Eco-PIK – Klärschlamm als Energiequelle für kleinere und mittlere Kläranlagen - Forschungsprojekt
In dem vom bifa Umweltinstitut koordinierten Verbundprojekt Eco-PIK wurde die ökoeffiziente prozessintegrierte Klärschlammverwertung für kleinere und mittlere Kläranlagen untersucht. Das Verfahren sieht eine Kombination aus einer Klärschlammvergasung mit einer biologischen in-situ-Methanisierung und einem flexibilisierten Mikrogasturbinenprozess vor.
In drei Teilvorhaben haben die Blue Energy Group, die Technische Hochschule Augsburg und das bifa Umweltinstitut die Machbarkeit einer prozessintegrierten Klärschlammverwertung für Kläranlagen mit 100.000 bis 300.000 Einwohnerwerten (EW) untersucht. Die Blue Energy Group überprüfte, ob sich Klärschlamm-Pellets in einem angepassten Festbettvergaser in Synthesegas umwandeln lassen. Dies gelang sowohl mit Luft als auch mit Dampf-Sauerstoff-Mischung als Vergasungsmittel. Für eine nachfolgende biologische Verwertung ist eine Vergasung mit Dampf-Sauerstoff-Mischung vorteilhaft, da das Produktgas wenig Stickstoff und viel Wasserstoff enthält.
Das erzeugte Synthesegas enthält neben energiereichen Gasen (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan) zahlreiche weitere Bestandteile, von denen unbekannt war, inwieweit sie die biologischen Abbauprozesse in einem Faulturm beeinflussen können. Ziel der vom bifa Umweltinstitut durchgeführten Untersuchungen war es, das Synthesegas für eine in-situ-Biomethanisierung im Faulturm einer Kläranlage zu nutzen. Die Dosierung des gasförmigen Cosubstrates durfte dabei die primäre Funktion des Faulturms, die biologische Stabilisierung des Rohschlamms, nicht nachteilig beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche Versuchsreihen mit für gasförmige Substrate angepassten Batchkulturen und mit praxisnah betriebenen Labor-Faultürmen durchgeführt. Geprüft wurde, ob sowohl die dosierten Rohschlämme als auch die dosierten Gassubstrate biologisch zu einem Methan-reichen Biogas umgesetzt wurden. Die Laborexperimente des bifa Umweltinstituts zeigten, dass durch die Zudosierung von Synthesegas und Wasserstoff in den Faulturm ein Faulgas mit einem Biomethananteil von über 95 % erzeugt werden kann (in-situ-Biomethanisierung). Hierbei wurde keine nachteilige Beeinflussung der Rohschlammstabilisierung beobachtet. Ergänzende molekularbiologische Untersuchungen ließen ebenfalls keine Veränderungen der für die Methanbildung relevanten Bakterienzusammensetzung im Faulschlamm erkennen. Wenn das unveränderte Synthesegas im Faulturm gemeinsam mit dem aus dem Rohschlamm anfallenden Biogas methanisiert werden soll, ist die Zudosierung von externem Wasserstoff nötig.
Die Technische Hochschule Augsburg modellierte anschließend die flexible energetische Nutzung des methanreichen Produktgases in einer optimierten Mikrogasturbine.
Zwei Szenarien für die praktische Umsetzung
Auf Grundlage der Ergebnisse der Teilprojekte führte das bifa Umweltinstitut ökobilanzielle Bewertungen zahlreicher Nutzungsszenarien durch. Unter Berücksichtigung der ökologischen und ökonomischen Analysen zeigte sich, dass die prozessintegrierte Nutzung des Klärschlamms für Kläranlagen ökologisch vorteilhaft ist. Der Einsatz von extern erzeugtem Wasserstoff ist aufgrund der aktuell noch hohen Produktionskosten ökonomisch nicht zielführend. Daher wurden zwei Umsetzungsszenarien für den entwickelten prozessintegrierten Verwertungsweg von Klärschlamm erarbeitet, die ohne den Einsatz von externem Wasserstoff auskommen und damit auch ökonomisch realisierbar sein können. Durch die prozessintegrierte Nutzung des Klärschlamms steht dem Klärwerk neben der Energie des aus Rohschlamm anfallenden Biogases zusätzlich die Energie des aus dem Klärschlamm erzeugten Synthesgases zur Verfügung, wodurch sich Eigenenergieerzeugung in etwa verdoppelt.
Im Szenario A wird der pelletierte Klärschlamm im Festbettvergaser zu Synthesegas konvertiert, das anschließend direkt energetisch genutzt wird. Im Szenario B wird der Wasserstoffanteil des Synthesegases genutzt, um das im Faulturm anfallende Kohlendioxid des Biogases vollständig zu Methan umzusetzen (in-situ-Biomethanisierung).
Beide Szenarien ermöglichen bilanziell eine vollständige Deckung des Energiebedarfs der Kläranlage. Während im Szenario A zusätzlich Überschüsse an elektrischer und thermischer Energie entstehen, fällt im Szenario B überschüssiges Biomethan an, das in ein bestehendes Erdgasnetz eingespeist werden könnte. Da künftig mit einer steigenden Nachfrage nach Biomethan für den Betrieb von Gasheizungen in Haushalten zu rechnen ist, bietet dieses Szenario insbesondere langfristig ein hohes Nutzungspotenzial.
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Förderkennzeichen: 03El5441A
Förderprogramm: Zuwendung aus dem Bundeshaushalt, Einzelplan 09, Kapitel 03, Titel 68301, Haushaltsjahr 2022
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Förderschwerpunkt: Kombination einer Klärschlammvergasung mit einer biologischen Methanisierung und einem flexibilisierten Mikrogasturbinenprozess; Teilvorhaben: Methanisierung
Projektlaufzeit: 06.2022 – 05.2025
Homepage Projektpartner: Blue Energy Europe, Hochschule Augsburg
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Meldung | 13.09.2023 Optimierung der in-situ-Biomethanisierung unter Faulturmbedingungen
