch die Unterschreitungshäufigkeit deutlich unter 55 %. Bei der Bewertung kann demzufolge der Stromverbrauch „guten Gewissens“ in die Kategorie „GUT – Unterschreitungshäufigkeit von 0 – 40 %“ eingestuft werden. Für eine genauere Betrachtung der Hauptverbraucher wird empfohlen einen eigenen Stromzähler für die Belüftungsgebläse zu verbauen, um deren Stromverbrauch genauer zu erfassen. 15 Abb. 11: Spezifischer Stromverbrauch Belüftung von KA [5, S. 25]
4 Energiecheck 4.3 Düker Der Düker hat den Vorteil, dass er im Gegensatz zum Abwasserpumpwerk keinen Strombedarf hat und kein Maschineneinsatz notwendig ist. Zudem hat er eine hohe Lebenserwartung (> 50 Jahre). Durch das vorhandene Gefälle fließen 27 l/s bei Trockenwetter durch den Düker. Bei Regenwetter wird der Düker geflutet und Ablagerungen vom Düker werden so wieder weiter transportiert. Laut Klärwärter ist der Wartungsaufwand minimal. Der Düker in der KA Röhrnbach liefert einen erheblichen Beitrag zur Energieeffizienz der gesamten Anlage. 16
5 Energieanalyse 5 Energieanalyse Die Energieanalyse ist „eine detaillierte Erhebung und Bewertung der Energiesituation einer abwassertechnischen Anlage, bei welcher Optimierungsmaßnahmen inklusive einer Gegenüberstellung des Kostenrahmens mit eingesparten Energie- und Betriebskosten entwickelt werden.“ [9, S. 30] Die Energieanalyse gliedert sich in folgende Unterthemen: • Bestandsaufnahme des Ist-Zustands • Erstellung einer Verbrauchsmatrix und Energiebilanz des Ist-Zustands • Bestimmung der anlagenbezogenen Idealwerte • Bewertung des Ist-Zustands und Identifizierung von Maßnahmen • Ermittlung des Einsparpotentials und Wirtschaftlichkeit • Bildung von Maßnahmenpaketen • Berichterstattung 5.1 Bestandsaufnahme des Ist-Zustands Für die Bestandsaufnahme wurde eine Ortsbegehung durchgeführt und ein ständiger Austausch mit dem Klärwärter der KA Röhrnbach initiiert, um nach DWA-A 216 folgende, die Energieanalyse umfassenden Punkte, ausführen zu können: • Ergebnisse des Energiechecks und anderer vorliegender Studien • Anlagenbegehungen • Anlagen- und Verfahrensbeschreibung • Erstellung einer Aggregatsliste • Leistungsmessung wesentlicher Aggregate • Auswertung der Betriebsdaten, inkl. Plausibilitätsprüfung • gegebenenfalls Festlegung zusätzlicher Datenerhebung 5.1.1 Bestimmung des Stromverbrauchs Um möglichst genau den Stromverbrauch der einzelnen Verbraucher erfassen zu können, wurden bei der KA Röhrnbach sämtliche Maschinentypenschilder, Datenblätter und die Betriebsstunden der einzelnen Aggregate ausgewertet. Die Leistung der 17
5 Energieanalyse einzelnen Verbraucher wurde mit Pel = √3 × I × U × cosφ berechnet. Für die elektrische Wirkarbeit anschließend noch mit der Anzahl der Betriebsstunden im Jahr 2019 multipliziert: Wel = Pel × t . Tab. 3: Verbrauchermatrix der Kläranlage Röhrnbach [eigene Darstellung] D= Verbrauchermatrix A B C E F = D*E A*B*C*√3 Bemess- Bemess- Betriebs- Leistungs- Bemessungs- Strom- Aggregat ungs- ungs- stunden faktor leistung verbrauch spannung strom 2019 Bezeichnung Baujahr V A cos φ kW h/a kWh/a Zulauf Zulaufpumpe 1 2006 400 9 0,8 4 447 2.229 Zulaufpumpe2 2006 400 9 0,8 4 171 851 Rechen Rechen 2007 400 5,1 0,82 2,2 864 2.503 Sand- und Fettfang Sandfangräumer Fahrantrieb 2007 230 1,9 0,77 0,37 182 106 Sandfangräumer Hubantrieb 2007 230 1,9 0,77 0,37 57 33 Sandfangräumer Gebläse FU 2007 400 3,85 0,9 2,2 8.058 7.931 Sandwäscher Schnecke 2007 230 2,75 0,73 0,55 3 3 Sandwäscher Rührwerk 2007 230 2,75 0,73 0,55 254 203 Sandwäscher Gebläse - 400 16,3 0,83 7,5 64 600 Fettpumpe 2007 400 5,7 0,84 1,5 0 0 Belebung und Nachklärung Gebläse 1 FU 2007 400 19,5 0,9 11 8.644 43.092 Gebläse 2 2007 400 19,5 0,9 11 871 10.587 Gebläse 3 2007 400 19,5 0,9 11 2 21 Rührwerk DENI - 230 8,7 0,75 2,2 8.759 22.767 Rezirkulationspumpe 1 2007 400 4,45 0,82 1,75 743 1.879 Rezirkulationspumpe 2 2007 400 4,45 0,82 1,75 755 1.908 Rücklaufschlammpumpe 1 2007 400 7,2 0,76 3 4.238 16.067 Rücklaufschlammpumpe 2 2007 400 7,2 0,76 3 4.433 16.806 Rücklaufschlammpumpe 3 2007 400 7,2 0,76 3 4.550 17.251 Überschussschlammpumpe - 400 6,65 0,79 3 263 956 Brauchwasserpumpe 2016 400 10 0,89 5,5 297 1.833 Beckenentleerungspumpe - 400 5,87 0,64 1,9 9 24 Bandräumer 1 2007 230 1,19 0,81 0,25 8.682 3.334 Bandräumer 2 2007 230 1,19 0,81 0,25 8.759 3.363 Schlammbehandlung Schlammstapelbehälter Schlammpumpe 2006 400 4,45 0,87 1,75 33 91 Schmutzwasserpumpe 2007 400 5,9 0,64 1,9 45 118 Schwimmschlammpumpe 2006 400 24,5 0,87 11,5 1 12 Summe 154.566 18
5 Energieanalyse Die Stromverteilung der KA stellt sich damit wie folgt dar: Verteilung Stromverbrauch in % 2% 2% 3% Gebläse 4% 2% Rücklaufschlammpumpen Sandfanggebläse 35% Rührwerk Deni 15% Rezirkulationspumpen 5% Bandräumer Zulaufpumpen Rechen 32% andere Verbraucher Abb. 12: Verteilung des Stromverbrauchs KA Röhrnbach [eigene Darstellung] Es ist zu erkennen, dass mit über zwei Drittel die Gebläse der Belebungsbecken und die Rücklaufschlammpumpen den Großteil des Stromverbrauchs verursachen. Besonders der Stromverbrauch der Rücklaufschlammpumpen überrascht und scheint mit 32 % des Stromverbrauchs bzw. 50.000 kWh/a exorbitant hoch zu sein. In 5.2.2 wird dies bei Punkt 7 noch näher thematisiert. 5.1.2 Bestimmung des Wärmebedarfs Für die Heizung des Betriebsgebäudes der KA Röhrnbach wird Wärmeenergie benötigt. Für einen ausreichenden Wärmebedarf (Frostschutz) im Funktionsgebäude sorgt die Abwärme der Aggregate. Da die Kläranlage Röhrnbach nicht an das Gasversorgungsnetz angeschlossen ist, wird mit Flüssiggas (Propan) geheizt. Verbrauch Wärmeenergie KA Röhrnbach: • 2017: 12.300 kWh/a, • 2018: 11.300 kWh/a, • 2019: 12.000 kWh/a Damit schwanken die Energieverbrauchsmengen für Wärmeenergie von 2017 bis 2019 um weniger als 10 %. 19
5 Energieanalyse 5.1.3 Strom- und Wärmeerzeugung In der Kläranlage Röhrnbach wird kein Klärgas über einen Faulturm erzeugt. Dies wurde bisher bei einer Anlagengröße der Größenklasse 3 als nicht wirtschaftlich erachtet. Ob sich das nun in Zukunft weiterhin so darstellt, wird in Kapitel 1 behandelt. Wie in Kapitel 3.2.3 schon ausgeführt, sind auf dem Funktions- und Betriebsgebäude Photovoltaikmodule installiert, die Strom erzeugen. In 7 Jahren wurden durchschnittlich 49.000 kWh/a erzeugt. Davon wurden 84 % eigenverbraucht und 16 % in das Netz eingespeist. Somit wurden bei einem Durschnitts-Stromverbrauch von 148.000 kWh/a über diese sieben Jahre 33 % durch Eigenenergie aus der Photovoltaik-Stromerzeugung gedeckt. 5.2 Bestimmung der anlagenbezogenen Idealwerte Für jedes vorhandene Aggregat der KA Röhrnbach wird ein Idealwert nach der vorgeschriebenen Berechnungsweise der DWA berechnet. Angemerkt sei, dass diese Optimums-Werte nicht zwingend erreicht werden können, da sie „abhängig sind von den Randbedingungen der vorhandenen Anlagenkonfiguration und Betriebsweise.“ [9, S. 34] Weichen die realen Werte jedoch erheblich (z. B. > 200 %) vom Idealwert ab, ist eine Analyse notwendig. Damit können Einsparpotentiale entdeckt und damit Ansätze für die Entwicklung von Maßnahmen gebildet werden. Für ein Zulauf-Hebewerk des Abwassers kann nach DWA-A 216 kein Idealwert berechnet werden, da der Zulauf über einen Düker erfolgt. 20
5 Energieanalyse Tab. 4: Idealwertberechnung Zulaufpumpe 1 [eigene Darstellung] Zulaufpumpe 1 Datenbasis: • Förderstrom Q = 27,4 l/s (aus Datenblatt Zulaufpumpe) • Förderhöhe h = 5,55 m (aus Datenblatt Zulaufpumpe) • Wirkungsgrad ηges (Freistromrad) = 0,5 (s. Abb. 20, Mittelwert) • Betriebsstunden (2019): t = 447 h/a (s. Tab. 3) • Strombedarf in Abhängigkeit von der Fördermenge und der Förderhöhe: 2,7Wh/m3*m (s. Tab. 37) Förderstrom pro Jahr: Q = 27,4 l/s * 447 h/a = 44.092 m3/a Berechnung: E = (Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (44.092 m3/a*5,5 m*2,7 Wh/m3*m)/0,5 = 1.309 kWh/a Tab. 5: Idealwertberechnung Zulaufpumpe 2 [eigene Darstellung] Zulaufpumpe 2 Datenbasis: • Förderstrom Q = 27,4 l/s (aus Datenblatt Zulaufpumpe) • Förderhöhe h = 5,55 m (aus Datenblatt Zulaufpumpe) • Wirkungsgrad ηges (Freistromrad) = 0,5 (s. Abb. 20, Mittelwert) • Betriebsstunden (2019): t = 171 h/a (s. Tab. 3) • Strombedarf in Abhängigkeit von der Fördermenge und der Förderhöhe: 2,7Wh/m3*m (s. Tab. 37) Förderstrom pro Jahr: Q = 27,4 l/s*171 h/a = 16.867 m3/a Berechnung: E = (Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (16.867 m3/a*5.,5 m*2,7 Wh/m3*m)/0,5 = 501 kWh/a 21
5 Energieanalyse Tab. 6: Idealwertberechnung Rechen [eigene Darstellung] Rechen: Datenbasis: Spezifische Idealwerte: • Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) Röhrnbach: 6.001 EWCSB (s. Kapitel 3.3) • Spezifischer Stromverbrauch (Mittelwert): espez = espez = 0,05 - 0,1 0,075 kWh/(E*a) kWh/(E·a) (s. Tab. 37) Berechnung: E = espez · EWCSB (s. Tab. 37) E = 0,075kWh/(E·a) · 6.001 EWCSB = 450 kWh/a Tab. 7: Idealwertberechnung Sandfangräumer Fahrantrieb [eigene Darstellung] Sandfangräumer Fahrantrieb Datenbasis: Spezifische Idealwerte: • Betriebsstunden (2019): t = 182 h/a (s. Tab. 3) PRäumer: 0,3-1,0 kW/Becken • Spezifischer Leistungswert pro Becken: (s. Tab. 39) PRäumer = 0,65 kW Berechnung: E = P*t (s. Tab. 39) E = 0,65 kW*182 h/a = 119 kWh/a Tab. 8: Idealwertberechnung Sandfangräumer Hubantrieb [eigene Darstellung] Sandfangräumer Hubantrieb Datenbasis: Spezifische Idealwerte: • Betriebsstunden (2019): t = 57 h/a (s. Tab. 3) PRäumer: 0,3-1,0 kW/Becken • Spezifischer Leistungswert pro Becken: (s. Tab. 39) PRäumer = 0,65 kW Berechnung: E = P*t (s. Tab. 39) E = 0,65 kW*57 h = 37 kWh/a 22
5 Energieanalyse Tab. 9: Idealwertberechnung Sand-/Fettfang (Belüftung) [eigene Darstellung] Sandfang/Fettfang (Belüftung) Datenbasis: • Fördermenge: Q = 1,20 m3/min (aus Datenblatt "Sandfang Belüftung") • Druckdifferenz Δp = 230 mbar (aus Datenblatt "Sandfang Belüftung") • Betriebsstunden (2019) t = 3.303 h/a (s. Tab. 3) • Wirkungsgrad Drehkolbengebläse ηges = 0,575 (s. Tab. 37) Umrechnung: Q = 1,20 m3/min = 72 m3/h Δp = 230 mbar = 2,30 m Wassersäule Berechnung: E = (QL*Δp*t) / (ηges*367) (s. Tab. 37) E = (72 m3/h*2,3 m*3.303 h/a) / (0,585*367) = 2.548 kWh/a Tab. 10: Idealwertberechnung Sandwäscher Schnecke [eigene Darstellung] Sandwäscher Schnecke Datenbasis: • Förderstrom Q = 6,4 m3/a (aus Jahresbericht KA Röhrnbach 2019, Betriebs- und Reststoffbilanz, Sandanfall) • Förderhöhe h = 2,5 m • Wirkungsgrad ηges = 0,575 (s. Abb. 20, Mittelwert Exzenterschneckenpumpe) Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E= (6,4 m3/a*2,5 m*2,7 Wh/m3*m)/0,575 = 0 kWh/a Tab. 11: Idealwertberechnung Sandwäscher Rührwerk [eigene Darstellung] Sandwäscher Rührwerk Für ein Sandwäscher-Rührwerk ist nach DWA-A 216 kein Idealwertberechnung vorhanden. Tab. 12: Idealwertberechnung Sandwäscher Gebläse [eigene Darstellung] Sandwäscher Gebläse Keine Daten zum Luftfördermenge QL und zur Druckdifferenz Δp vorhanden. 23
5 Energieanalyse Tab. 13: Idealwertberechnung Fettpumpe [eigene Darstellung] Fettpumpe Da die Fettpumpe in der KA Röhrnbach 2019 nicht in Betrieb war, kann die Energieeffizienz nicht festgestellt werden. Tab. 14: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 1 [eigene Darstellung] Belüftung Belebungsbecken (BB) Gebläse 1 Datenbasis: • Luftfördermenge QL: 6,37 m3/min (aus Datenblatt "FU-Gebläse") • Druckdifferenz Δp = 540mbar (aus Datenblatt "FU- Gebläse") • Betriebsstunden (2019): t = 3.544 h/a (s. Tab. 3) • Wirkungsgrad ηges = 0,585 (s. Tab. 38, Mittelwert Drehkolbengebläse) Umrechnung: Q = 6,37 m3/min = 382 m3/h Δp = 540 mbar = 5,40 m Wassersäule Berechnung: E = (QL*Δp*t) / (ηges*367) (s. Tab. 38) E = (382 m3/h*5,4 m*3.544 h/a) / (0,585*367) E = 34.051 kWh/a Tab. 15: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 2 [eigene Darstellung] Belüftung Belebungsbecken (BB) Gebläse 2 Datenbasis: •Luftfördermenge QL: 6,37 m3/min (aus Datenblatt "Volllastgebläse 1") • Druckdifferenz Δp = 540mbar (aus Datenblatt "FU- Gebläse") • Betriebsstunden (2019): t = 871 h/a (s. Tab. 3) • Wirkungsgrad ηges = 0,585 (s. Tab. 38, Mittelwert Drehkolbengebläse) Umrechnung: Q = 6,38 m3/min = 383 m3/h Δp = 540 mbar = 5,40 m Wassersäule Berechnung: E = (QL*Δp*t) / (ηges*367) (s. Tab. 38) E = (383 m3/h*5,4 m*871 h/a) / (0,585*367) E = 8.390 kWh/a 24
5 Energieanalyse Tab. 16: Idealwertberechnung Belüftung BB Gebläse 3 [eigene Darstellung] Belüftung Belebungsbecken (BB) Gebläse 3 Datenbasis: •Luftfördermenge QL: 6,37 m3/min (aus Datenblatt "Volllastgebläse 1") • Druckdifferenz Δp = 540mbar (aus Datenblatt "FU- Gebläse") • Betriebsstunden (2019): t = 2 h/a (s. Tab. 3) • Wirkungsgrad ηges = 0,585 (s. Tab. 38, Mittelwert Drehkolbengebläse) Umrechnung: Q = 6,38 m3/min = 383 m3/h Δp = 540 mbar = 5,40 m Wassersäule Berechnung: E = (QL*Δp*t) / (ηges*367) (s. Tab. 38) E = (383 m3/h*5,4 m*2 h/a) / (0,585*367) E = 19 kWh/a Tab. 17: Idealwertberechnung Denitrifikation [eigene Darstellung] Rührwerk Denitrifikation Datenbasis: • Beckenvolumen VBB = 606 m3 • Spezifische Leistung: espez = 2,25 W/m3 (s. Tab. 39) • Betriebsstunden (2019): t = 8.759 h/a (s. Tab. 3) E = VBB*espez*t/1.000 (s. Tab. 39) E = 606 m3/a*2,25 W/m3*8.759 h/1000 = 11.942 kWh/a Tab. 18: Idealwertberechnung Rezirkulationspumpe 1 [eigene Darstellung] Rezirkulationspumpe 1 Datenbasis: • Fördermenge Q = 90 l/s (aus Datenblatt Rezirkulationspumpen) • Förderhöhe h = 0,7 m (aus Datenblatt Rezirkulationspumpen) • Wirkungsgrad ηges = 0,7 (s. Abb. 20, Mittelwert Kreiselpumpe Mehrkanalrad) • Betriebsstunden (2019): t = 743 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 90 l/s*743 h/a = 24.0732 m3/a Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (24.0732 m3/a*0,7 m*2,7 Wh/m3*m)/0,7 = 650 kWh/a 25
5 Energieanalyse Tab. 19: Idealwertberechnung Rezirkulationspumpe 2 [eigene Darstellung] Rezirkulationspumpe 2 Datenbasis: • Fördermenge Q = 90 l/s (aus Datenblatt Rezirkulationspumpen) • Förderhöhe h = 0,7 m (aus Datenblatt Rezirkulationspumpen) • Wirkungsgrad ηges = 0,7 (s. Abb. 20, Mittelwert Kreiselpumpe Mehrkanalrad) • Betriebsstunden (2019): t = 755 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 90 l/s*755 h/a = 24.4620 m3/a Berechnung: E = (Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (24.4620 m3/a*0,7 m*2,7 Wh/m3*m)/0,7 = 660 kWh/a Tab. 20: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 1 [eigene Darstellung] Rücklaufschlammpumpe 1 Datenbasis: • Fördermenge Q = 27,78 l/s (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Förderhöhe h = 1,2 m (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Wirkungsgrad ηges = 0,7 (s. Abb. 20, Mittelwert Kreiselpumpe Mehrkanalrad) • Betriebsstunden (2019): t = 4.238 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 27,78 l/s*4.238 h/a = 423.834 m3/a Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (423.834 m3/a*1,2 m*2,7 Wh/m3*m)/0,7 = 1.962 kWh/a Tab. 21: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 2 [eigene Darstellung] Rücklaufschlammpumpe 2 Datenbasis: • Fördermenge Q = 27,78 l/s (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Förderhöhe h = 1,2 m (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Wirkungsgrad ηges = 0,7 (s. Abb. 20, Mittelwert Kreiselpumpe Mehrkanalrad) • Betriebsstunden (2019): t = 4.433 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 27,78 l/s*4.433 h/a = 443.335 m3/a Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (443.335 m3/a*1,2 m*2,7 Wh/m3*m)/0,7 = 2.052 kWh/a 26
5 Energieanalyse Tab. 22: Idealwertberechnung Rücklaufschlammpumpe 3 [eigene Darstellung] Rücklaufschlammpumpe 3 Datenbasis: • Fördermenge Q = 27,78 l/s (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Förderhöhe h = 1,2 m (aus Datenblatt Rücklaufschlammpumpe) • Wirkungsgrad ηges = 0,7 (s. Abb. 20, Mittelwert Kreiselpumpe Mehrkanalrad) • Betriebsstunden (2019): t = 4.550 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 27,78 l/s*4.550 h/a = 455.036 m3/a Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (455.036 m3/a*1,2 m*2,7 Wh/m3*m)/0,7 = 2.106 kWh/a Tab. 23: Idealwertberechnung Überschussschlammpumpe (ÜSS) [eig. Darstellung] Überschussschlammpumpe Datenbasis: • Fördermenge Q = 9,39 l/s (aus Datenblatt Überschussschlammpumpe) • Förderhöhe h = 5,2 m (aus Datenblatt Überschussschlammpumpe) • Wirkungsgrad ηges = 0,5 (s. Abb. 20, Mittelwert Freistromrad) • Betriebsstunden (2019): t = 263 h/a (s. Tab. 3) Umrechnung Förderstrom pro Jahr (2019): Q = 9,39 l/s*263 h/a = 8.890 m3/a Berechnung: E=(Q*h*2,7) / ηges (s. Tab. 37) E = (8.890 m3/a*5,2 m*2,7 Wh/m3*m)/0,5 = 250 kWh/a 27
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