Steuerung von Vergärungsanlagen zur Kompensation von Residuallasten

Schoth, Jens GND

Die Energiewende ist eines der zentralsten Themen im gesellschaftlichen Diskurs der letzten Jahre. Neben der Entwicklung und Optimierung von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen, stellt die Etablierung dieser Techniken in das Energiesystem eine zentrale Herausforderung dar. Durch die wetterabhängige Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequellen Wind und Solar muss ein Konzept entwickelt werden, mit welchem diese Schwankungen im Netz kompensiert werden können. Ziel dieser Arbeit war es, zu überprüfen in wie weit die Interaktion von Abfallwirtschaft und Siedlungswasserwirtschaft ein Flexibilitätspotential zur Kompensation von Residuallasten schaffen kann. Dabei soll die gespeicherte chemische Energie in biologischen Abfallströmen durch die infrastrukturellen Möglichkeiten kommunaler Kläranlagen mittels der kombinierten Wasserstoff- und Methanerzeugung genutzt werden, um bedarfsgerecht Energie zu erzeugen. Die zentrale Fragestellung innerhalb der Arbeit war es zu evaluieren, ob das Potential für die flexible Energiebereitstellung durch die bedarfsgerechte Gasproduktion noch weiter gesteigert werden kann. Hierfür wurden zum einen für die Potentialabschätzung modifizierte Batch-Untersuchungen gemäß der VDI 4630 durchgeführt und zum anderen in kontinuierlichen Versuchen mittels Laborreaktoren untersucht, ob durch eine gezielte Veränderung des Arbeitsvolumens die Wasserstoff- und Methanproduktion gesteigert bzw. reduziert werden kann. Die Versuche haben gezeigt, dass sich in der Abfallwirtschaft ein aus energetischer Sicht nur geringes Potential für die Anwendung des Verfahrens ergibt. Dies wird durch die Tatsache bedingt, dass für die biologische Wasserstoffproduktion leicht verfügbare Kohlenhydrate benötigt werden. Darüber hinaus ist durch die geringe hydraulische Verweilzeit des Verfahrens die flexible Gasproduktion zwar möglich, jedoch sehr unstetig, sodass eine Anwendung nicht praktikabel ist. Im Gegensatz dazu lässt sich die Gasproduktion in der CH4-Stufe durch eine Füllstanderhöhung gezielt steuern. Dabei zeigte sich, dass im Vergleich zur direkten Co-Fermentation bei dem zweistufigen System eine größere organische Raumbelastung gefahren werden kann, welche im Kontext der Flexibilisierung ein größeres Potential bedeutet. Darüber hinaus ergibt sich durch das zweistufige System eine höhere Methankonzentration, wodurch das Flexibilitätspotential im Gasspeicher zunimmt.

The energy transition is one of the most central topics in the social discourse of recent years. In addition to the development and optimization of technologies for the utilization of renewable energy sources, the establishment of these techniques in the energy system represents a key challenge in the energy revolution. By the weather-dependent fluctuation of renewable of energy, wind and solar, a concept must be developed which can be compensated for these fluctuations in the network. The aim of this work was to examine whether the interaction of waste management and urban wastewater management can create a potential for flexibility to compensate for residual loads. The stored chemical energy in biological waste streams is to be used by the infrastructural possibilities of municipal sewage treatment plants by means of combined hydrogen and methane production in order to generate energy according to demand. The central question within the work was to evaluate whether the potential for flexible energy supply can be further increased by demand-oriented gas production. For this purpose, on the one hand batch studies modified for potential estimation according to VDI 4630 were carried out and on the other hand in continuous experiments using laboratory reactors it was investigated whether hydrogen and methane production can be increased or reduced by a targeted change in the working volume. The experiments have shown that in waste management there is only a low potential for the application of the process from an energetic point of view. This is due to the fact that readily available carbohydrates are required for biological hydrogen production. Furthermore, due to the short hydraulic retention time of the process, flexible gas production is possible, but very unsteady, so that an application is not practicable. In contrast, gas production in the CH4 stage can be controlled specifically by increasing the level. This showed that in comparison to direct co-fermentation, the two-stage system can handle a larger organic volume load, which means a larger potential in the context of flexibilization. In addition, the two-stage system results in a higher methane concentration, which increases the flexibility potential in the gas storage tank.

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Schoth, J., 2019. Steuerung von Vergärungsanlagen zur Kompensation von Residuallasten. Schriftenreihe Siedlungswasser-, Wasser- und Abfallwirtschaft. https://doi.org/10.17185/duepublico/70171
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