SeWAGE PLANT H - Sektorgekoppelte Wasserstoff-, Sauerstoff- und Abwärmeproduktion auf den Großklärwerk Hannover-Herrenhausen

Im Zuge der voranschreitenden Transformation der auf fossilen Energieträgern aufbauenden Wirtschaft hin zu einem nachhaltigen, CO₂e-neutralen Wirtschaftssystem nimmt die Speicherung von erzeugter Energie eine wesentliche Rolle ein, da die erneuerbaren Energien (Sonne, Wind) nicht auf Knopfdruck in der bedarfsdeckenden Menge verfügbar sind. In diesem Kontext gilt Wasserstoff als einer der wesentlichen Energieträger der Zukunft, da Wasserstoff mit überschüssiger Energie durch den elektrochemischen Prozess der Elektrolyse aus vollentsalztem Wasser erzeugt werden kann. Anschließend kann der so produzierte Wasserstoff bedarfsgerecht in Energie umgewandelt werden. Von Bedeutung ist der Wasserstoffeinsatz nicht nur in der Mobilität (Brennstoffzelle), sondern insbesondere auch in der Industrie; in vielen Industriebereichen ist die Anwendung von Wasserstoff zur Defossilisierung alternativlos.

Als Nebenprodukt der Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse fällt Reinsauerstoff an. Sauerstoff ist bei der Abwasserreinigung essentiell für das Stattfinden aerober biologischer Prozesse. Derzeit werden biologische Reaktoren auf Kläranlagen unter hohem Energieaufwand mit Druckluft (O₂-Gehalt ca. 21 %) belüftet. Die dafür erforderlichen Gebläse zählen zu den Hauptenergieverbrauchern der Abwasserreinigung. Durch die Nutzung von Reinsauerstoff könnte das eingebrachte Gasvolumen erheblich reduziert und somit der Energiebedarf einer Kläranlage deutlich gesenkt werden. Aus diesem Grund bietet sich eine Wasserstofferzeugung auf Kläranlagen an, da so das Nebenprodukt Reinsauerstoff direkt eingesetzt und die konventionelle Belüftung zumindest partiell ersetzt werden kann.

Im Rahmen des Forschungsprojekts SeWAGE PLANT H wird deshalb ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung (1. Ausbaustufe: 2,5 MW; 2. Ausbaustufe: 17 MW) auf der Kläranlage Hannover-Herrenhausen mit dem Ziel errichtet, durch die Nutzung aller Stoffströme zu einer tatsächlichen Sektorenkopplung beizutragen. Während der erzeugte Wasserstoff lokal als Energieträger eingesetzt wird (z. B. im öffentlichen Nahverkehr), wird der Sauerstoff direkt auf dem Klärwerk zur Unterstützung der biologischen Stufe eingesetzt. Die Abwärme des Elektrolyseurs wird in das örtliche Fernwärmenetz eingespeist. Durch den Einsatz von Prozesswasserströmen in der Elektrolyse ist es zudem möglich, wertvolle Trinkwasservorräte zu schonen und zum Wasserrecycling beizutragen.

Das Projekt wird durch das Land Niedersachsen im Rahmen der niedersächsischen Wasserstoffförderrichtlinie gefördert.

Das Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik (ISAH) übernimmt gemeinsam mit dem Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) die wissenschaftliche Begleitung des Forschungsvorhabens. Dabei werden die folgenden Arbeitsschwerpunkte bearbeitet:

Arbeitsschwerpunkt Reinsauerstoffnutzung

Der Arbeitsschwerpunkt Reinsauerstoffnutzung befasste sich mit verschiedenen Ansätzen zum Einsatz des erzeugten Reinsauerstoffs im Kläranlagenverbund Hannover-Herrenhausen/ Hannover-Gümmerwald. Die durchzuführenden Untersuchungen gliederten sich in drei Arbeitspakete:

• Arbeitspaket Systemintegration Bestandssystem
• Arbeitspaket Systemintegration Hochlaststufe
• Arbeitspaket Systemintegration Ozonung

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Im Rahmen der Sektorkopplung Wasserstoffelektrolyse/Abwasserreinigung bietet die Reinsauerstoffnutzung im Hauptstrom der biologischen Abwasserreinigung nur ein untergeordnetes Potential der Substitution von Luftsauerstoff. Das Verhältnis von Kläranlagengröße und Elektrolyseurgröße ist zwar beim betrachteten Anwendungsfall (große Kläranlage mit 500.000 EW gegenüber einem 17-MW-Elektrolyseur) im Hinblick auf den potentiellen Ausnutzungsgrad vorteilhaft, da sichergestellt ist, dass der produzierte Sauerstoff stets vollständig abgenommen werden kann; allerdings reicht die als Nebenprodukt entstehende Sauerstoffmenge selbst unter Nichtberücksichtigung der Bedarfs- und Angebotsschwankungen (unbegrenzter Speicher) nicht einmal für die Belüftung einer einzelnen Kaskade mit Reinsauerstoff aus. Dies hängt mit der vergleichsweise geringen Standard Oxygen Transfer Efficiency (SOTE) von Systemen, die nicht auf eine Reinsauerstoffnutzung optimiert sind, zusammen. So bestätigen die durch das Institut IWAR der TU Darmstadt im Unterauftrag durchgeführten Eintragsversuche, dass der Stoffübergang bereits bei der Verwendung von Luftsauerstoff transportlimitiert ist. Eine weitere Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Gasstrom hat damit keine Verbesserung des Eintrags zur Folge – für die Belüftung mit 100 % Reinsauerstoff wurde eine SOTE von 5 % ermittelt (SOTE = 24 % für Luftsauerstoff). Hieraus kann abgeleitet werden, dass die Eintragssysteme und Beckengeometrien an eine Reinsauerstoffnutzung angepasst werden müssen (tiefe Becken, kleine Blasengrößen etc.), um eine effiziente Nutzung zu ermöglichen.

Zur praktischen Einbindung einer Reinsauerstoffbelüftung in die biologische Abwasserreinigung ist folglich ein optimaler Sauerstoffübergang zu erreichen. Es wurden die folgenden zwei Ansätze für Bestandsanlagen entwickelt:

Konzept 1: Belüftung einer einzelnen für den Reinsauerstoffeintrag optimierten Beckenzone mit Reinsauerstoff (vorzugsweise die erste Nitrifikationszone)

• Erreichung einer möglichst hohen SOTE durch tiefe Reaktoren und eine Abdeckung der Beckenzone zur Erhöhung des Partialdrucks
• keine Reinsauerstoffspeicherung notwendig, direkte Nutzung zur Belüftung
• Der biologische Umsatz kann ggf. auch in nachfolgenden Beckenbereichen erfolgen.
• Ein reduzierter Gasvolumenstrom und eine Abdeckung an einer emissionstechnisch kritischen Beckenstelle können zur Reduktion der N₂O-Bildung beitragen.

Konzept 2: Einsatz eines O₂-Sättigers im Bypass

• Neuerrichtung eines auf den Sauerstoffeintrag optimierten kleinen Beckens (abgedeckte, schmale Belüfterkolonne wäre technisch optimal) mit dem Ziel der weitgehenden Sättigung eines im Bypass durchgeleiteten Abwasservolumenstroms aus der Denitrifikationszone mit Sauerstoff
• Der sauerstoffgesättigte Teilstrom ermöglicht anschließend mit Einleitung in die Nitrifikationszone eine blasenfreie Sauerstoffversorgung mit entsprechenden Vorteilen in Bezug auf mögliche N₂O-Emissionen (vgl. Kap. B2.7.4)
• Das Konzept ist auch umsetzbar über die Sättigung des Prozesswassers aus der Schlammentwässerung (behandelt oder unbehandelt) vor Einleitung in den Hauptstrom.

Die Konzepte sind nachfolgend grafisch dargestellt.

Bei der Verwertung des Nebenprodukts Sauerstoff in der biologischen Abwasserreinigung sind außerdem die nicht beeinflussbaren und nicht miteinander abstimmbaren ausgeprägten Schwankungen des Sauerstoffbedarfs und -anfalls zu beachten. Der Sauerstoffbedarf ist abhängig von der Tagesdynamik des Abwasseranfalls; der Sauerstoffanfall ist abhängig von der Verfügbarkeit von günstigen erneuerbaren Energien zur wirtschaftlichen Produktion von grünem Wasserstoff. Beim Betrieb der Elektrolyse treten Stillstandzeiten von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tagen auf.

Neben der Nutzung des Sauerstoffs aus der Elektrolyse im Hauptstrom der biologischen Abwasserreinigung wurden weitere mögliche Einsatzorte auf der Kläranlage untersucht. Sowohl die Deammonifikation als auch die Ozonung zeigen hier ein hohes Potential. Bei der Deammonifikation (oder auch anderen biol. Schlammwasserbehandlungsanlagen) ist vorteilhaft, dass keine Ablaufqualität (gesetzliche Anforderungen) erreicht werden muss, sodass eine schwankende Sauerstoffverfügbarkeit weniger problematisch ist. Darüber hinaus kann der Reaktor aufgrund des geringeren Volumens deutlich einfacher für eine Reinsauerstoffnutzung optimiert werden, wodurch unter Umständen eine höhere SOTE erreicht wird. Außerdem ist der Sauerstoffbedarf bei der Schlammwasserbehandlung vergleichsweise ausgeglichen und kann über einen Schlammwasserspeicher gesteuert/ vergleichmäßigt werden. Die hohe Raumumsatzleistung der Teilstromsysteme wirkt sich ebenfalls positiv auf die Kopplung aus. Bei der Ozonung liegt der Vorteil in der direkten Nutzung des Reinsauerstoffs zur Ozonerzeugung; es gibt also keine Verluste durch den Stoffübergang in die wässrige Phase. Bereits mit kleineren Ausbaugrößen der Elektrolyse kann eine signifikante Bedarfsdeckung erreicht werden. Auch ein kombinierter Einsatz von Reinsauerstoff in der Ozonung und der Teilstrombehandlung ist denkbar; für die betrachtete Beispielanlage (Hannover-Gümmerwald) könnte mit dem anfallenden Reinsauerstoff sowohl der Sauerstoffbedarf der Teilstrombehandlung als auch der Sauerstoffbedarf der Ozonung zu großen Teilen gedeckt werden.

Zusammenfassend zeigen die in diesem Bericht beschriebenen Untersuchungen, dass der bei der Wasserstoffelektrolyse anfallende Reinsauerstoff bei der Abwassereinigung mit einem sinnvollen Nutzen eingesetzt werden kann. Dabei sollte die Auslegung der Elektrolyse jedoch entkoppelt vom Sauerstoffbedarf der Abwasserreinigung erfolgen. Wesentliche Auslegungsgröße ist hier der Wasserstoffbedarf. Kann der Wasserstoff nicht abgenommen werden, ist ein Betrieb nur zur Sauerstofferzeugung nicht wirtschaftlich und auch CO₂e-emissionstechnisch nicht sinnvoll (direkte Nutzung erneuerbarer Energien zur Belüftung ist effizienter).

Neben der Energieeinsparung ist ein besonderes Augenmerk auf die durch den geringeren Gasvolumenstrom ebenfalls verringerte Gasemission, die sich insbesondere günstig auf eine mögliche N₂O-Emission auswirken kann, zu legen. Verbleibt das N₂O in der wässrigen Phase, kann es in sauerstoffarmen Bereichen zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Allerdings kann eine schlechtere Durchmischung auch zu einer Ausbildung von Zonen mit instabiler Sauerstoffversorgung führen, was eine autotrophe N₂O-Bildung begünstigt.

Arbeitsschwerpunkt Systemanalyse zur Sektorenkopplung im Kontext von Abwasserbehandlungsanlagen

Im Arbeitspaket „Systemanalyse zur Sektorenkopplung im Kontext von Abwasserbehandlungsanlagen“ beschäftigten sich IfES und ISAH gemeinsam mit der Entwicklung einer Toolbox zur Gestaltung von P2X-Systemen auf Kläranlagen. Ziel der Toolbox, ist die Optimierung der Auslegung, Dimensionierung und Betriebsführung von P2X-Systemen im Rahmen der Sektorenkopplung unter Berücksichtigung energetischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien. Zu diesem Zweck wurden relevante Komponenten von Wasserelektrolyseanlagen, diesen vor- und nachgelagerte Prozesse sowie die Schnittstellen und Prozesse zur Sektorenkopplung (Mobilität und Fernwärme) modelliert. Außerdem wurden die Schnittstellen sowie relevante Prozesse und Komponenten der Kläranlage modelliert. Weiterhin wurden geeignete Schaltungsvarianten und Betriebsführungskonzepte für P2X-Systme an Kläranlagen identifiziert und modelltechnisch abgebildet. Das ISAH bewertete die ökologischen Auswirkungen der vom IfES entwickelten Konzepte durch die Entwicklung ökologischer Modelle. Die entsprechenden ökologischen Modelle wurden in die Toolbox integriert und ermöglichen so eine integrierte ökologische Bewertung bei der Optimierung des Gesamtsystems. Die entwickelte Toolbox soll als „Blaupause“ dienen, um zukünftig die Übertragung solcher Konzepte auf weitere Kläranlagen in Deutschland und ggf. darüber hinaus zu ermöglichen.

Die ökologischen Bewertungsmodelle wurden gemäß DIN EN ISO 14040 und DIN EN ISO 14044 entwickelt. Hauptziele der ökologischen Bewertung waren:

• die Ermittlung der direkten und indirekten Emissionen, die durch den Einsatz von reinem Sauerstoff zur biologischen Abwasserreinigung und Ozonung entstehen sowie
• die Identifizierung der ökologischen Folgen der Integration der Wasserelektrolyseanlage in die Kläranlage.

Um die ökologischen Vor- und Nachteile zu prognostizieren und die kritische Entscheidungsfindung unter Berücksichtigung der ökologischen Folgen zu unterstützen, wurde ein Vergleich zwischen dem Status Quo und den Ergebnissen der Modellrechnungen vorgenommen. So wurde ein „Entscheidungsunterstützungssystem“ mit Modellcharakter entwickelt.

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Im Rahmen des Projektes SeWAGE PLANT H_FuE wurde eine ökologische Bewertung der Integration von PtX im Klärwerk Hannover-Herrenhausen durchgeführt. Die ökologische Bewertung beschränkt sich auf die Bilanzierung der CO₂-Emissionen, des Energieverbrauchs und den daraus resultierenden Effekten zwischen den verschiedenen Konfigurationen. Dabei wurden die Umweltauswirkungen des Referenzbetriebs der Kläranlage (ohne PtX-Integration oder zusätzliche Aufbereitungsverfahren) mit verschiedenen Szenarien verglichen, bei denen PtX-Technologien und eine zusätzliche 4. Reinigungsstufe (Ozonung mit Aktivkohle und Sandfiltration) integriert wurden. Da im Rahmen des Projektes der Aufbau einer Pilot- und Demonstrationsanlage nicht realisiert werden konnte, sind maßgeblich Literaturwerte für die Bilanzierung herangezogen worden.

Die nachfolgend dargestellten CO₂-Emissionen resultieren aus den in den betrachteten Szenarien (S0–S8) kalkulierten Werten. Die potenziell vermiedenen Emissionen, resultierend aus der Wasserstoffnutzung in Szenarien mit einem 17 MW PtX-System, wurden nicht in die Bilanz aufgenommen.

Die ökologische Bewertung des IST-Zustands ergab, dass die Abwasserbehandlungslinie mit 32,1 kg CO₂e/(EW·a) aufgrund energieintensiver Prozesse wie Belüftung und Materialtransport zur Kläranlage den größten Beitrag zu den CO₂-Emissionen der Kläranlage leistet. Die Emissionen von N₂O wurden in allen Szenarien mit einem konstanten Literaturwert berücksichtigt. Spätere Messungen zeigten jedoch, dass diese Emissionen tatsächlich nahe null sind. Die Schlammbehandlungslinie des Klärwerks Herrenhausen liefert mit 3,3 kg CO₂e/(EW·a) nur einen geringen Beitrag. Die Faulschlammbehandlung in Gümmerwald wurde nicht berücksichtigt, da sie außerhalb des Bilanzraums liegt. Die Bauphase des Klärwerks, welche die langfristigen Umweltauswirkungen der Infrastruktur berücksichtigt, liefert mit 3,33 kg CO₂e/(EW·a) einen ähnlichen Anteil an den Gesamtemissionen. Insgesamt emittiert die Kläranlage 38,7 kg CO₂e/(EW·a), wobei 91 % der Emissionen aus der Betriebsphase (83 % aus der Abwasserbehandlung und 8 % aus der Schlammbehandlung) und 9 % aus der Bauphase stammen.

Die prozessspezifische Analyse zeigt, dass mit 43 % der größte Anteil der Gesamtemissionen auf den Transport von Fällungs- und Flockungsmitteln zurückzuführen ist. Die biologische Behandlung trägt weitere 29 % bei, während der Transport von Sand und Rechengut 10 % der Emissionen ausmacht. Der Stromverbrauch – insbesondere für die Belüftung – liefert einen wesentlichen Betrag zur CO₂-Emission, der aber durch die Nutzung von Ökostrom mit einem niedrigen Emissionsfaktor gemindert werden kann.

In der Szenarioanalyse wird die Integration von PtX-Technologien mit unterschiedlichen Kapazitäten und Betriebszeiten untersucht und verglichen. Die Integration eines 1,5-MW-PtX-Systems mit 3.500 VLS führt zu einer moderaten Zunahme der Gesamtemissionen um 5,5 %, wodurch die Emissionen auf 40,6 kg CO₂e/(EW·a) ansteigen. Durch die Erhöhung der Betriebsstunden auf 6.000 VLS steigen die Emissionen leicht auf 40,7 kg CO₂e/(EW·a) an. Die Integration einer deutlich höheren Kapazität von 17 MW PtX führt zu einem erheblichen Anstieg der Emissionen um 17,1 % auf 45,9 kg CO₂e/(EW·a), während eine zusätzliche Ausweitung der Betriebsstunden auf 6.000 VLS die Emissionen nochmals auf 46,1 kg CO₂e/(EW·a) erhöhen. Trotz des allgemeinen Anstiegs der Emissionen bei höheren PtX-Kapazitäten, ermöglicht die gezielte Rückgewinnung und Nutzung von Ressourcen wie Sauerstoff und Wärme eine erhebliche Reduzierung der CO₂-Emissionen bei energieintensiven Prozessen wie der Belüftung.

Um die Sauerstoffnutzung der PtX-Anlage zu erhöhen, wurde ebenfalls untersucht, welchen ökologischen Gewinn der Betrieb einer 4. Reinigungsstufe bestehend aus Ozonung mit GAK-Filtern oder Sandfiltern liefern könnte. Durch die konventionell betriebene Ozonung mit extern angeliefertem Sauerstoff steigt die CO₂-Emission auf 57,7 kg CO₂e/(EW·a). Der Einsatz des Sauerstoffes aus der 17-MW-PtX-Anlage führt insgesamt zu einer Reduktion um 16,3 %. Die Ozonung mit Sandfiltration zeigt im Vergleich zur Ozonung mit GAK-Filtration eine um 14,7 % geringere CO₂-Belastung, was hauptsächlich auf den geringeren Energiebedarf und die geringere Emissionsintensität von Sandfiltern gegenüber dem emissionsintensiven Produktionsprozess von GAK zurückzuführen ist. Die Ozonung mit Sandfiltration führt trotz höherer Reinigungsleitung gegenüber der konventionell betriebenen Ozonung zu einer geringeren CO₂-Emission von 48,4 kg CO₂e/(EW·a). Dabei ist zu beachten, dass eine effiziente Wärmerückgewinnung aus der Ozonerzeugung wesentlich zur Verringerung der CO₂-Emission geführt hat. Die bei der Kopplung von Ozonung und Filtration erreichten Reinigungseffekte sind hier nicht Gegenstand der Bewertung.

In den Treibhausgasbilanzen der Szenarien ist die Wasserstoffnutzung nicht berücksichtigt und lässt damit einen wesentlichen Beitrag zur Emissionsreduzierung offen. Wie die obenstehende Abbildung zeigt, hat die Wasserstoffnutzung hat das Potenzial, die Gesamtenergieeffizienz des Systems deutlich zu verbessern und den CO₂-Fußabdruck mindestens zu neutralisieren.

Generell ist die von der Kläranlage genutzte Stromquelle maßgeblich für die CO₂-Bilanz. Derzeit trägt die Nutzung von Ökostrom mit einem geringen Emissionsfaktor zur Reduzierung der CO₂-Emissionen innerhalb der Anlage bei. Deutschland hat sich ehrgeizige Ziele für den Übergang zu erneuerbaren Energiequellen bis 2035 gesetzt, um seine Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen deutlich zu reduzieren. Mit zunehmender Umstellung des Stromnetzes auf erneuerbare Energien werden die mit dem Stromverbrauch verbundenen Betriebsemissionen bei Prozessen wie der Belüftung gegen Null gehen. Bei diesem Zukunftsszenario werden die Vorteile, die sich aus der Verringerung der Stromabhängigkeit bei solchen Prozessen ergeben, immer weniger ins Gewicht fallen, da der Strom selbst nicht mehr wesentlich zu den CO₂-Emissionen beiträgt. Letztlich bleibt dann noch die Umstellung des Transports auf emissionsfreie Energieträger wie z.B. Wasserstoff. Folglich werden sich die wichtigsten Umweltvorteile der Integration von PtX-Technologien auf die Produktion und Nutzung von Wasserstoff und die Wirksamkeit von Wärmerückgewinnungssystemen verlagern.

Forschungsbericht  https://doi.org/10.34657/18805