Das Ziel dieser Arbeit war, das Anwendungspotential der Wasserstofftechnologien auf Kläranlagen aufzuzeigen. Wie bereits in der Einleitung dieser Arbeit erwähnt, ist zum Schutze des Klimas eine massive Minderung der von uns Menschen...
moreDas Ziel dieser Arbeit war, das Anwendungspotential der Wasserstofftechnologien auf Kläranlagen aufzuzeigen. Wie bereits in der Einleitung dieser Arbeit erwähnt, ist zum Schutze des Klimas eine massive Minderung der von uns Menschen erzeugten CO2-Emissionen erforderlich. Das heisst, dass die derzeitigen primären, fossilen und auch endlichen Energieträger durch nachhaltige, erneuerbare Energieträger, wie z.B. Windkraft, Photovoltaik, etc., ersetzt werden müssen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die Reduzierung der Treibhausgase um 80 % bis zum Jahr 2050, sind klare Ziele der deutschen Bundesregierung. Der Ausbau der erneuerbaren Energien hat zur Folge, dass grosse Kapazitäten an elektrischer Energie als Überschussenergie vorhanden sein werden. Diese Überschussenergie gilt es für nachhaltige Prozesspfade sinnvoll einzusetzen. Einer dieser Pfade stellt die Umwandlung der Überschussenergie in „Power-to-X“ mittels diverser Wasserstofftechnologien dar. Wasserstoff wird im Rahmen der Dekarbonisierung wieder als idealer sekundärer Energieträger für eine schadstofffreie Energieversorgung gehandelt. Kläranlagen sind grosse Energieverbraucher, aber auch potentielle Energieerzeuger. Der Standort Kläranlage bietet sich, aufgrund seiner bestehenden Infrastruktur, hervorragend für die Implementierung der Wasserstofftechnologie an. Zur Herstellung von Wasserstoff gibt es viele verschiedene Verfahren. Auf Kläranlagen hat sich bisher gezeigt, dass die Wasserdampfreformierung und die Wasserelektrolyse für die Herstellung von Wasserstoff Stand der Technik sind. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren ist, dass für die Wasserdampfreformierung eine ausreichend grosse Faulgasmenge zum kontinuierlichen Betrieb der Dampfreformierung notwendig ist. Bei der Wasserelektrolyse gibt es mit der alkalischen - und der PEM-Elektrolyse zwei kommerzielle Typen von Elektrolyseuren, welche sich auf Kläranlangen in kommerziellen Projekten bewiesen haben. Abhängig vom Leistungsbereich, von den Investitionskosten und vom Platzangebot auf der Kläranlage, ergeben sich für den Einsatz von Elektrolyseuren kläranlagenspezifische Entscheidungen. Die hier angegebenen Systemwirkungsgrade der Elektrolyseure liegen in Wirklichkeit viel höher, da zum einen ihre Abwärme auf der Kläranlage, z.B. für den Faulbehälter, verwendet werden könnte und zum anderen können sie bei Überschussenergieaufnahme eine Abschaltung der Windkraft- und Photovoltaikanlagen verhindern. Mit beiden Elektrolyseurtypen wird neben dem Wasserstoff auch Sauerstoff erzeugt. Der Sauerstoff kann stofflich im Belebungsbecken oder in der Beseitigung von Spurenstoffen mit Ozon eingesetzt werden. In beiden Fällen hätte der eingesetzte Sauerstoff eine Energieeinsparung zur Folge, weil zum einen die herkömmliche energieintensive Druckbelüftung wegfallen könnte und zum anderen für die Ozonierung der Sauerstoff nicht zusätzlich produziert oder über externe Lieferanten bereitgestellt werden müsste. Für den Einsatz von Sauerstoff auf Kläranlagen gibt es in der Literatur noch keine ausreichend praxistauglichen und belastbaren Zahlen, jedoch wird derzeit dieses Thema in verschiedenen Projekten untersucht. Der auf Kläranlagen erzeugte Wasserstoff kann zwischengespeichert und je nach Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt rückverstromt werden. Die Rückverstromung kann über ein Wasserstoff- oder über ein Brennstoffzellen-BHKW stattfinden. Dabei kann die entstehende Abwärme für Wärmesenken, wie z.B. den Faulbehälter, die Betriebsgebäudeheizung oder die Beheizung des Belebungsbeckens im Winter, verwendet werden. Falls ein lokales Erdgasnetz vorhanden ist, besteht die
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Möglichkeit, den entstandenen Wasserstoff bis zu 2 Vol. % direkt einzuspeisen. Neben der Wasserstofferzeugung wurden auch die technischen Möglichkeiten der Speicherung von Produkten der Wasserstofftechnologie untersucht. Im Rahmen des Konzeptes „Power-to-X“ ergeben sich mehrere Möglichkeiten den Überschussstrom aus den erneuerbaren Energien zwischen zu speichern. Eine Möglichkeit besteht im Konzept „Power-to-Hydrogen“. Dabei wird der erzeugte Wasserstoff direkt, entweder in Druckbehältertanks, in Metallhydridspeichern oder über Verflüssigungsverfahren in Flüssigtanks, bis zu seiner bedarfsabhängigen Nutzung, z.B. der Rückverstromung, zwischengelagert. Da jede Speichereinheit ihre Vor- und Nachteile hat, ist die Wahl des richtigen und wirtschaftlichsten Speichers kläranlagenspezifisch zu prüfen. Eine weitere Möglichkeit besteht im Konzept „Power-to-Methan“. Dabei wird der Wasserstoff zusammen mit dem ebenfalls auf Kläranlagen vorhandenen Kohlendioxid, entweder einem katalytischen- oder einem biologischen Methanisierungsreaktor zugeführt, um dadurch ein hochwertiges Methan als Synthesegas zu erhalten. Bei diesem Prozess entsteht Abwärme die abgeführt und im Sinne einer hohen Anlageneffizienz in Wärmesenken der Kläranlage verwendet werden muss. Das entstandene Synthesegas Methan kann in Erdgastanks zwischengespeichert, in Gasmotoren- und Brennstoffzellen-BHKWs rückverstromt oder in ein lokales Erdgasnetz eingespeist werden. Eine dritte Möglichkeit besteht im Konzept „Power-to-Liquid“. Dabei wird auf der Kläranlage das Faulgas aufbereitet und zusammen mit Elektrolyse-Wasserstoff dem Methanolsynthesereaktor zugeführt. Methanol ist einfacher zu handhaben als Wasserstoff und kann einfach in Flüssigtanks bis zu seiner späteren Verwendung zwischengelagert werden. Zudem kann Methanol in Methanol-BHKWs, in Direktmethanolbrennstoffzellen rückverstromt oder Kraftstoffen beigemischt werden. Allerdings existieren bis heute weder ausgereifte Methanol-BHKWs, noch entsprechend grosse und leistungsstarke Direktmethanolbrennstoffzellen. Des Weiteren ist in Deutschland und Europa auch noch keine nennenswerte Methanol-Infrastruktur vorhanden. Für die energetischen Nutzungen der Wasserstofftechnologie gibt es sieben verschiedene Brennstoffzellentypen. Beim Einsatz von Brennstoffzellen auf Kläranlagen haben sich bisher die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und die Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC), in verschiedenen Pilotprojekten, erfolgreich bewährt. Diese drei Brennstoffzellentypen sind brennstoffflexibel und können mit aufbereitetem Faulgas betrieben werden. Die MCFC und die SOFC haben, mit durchschnittlichen 65 %, die höchsten elektrischen Wirkungsgrade und ihre entstehende Prozessabwärme kann für eine interne oder externe Reformierung verwendet werden. Die Reinigungsstufe des Faulgases stellt die grösste Herausforderung bei der Brennstoffzellentechnik auf Kläranlagen dar. Da die Zusammensetzung des Faulgases variiert und somit kläranlagenspezifisch ist, muss für die Implementierung der Brennstoffzellentechnik, im Vorfeld die Zusammensetzung des Faulgasstroms für jede einzelne Kläranlage über Zeitreihen analysiert werden. Die Mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) stellt, unter den in dieser Arbeit beschriebenen Brennstoffzellen, einen Spezialfall dar, da in ihre Brennkammer keine Gase, sondern Abwasser einströmt, dessen Energiegehalt über den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) ermittelt wird. Mit der Verwendung der MFC im Abwasserbereich könnte, neben der Stromproduktion, auch die organischen Kohlenstoffverbindungen reduziert werden. Für die MFC besteht ein grosses zukünftiges Potential zur relevanten Stromproduktion auf Kläranlagen, allerdings ist dafür noch viel Forschungsarbeit notwendig. Wasserstoff kann weiterhin energetisch in Wasserstoff-BHKWs verbrannt werden. Der Wirkungsgrad der Wasserstoff-BHKWs ist
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gegenüber den Brennstoffzellen zwar geringer und durch den Carnot-Kreisprozess begrenzt, dafür ist die Technik ausgereifter und auch massiv günstiger. Der produzierte Wasserstoff kann ausserdem für die betriebseigene Fahrzeugflotte verwendet werden. Dabei können kommerzielle Brennstoffzellenfahrzeuge und Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor eingesetzt werden. Im Fall der Methanisierung bietet sich auch die Nutzung des erzeugten Methans in Erdgasfahrzeugen an. Für die mobile Nutzung durch Betriebsfahrzeuge ist allerdings eine kostenintensive Implementierung von Wasserstoff- oder Erdgastankstellen notwendig. Ähnlich den erneuerbaren Energien, wird sich auch bei der Wasserstofftechnologie auf Kläranlagen, nicht nur eine einzelne spezifische Technologie durchsetzen, sondern es wird ein Zusammenspiel aus mehreren hier beschriebener Wassertechnologien stattfinden. Mit den in dieser Arbeit beschriebenen Wasserstofftechnologien ist es grundsätzlich auf Kläranlagen möglich, den Überschussstrom aus erneuerbaren Energien, in die sekundären Energieträger Wasserstoff, Biomethan und Methanol umzuwandeln. Diese Energieträger können zwischengespeichert und bedarfsgesteuert zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromt werden. Mit den hier beschriebenen Wasserstofftechnologien können Kläranlagen als Energieproduzenten, sowie als Kurz- und Langzeitspeicher fungieren. Dennoch sind diese hier beschriebenen Wasserstofftechnologien derzeit noch von finanziellen Förderungen abhängig, da ohne sie kein wirtschaftlicher Betrieb möglich wäre. Aber nicht nur Förderprogramme spielen zur Implementierung der Wasserstofftechnologie eine Rolle, sondern auch die Energierechtlichen Angelegenheiten, wie beispielsweise die Regelung im Umgang mit Nutzungsentgelten, mit der Stromsteuer und mit der EEG-Umlage.
