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Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg

Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg

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Beschreibung

In den letzten Jahrzehnten war im Bereich Abwasserforschung das Ziel der Arbeiten auf die Verbesserung der Ablaufqualität des Abwassers fokussiert. Die gezielte technische Weiterentwicklung sowie gestiegene Anforderungen an die Reinigungsleistung von Kläranlagen führten zu einem optimierten Verfahrensprozess, der im internationalen Vergleich ein sehr hohes Niveau repräsentiert. Die Effizienz einer Kläranlage wurde demnach bislang an der Reinigungsleistung und nicht am Energieverbrauch gemessen. Dies hatte zur Folge, dass erst seit wenigen Jahren der energetische Aspekt auch auf Kläranlagen interessanter wurde und in verschiedenen Vorhaben eingehender analysiert wurde.

Ein lange zu wenig beachtetes Kriterium war, dass Kläranlagen nicht nur Energieverbraucher, sondern bedingt durch das beim Verfahrensschritt der anaeroben Schlammstabilisierung anfallende Klärgas auch ein Lieferant hochwertiger Energie sein können. Allerdings konzentrierte sich die Forschung und Entwicklung für den Einsatz dieses Klärgases bislang auf die konventionelle Technik in Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Gasmotoren.

Durch das Bestreben, die Technologien einer sowohl ressourcenschonenden als auch umweltfreundlichen Energieerzeugung zu fördern, wurde die Brennstoffzelle als eine innovative und zukunftsweisende Technik etabliert und einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Im Zusammenhang mit Kläranlagen wurde diese Technik allerdings kaum thematisiert. Hochtemperaturbrennstoffzellen (z.B. MCFC) wurden ursprünglich für den Einsatz von Erdgas als Brennstoff entwickelt, können aber auch mit biogenen Brenngasen betrieben werden. Eine Vorbedingung ist die Reinigung des jeweiligen Gases auf annähernd Erdgasqualität (Ausnahme CH4, CO2, CO). Durch den Einsatz von Brennstoffzellen kann auch Klärgas praktisch ohne Schadstoffemissionen in elektrische und thermische Energie umgewandelt werden. Dabei ergeben sich deutlich bessere Wirkungsgrade und eine vorteilhafte Verschiebung des Verhältnisses an thermisch und elektrisch erzeugter Energie gegenüber konventionellen Blockheizkraftwerken. Die Kombination von Kläranlagen- und Brennstoffzellentechnologie ist schematisch in Abbildung 1-1 dargestellt (Anm.: im Bericht).

Vor diesem Hintergrund erarbeiteten zwei Institute der Universität Stuttgart, das Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) und das Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), gemeinsam in interdisziplinärer Forschung den vorliegenden Schlussbericht zum Vorhaben „Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg".

Die Ziele des Vorhabens umfassen die Abschätzung des in Baden-Württemberg vorhandenen Potenzials an Klärgas und die Bestimmung der zu dessen Nutzung in Brennstoffzellen erforderlichen Maßnahmen. Eine weitere Aufgabe des Vorhabens ist die weitere Verbesserung der Marktchancen der Brennstoffzellentechnologie durch eine mögliche Ausweitung des Anwendungsspektrums und damit die Förderung von deren Markteinführung. Die Hochrechnung der für einzelne Kläranlagen hergeleiteten exemplarischen Ergebnisse auf Baden-Württemberg insgesamt bietet zudem die Möglichkeit, den Einsatz von Brennstoffzellen auf Kläranlagen einer vergleichenden Bewertung mit anderen Maßnahmen des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung in Baden-Württemberg zuzuführen. Damit ist es auch möglich, diese Maßnahme im Gesamtkontext der Bemühungen um einen kosteneffizienten Klimaschutz bei einem weiteren Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energieträger einzuordnen.

In den folgenden Kapiteln werden zunächst die Kläranlagen in Baden-Württemberg hinsichtlich aller relevanten Verfahrensprozesse eingehend beschrieben. Es folgt eine energetische und verfahrenstechnische Analyse, in der die Möglichkeiten der Integration zusätzlicher Komponenten betrachtet wird. Nach der Erläuterung des Fallbeispiels Modellkläranlage wird die Brennstoffzellentechnik unter besonderer Berücksichtigung des Einsatzes auf Kläranlagen erläutert. Einer umfassenden energetischen, ökologischen und energetischen Bewertung folgt die Potenzialabschätzung des Einsatzes von Brennstoffzellen auf Kläranlagen für Baden-Württemberg. Die abschließende Schlussbetrachtung fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und gibt Handlungsempfehlungen für die Kläranlagenbetreiber und Brennstoffzellenhersteller. In einem kurzen Ausblick wird ein möglicher weiterer Forschungsbedarf zu dieser Thematik aufgezeigt.

Ein Beirat, der sich aus Experten verschiedener Fachrichtungen zusammensetzte, begleitete das gesamte Forschungsprojekt. In zwei Projekttreffen wurde der jeweilige Kenntnisstand diesem Gremium präsentiert. Die Ergebnisse der Diskussionen und Anregungen dieser Treffen fanden Eingang in diesen Schlussbericht.

Metadaten

TitelSystemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg 
Stand 2004 
Seitenzahl137 
Förderkennzeichen BWI22006

 

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