Phosphor ist für den menschlichen Organismus überlebenswichtig. Es existieren so gut wie keine Phosphorerzreserven in Europa, die EU weist eine Importabhängigkeit von über 90% auf. Eine Reduzierung dieser Abhängigkeit durch Erschließung erneuerbarer Phosphorquellen trägt zur Nahrungssicherheit Europas bei.

Unter Federführung des Lippeverbandes demonstriert Phos4You innovative Technologien zur Phosphorrückgewinnung, zeigt Nutzungsmöglichkeiten von recyceltem Phosphor auf (z.B. biologische Düngemittel) und unterstützt Phosphorrecycling in den Partnerregionen und darüber hinaus.

Phos4You geht das Phosphor-Problem an

Obwohl Phosphor (P) eine endliche Ressource ist, wird P derzeit in großem Maßstab „verschwendet“: Nach Einsatz als Düngemittel geht er durch die Nahrungsaufnahme ins Abwasser über und geht dort durch Entsorgung des Klärschlamms dem weiteren Kreislauf verloren. Die Europäische Union erkannte das Problem und nahm 2014 Phosphatgestein in die Liste der kritischen Rohstoffe auf. Die Nutzung von sekundärem Phosphor ist essentiell zur zukunftssicheren Versorgung der Menschen.

Phos4You kümmert sich speziell um die Phosphorrückgewinnung auf Kläranlagen. Das Potential der Rückgewinnung aus häuslichem Abwasser soll bestmöglich ausgeschöpft werden.

Das Rückgewinnungspotential in Nordwesteuropa wird auf jährlich 113.000 t P geschätzt. Das kann 26% des Bedarfs an Phosphatgestein in Nordwesteuropa (NWE) ersetzen. Sogar 45% des Bedarfs könnten durch Einsatz von Kreislaufwirtschaft gedeckt werden, wenn man weitere Sektoren wie z. B. Schlachtereien in Betracht zieht. In 2015 hat NWE den Phosphorbedarf zu 100% importiert.

Phos4You will demonstrieren, dass die Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser machbar ist. Darüber hinaus soll die Düngemittelindustrie in die Lage versetzt werden, den rückgewonnenen P auch zu nutzen, um so den P-Kreislauf durch Recycling zu schließen. Der Lückenschluss zwischen Rückgewinnung und Recycling ist somit das dritte Projektziel. Es beinhaltet die Aufskalierung der gewählten Technologien, die Entwicklung einer Entscheidungshilfe sowie die Einwirkung auf aktuelle Gesetzgebungen.

Was ist zu tun?

Die wesentlichen Projektbausteine sind:

• Bau von Demonstratoren für P-Rückgewinnungstechnologien unter Realbedingungen
• Umsetzung innovativer P-Rückgewinnungstechnologien für häusliches Abwasser
• Herstellung von neuen Produkten aus P-Recyclingprozessen für Düngemittel
• Erarbeiten eines EU-weiten Standards zur Qualitätsbewertung der neuen Düngemittelprodukte
• Erhöhung der gesellschaftlichen Akzeptanz von Düngemitteln aus häuslichem Abwasser

Die international zusammengesetzte Partnerschaft hat komplementäre Expertise im Bereich der Phosphorrückgewinnung. Projektpartner sind Kläranlagenbetreiber, Betreiber von Klärschlamm-Mono-Verbrennungsanlagen, Patentinhaber von Rückgewinnungsprozessen, Universitäten und Forschungsinstitute. Akteure der Düngemittelindustrie sind eng assoziiert, um die Wertschöpfungskette des P-Kreislaufs vollständig abzubilden.

Das erweiterte Netzwerk der assoziierten Partner bezieht Ministerien, bewilligende Behörden und politische Akteure auf regionaler, nationaler und Europäischer Ebene mit ein.

Pilotprojekte bei Emschergenossenschaft und Lippeverband

Die deutsche Bundesregierung treibt die technische Phosphorrückgewinnung voran. Die novellierte Klärschlammverordnung wurde im März 2017 im Bundestag verabschiedet. Hierdurch wird die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlämmen gesetzlich sehr erschwert. Die Entwicklung einer langfristigen Klärschlammentsorgungsstrategie für die Verbände ist gefordert.

Das Phos4You-Projekt wird das die kommenden vier Jahre unterstützen: Verschiedene innovative Verfahren der Phosphor-Rückgewinnung und des -Recyclings werden nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten untersucht. Die Belange der Verbände gemeinsam mit BETREM und INNOVATHERM werden dabei berücksichtigt.

Pilotprojekt des Lippeverbands ist die Untersuchung, wie sich die EG/LV-Klärschlammasche nach entsprechender Behandlung im industriellen Maßstab als Phosphordünger nutzen lässt. Das Pilotprojekt der Emschergenossenschaft beinhaltet die Herstellung einer speziellen Asche, die direkt nach einer zweistufigen Verbrennung als Dünger verwertbar ist. Diese Innovation soll mit dem Bau einer Pilotanlage auf dem Technikum in Dinslaken gezeigt werden.

Projektpartner:

• Lead Partner: Lippeverband, DE
• Université de Liège, BE
• IRSTEA Institut national de Recherche en Sciences et Technologies pour l´Environnement et l´Agriculture, FR
• Cork Institute of Technology – Water Systems and Services Innovation Centre, IE
• Fachhochschule Nordwestschweiz, CH
• Universiteit Gent, BE
• Glasgow Caledonian University, UK
• Environmental Research Institute, University of the Highlands and Islands, UK
• Veolia Environnement, FR
• Emschergenossenschaft, DE
• NV HVC – SNB, NL
• Scottish Water, UK.

Projektlaufzeit: 15.09.2016 – 14.09.2020

Videos:

Steuerung von Vergärungsanlagen zur Kompensation von Schwankungen anderer regenerativer Energien auf Kläranlagen unter Berücksichtigung des Verbrauchs

Im Zuge der Energiewende erlebt das in Deutschland gewachsene Energiesystem einen Strukturwandel. Während sich das derzeitige System aufgrund der Speicherfähigkeit von fossilen Brennstoffen gradlinig auf die Nachfrage am Strommarkt ausrichtet und zu kalkulieren und zu regulieren ist, treten mit den erneuerbaren Energien Wind und Photovoltaik zwei Energiequellen in den Energiesektor ein, die dem derzeitigen System diametral entgegenstehen. Infolge dessen muss für das zukünftige Stromnetz ein Flexibilitätskonzept entwickelt werden, welches in der Lage ist, die Diskrepanzen (Residuallasten) zwischen Angebot und Nachfrage im Energiesektor auszubalancieren.

Eine Flexibilitätsoption stellt dabei die flexible Biomasse dar, worunter eine an den Bedarf ausgerichtete Betriebsweise konventioneller Biogasanlagen verstanden wird. Eine andere Möglichkeit der flexiblen Biomasse bietet die hier eingesetzte dark fermentation in Kombination mit der Methan-Produktion. In dem Projekt BioHyMeth (FKZ 64.65.69 EN 1014 A/B/C) konnte gezeigt werden, dass in einem halbtechnischen Maßstab aus einem kohlenhydratreichen Abwasserstrom Wasserstoff erzeugt werden kann und das dabei entstehende Fermentationsprodukt als Co-Substrat in der Methanproduktion eingesetzt werden kann. Aus ökologischer Sicht lässt sich mit diesem Verfahren ein doppelter Effekt erzielen, da hier nicht nur eine erneuerbare Energiequelle erschlossen wird, sondern zeitgleich auch durch die Verwendung von Abfallströmen Ressourcenschutz und Ressourcenoptimierung betrieben wird.

Damit dieses Verfahren jedoch wirtschaftlich umgesetzt werden kann, bedarf es besonders unter ökonomischen Gesichtspunkten noch Optimierungsbedarf. Hierzu wurde durch die Novellierung des Erneuerbaren-Energie-Gesetz von 2012 mit dem Abschnitt 5 „Besondere Förderbestimmungen (Flexibilität)“ ein ökonomischer Anreiz gesetzt. Ziel dieses Projekts BioHyMethcontrol ist es, das im Projekt BioHyMeth erprobte Verfahren so zu optimieren, dass es als zentrale Flexibilitätsoption in einem Stromsystem aus 100 % erneuerbaren Energien verwendet werden kann.

Um eine praktische Umsetzbarkeit der Forschungsergebnisse zu gewährleisten, wird eine reale Kläranlage der Emschergenossenschaft für das Projekt ausgewählt, für die ein Energiekonzept aus 100 % erneuerbaren Energien erstellt wird. Zudem wird ein Flexibilitätskonzept mit der zentralen Flexibilitätsoption der Wasserstoff- und Methanerzeugung erstellt, sodass die Anlage unabhängig von konventionellen Kraftwerken betrieben werden kann. Anhand der Daten der Kläranlage soll über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr eine halbtechnische Versuchsanlage auf dem Technikum der Kläranlage Emschermündung in Dinslaken betrieben werden.

Es sollen zunächst folgenden Fragestellungen bearbeitet werden:

• Welches Energiekonzept lässt sich auf Kläranlagen realisieren?
• Welche potentiellen Abfallströme stehen zur Verfügung?
• Welche Flexibilitätsoptionen in welcher Größe müssen zur Verfügung gestellt werden, damit die Anlagen aus 100% erneuerbarer Energie betrieben werden können?
• Welche Wettervorhersagen werden benötigt, um sicherstellen zu können, dass die auftretenden Residuallasten durch den biologischen Prozess kompensiert werden?
• In wie fern lassen sich der Wasserstoff und das Methan bedarfsgerecht produzieren? Werden eventuell Gasspeicher benötigt?
• Anhand welcher Parameter lässt sich der Energiegewinn aus dem biologischen Prozess vorhersagen?
• In wie weit lässt sich das Verfahren durch eine Steuerung automatisieren?
• Welche Gesamtspeicherkapazität kann durch das System für NRW zur Verfügung gestellt werden?
• Wie wirtschaftlich ist ein solches System bzw. unter welchen Bedingungen ist ein wirtschaftlicher Betrieb einer Anlage möglich?

Projektpartner:

Emschergenossenschaft
Universität Duisburg-Essen (Bauwissenschaften, Fachgebiet Siedlungswasser- und Abfallwirtschaft)
brandseven

Gefördert durch:

Erstmals Methanol aus Faulgas

Seit September 2016 wird in der WaStraK-Versuchsanlage auf der Kläranlage Emschermündung Methanol produziert. Die halbtechnische Produktion von Methanol erfolgt in zwei Teilschritten. Der erste Vorgang dient der Herstellung von Synthesegas aus Faulgas durch Dampfreformierung. Dabei wird entschwefeltes und getrocknetes Biogas dem Reformer zugeführt und synthetisiert. Im zweiten Teilschritt werden das verdichtete Synthesegas, Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie der durch Elektrolyse gewonnene Wasserstoff (H2) dem Methanol-Synthesereaktor hinzugefügt.

Die Endprodukte dieses Verfahrens bestehen aus Wasser, Synthesegas und Methanol. Das synthetisierte Methanol kann Kläranlagen intern zur Kohlenstoffdosierung eingesetzt werden oder extern z. B. bei der Kraftstoffgewinnung, Biodieselherstellung, in der chemischen Industrie, in Mikrogasturbinen und Motor-BHKW.

Unsere Projektpartner sind:

• Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH (FIW)
• TUTTAHS & MEYER Ingenieurgesellschaft mbH
• Ingenieurbüro Redlich und Partner GmbH

Im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) des Landes Nordrhein-Westfalen sowie des Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen.

Mit dem Projekt DESSIN (Demonstrate Ecosystem Services Enabling Innovation in the Water Sector) erarbeitet die Emschergenossenschaft seit Januar 2014 zusammen mit 19 weiteren europäischen Partnern eine Methodik, die es ermöglichen soll, die durch Maßnahmen im Wasserbereich freigesetzten Ökosystemleistungen zu ermitteln; z.B. die regulierenden Wirkungen bzgl. des Nährstoffrückhaltes und des Hochwasserschutzes, die kulturellen Leistungen wie Erholung und Naturtourismus die ökonomischen Aspekte wie der Anschub von wirtschaftlichem Wachstum.

In DESSIN dient das Emschersystem als Demonstrationsgebiet, an dem konkret ermittelt werden soll, welche und in welchem Umfang Ökosystemleistungen durch die Umgestaltung des Gewässersystems freigesetzt werden. Die Wasserqualität ist ein wichtiges Maß für ein gesundes Gewässer. Daher soll in DESSIN innovative Reinigungs- und Regulierungstechniken in Mischwasserbehandlungsanlagen erprobt werden, die den Eintrag von Schadstoffen in die Gewässer im Regenwetterfall weiter minimieren sollen.

Das Projekt DESSIN wird von der Europäischen Kommission gefördert und läuft unter dem 7. Rahmenprogramm (FP 7) für Forschung, Technologische Entwicklung und Demonstration. DESSIN hat eine Laufzeit von vier Jahren.

Wärme aus Abwasser? Ein Pilotprojekt

Die fossilen Energieträger Öl, Kohle und Gas haben zwei wesentliche Nachteile: Sie sind nicht unendlich verfügbar und ihre Verbrennung erzeugt klimaschädliche Emissionen – mit erheblichen Folgeschäden und -kosten. Auf der Suche nach noch nicht ausgeschöpften regenerierbaren Energiequellen rückt mehr und mehr auch das Abwasser als Energieträger in den Fokus.

Emschergenossenschaft (EG) und Lippeverband (LV) sehen die Rückgewinnung der im Abwasser befindlichen Wärme als eine innovative und nachhaltige Form der Wärmegewinnung (AWN), die einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung vor Ort leisten kann. Mit dem Abwasser steht ein langfristig verfügbarer und regenerativer Energieträger zur Verfügung, dessen Nutzung an vielen Stellen wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Unter Nutzung moderner Wärmepumpentechnologie kann das Abwasser sowohl zur Wärme-, als auch Kälteproduktion verwendet werden und einen Baustein für eine integrale Stadtentwicklung bereitstellen. Die Energiegewinnung aus Abwasser kann hierzu sowohl modular in der Entwicklung von Quartieren und im Neubaubereich, als auch im Rahmen der energetischen Sanierung von Bestandsbauten eingesetzt werden. Aufgrund der Dichte der Bebauung und der hohen Abwassermengen bietet das Emschergebiet in Kombination mit dem laufenden Umbau ein hohes Potenzial zur Erschließung dieser Wärme. Auch die großen Sammler des Lippeverbandes bieten für die AWN geeignete Voraussetzungen.

Bedingt durch sein Temperaturniveau und durch den gleichförmigen Temperaturverlauf stellt Abwasser eine ideale Wärmquelle für den Betrieb von Wärmepumpen dar, die ganzjährig mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden können. Messungen in den Kanälen der Emschergenossenschaft zeigen ein Jahresmittel der Abwassertemperatur von rd. 14 °C. Im Winter liegen die mittleren Monatstemperaturen bei rd. 12 °C, während sie im Sommer auf Mittelwerte von über 17 °C ansteigen können. Da bei der Abwasserwärmenutzung Wärmepumpentechnik zum Einsatz kommt, ist der geeignete Anwendungsfall eine Energieversorgung im Grundlastbereich bei Niederenergiesystemen mit geringen bis mittleren Vorlauftemperaturen bis etwa 60°C. Im Sommer lässt sich der Prozess auch umkehren und zur Gebäudekühlung nutzen. Die Wirtschaftlichkeit von Anlagen steigt mit der Größe des Energiebedarfs. Deshalb ist die Abwasserwärmenutzung insbesondere für größere Abnehmer mit möglichst ganzjährig hohem Wärme- bzw. Kältebedarf wie z. B. Schwimmbäder, öffentliche Verwaltungen, Krankenhäuser, große Siedlungsgebiete und Gewerbestandorte geeignet. Ideal sind Heizzentralen mit einem minimalen Wärmebedarf von 150 kW, besser 300 kW, bzw. Wärmepumpen mit einer Leistung ab 100 kW.

Seit nunmehr 8 Jahren ist die Abwasserwärmenutzungsanlage zur Versorgung des Nordwestbads in Bochum in Betrieb. Über einen 46 m langen Wärmetauscher, der auf der Sohle des Marbachkanals (DN 3000 mm) installiert wurde, wird dem Abwasser ein Teil seiner Wärme entzogen und diese mittels Wärmepumpentechnik zur Beheizung des Hallenbads genutzt. Gekoppelt ist die Anlage mit einem BHKW. Nahezu 60% des Wärmebedarfs werden über die Kombination aus Abwasserwärmetauscher und Wärmepumpe bereit gestellt. Für Bestandsbauten ist dies ein sehr guter Wert. Den restlichen Wärmebedarf decken ein BHKW und zwei Erdgaskessel.

Die Umsetzung und der Betrieb von Anlagen zur Energiegewinnung aus Abwasser wird zukünftig in Aufgabenteilung zwischen der EG und ihrer hundertprozentigen Tochtergesellschaft BETREM Emscher Brennstoffe GmbH durchgeführt. Die EG als Eigentümerin der im Abwasser befindlichen Wärme vermarktet diese über ihre Tochtergesellschaft BETREM. Im Jahr 2018 ist die Anlage zur Wärmeversorgung des Seniorensitzes Westholz in Dortmund in Betrieb genommen worden. Die Wärme wird hier aus dem Kirchderner Graben, einer Anlage des Lippeverbandes, entzogen. Bau und Betrieb erfolgt durch die BETREM Emscher Brennstoffe GmbH.

Die große Herausforderung bei der Umsetzung von Anlagen besteht zunächst einmal in der Identifikation geeigneter Standorte. Bereits im Jahr 2012 haben EG und LV mit der Energiekarte eine web-basierte Planungsgrundlage für externe Interessenten (Kommunen, Planungsbüros, Bauherren) entwickelt, die grundlegende Informationen zu den Nutzungsmöglichkeiten von Abwasserwärme in übersichtlicher Form bereit stellt. Vor dem Hintergrund des fortschreitenden Emscher-Umbaus und auf der Grundlage einer Auswertung von Leistungsdaten von 59 umgesetzten Anlagen, wurde die Energiekarte im Jahr 2018 grundlegend überarbeitet. Das Ziel der Überarbeitung bestand darin, eine Potenzialabschätzung für die Nutzung von Abwasserwärme bereit zu stellen, die Identifikation potenzieller Nutzer zu vereinfachen und die Wärmeentzugsleistung einzelner Kanalabschnitte fundiert darzustellen.

Sie interessieren sich für die Abwasserwärmenutzung als Alternative für Ihr Heizungssystem? Dann könnte Ihnen in der Frage der Standortfindung die Energiekarte für das Emschergebiet weiterhelfen.

Zu schade für die Kläranlage – Regenerative Energiequelle Abwasser

Die Nachfrage nach Energie ist ungedrosselt, die Preise sind weiterhin hoch. Umso wichtiger ist es, Wege zur Kostendämpfung und gleichzeitig zum Klimaschutz zu finden. Abwasser ist fast überall und dauerhaft verfügbar und hat selbst in den Wintermonaten relativ hohe Temperaturen. Das enorme Wärmepotenzial fließt derzeit ungenutzt durch die Kanalisation. Diese Erschließung spart Geld und schützt das Klima – denn ein geringerer Primärenergieverbrauch bedeutet weniger CO2-Ausstoß.