Mathematische Simulationen zur Einbindung von regenerativen Energiequellen und Speichertechnologien zur Optimierung des Energiemanagements auf kommunalen Kläranlagen:
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Aachen
Gesellschaft zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen e.V.
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GEWÄSSERSCHUTZ • WASSER • ABWASSER
244
KRISTOFFER GENZOWSKY
MATHEMATISCHE SIMULATIONEN ZUR EINBINDUNG VON REGENERATIVEN
ENERGIEQUELLEN UND SPEICHERTECHNOLOGIEN ZUR OPTIMIERUNG
DES ENERGIEMANAGEMENTS AUF KOMMUNALEN KLÄRANLAGEN
HERAUSGEBER
Professor Dr -lng J Pinnekamp
INSTITUT FÜR SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT
DER RHEIN -WESTF TECHN HOCHSCHULE AACHEN
AACHEN 2017
VERTRIEB: GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT
AN DER RWTH AACHEN EV, 52056 AACHEN
ISBN 978-3-938996-50-8
Verzeichnisse
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1 1 Hintergrund 1
1 2 Zielsetzung 3
2 Stand des Wissens 5
2 1 Energiequellen im Abwasser 5
211 Thermische Energie 5
212 Chemische Energie 6
213 Lageenergie 10
2 2 Energieeinsatz auf kommunalen Kläranlagen 11
2 3 Energetische Potenziale der Klärschlammentsorgung 14
231 Thermische Klärschlammbehandlung 16
232 Klärschlammtrocknung 18
2321 Wärmeeintrag und Bilanz 20
2322 Trocknungsprozess 22
2323 Dimensionierung 25
2 4 Potentielle Energiebausteine auf Kläranlagen 28
241 Blockheizkraftwerk 28
242 Photovoltaikanlage 31
243 Windkraftanlage 32
244 Wasserkraftanlage 34
245 Klärschlammverbrennungskraftwerk 37
246 Wärmepumpensysteme 40
247 Wärmeübertrager 43
2471 Gleichstromwärmeübertrager 43
2472 Gegenstromwärmeübertrager 45
2 5 Energiespeicher 47
251 Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff 47
252 Thermische Speicher 49
2 6 Technische Möglichkeiten der H2-Nutzung auf Kläranlagen 50
261 Stationäre Nutzung 50
2611 Brennstoffzelle 50
2612 Eignung unterschiedlicher Arten von Brennstoffzellen für den Einsatz
im Abwasserreinigungsprozess 59
2613 Wasserstoff-Verbrennungskraftmaschinen 62
2 7 Simulation chemischer und biologischer Zustandsänderungen 65
271 Grundlagen der Simulationsrechnung 65
i
Verzeichnisse
272 Mathematische Modelle und Simulationsverfahren 66
2721 Simulation des Belebtschlammprozesses 66
2722 Simulation anaerober Prozesse 66
3 Methodik und modelltechnische Umsetzung 69
3 1 Stoff- und Energiestromvektoren 69
311 Elektrische Energie 69
312 Thermische Energie 70
313 Windgeschwindigkeit und solare Strahlung 70
314 Gase 70
3 2 Entwickelte Modulblöcke 71
321 Blockheizkraftwerk 71
322 Klärschlammkraftwerk 71
323 Abwasserwärme 72
324 Brennstoffzelle 74
325 Elektrolyse 74
326 Thermischer Speicher 75
327 Thermosolare Klärschlammtrocknung 76
328 Wasserkraftanlage 77
329 Photovoltaik-Anlage 78
3 2 10 Windkraftanlage 79
3 2 11 Biogas-Wasserstoff Reformierung 80
3 2 12 Biogasaufbereitung 81
3 2 13 Gasspeicher 81
4 Untersuchte Kläranlagen 83
4 1 Kläranlage Bottrop 83
411 Anlagenbeschreibung 83
412 Ermittlung der Zulaufbelastung 87
4 2 Kläranlage Iserlohn-Baarbachtal 90
421 Anlagenbeschreibung 90
422 Ermittlung der Zulaufbelastung 94
5 Umsetzung der Simulationsmodelle 99
5 1 Standort Bottrop 99
511 Kläranlagenmodell 99
512 Thermisches Modell 105
513 Erneuerbare Energiequellen 106
514 Thermosolare Klärschlammtrocknung 108
515 Pumpwerke des Abwasserkanals Emscher 109
5 2 Standort Iserlohn-Baarbachtal 111
ii
Verzeichnisse
521 Kläranlagenmodell 111
522 Erneuerbare Energien 119
6 Auswertung und Diskussion der Simulationsergebnisse 124
6 1 Kläranlage Bottrop 124
611 Simulation des Abwasserreinigungsprozesses 124
612 Simulation des elektrischen Modells 128
613 Simulation des thermischen Modells 134
614 Energetische Speicher- und Regelungskonzepte 140
615 Zusammenfassung der Ergebnisse 152
6 2 Kläranlage Iserlohn-Baarbachtal 156
621 Simulation des Abwasserreinigungsprozesses 156
622 Simulation des elektrischen Modells 160
623 Energetische Speicher- und Regelungskonzepte 164
624 Zusammenfassung der Ergebnisse 169
7 Übertragbarkeit und Handlungsempfehlungen 171
7 1 Technologien der Energienutzung 171
7 2 Technologien der Energiespeicherung 174
8 Zusammenfassung und Ausblick 176
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