Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg

Abstract

Die Ziele des Vorhabens umfassen die Potenzialabschätzung der Nutzung von Klärgas in Brennstoffzellen sowie die Ermittlung eines Anforderungs- und Einsatzprofils für den Brennstoffzelleneinsatz auf Kläranlagen. Des weiteren sollen die Integration verbesserter Anlagentechnik sowie zusätzlicher Komponenten und Verfahrensschritte in den Kläranlagenbetrieb untersucht werden. Die Klärgasgewinnung in Baden-Württemberg beträgt aktuell 587,4 GWh/a, überwiegend aus Kläranlagen der Größenklasse 5 (über 100000 Einwohnerwerte (EW)). Kleinere Anlagen unter 10000 EW (Klassen 1-3) erzeugen keine nennenswerten Klärgasmengen. Zur Klärgasverstromung geeignete Brennstoffzellen sind wegen der CO2-Toleranz und den hohen erreichbaren elektrischen Wirkungsgraden die Hochtemperatursysteme MCFC und SOFC. Für deren Betrieb ist eine Aufbereitung des Klärgases erforderlich, welche eine Gastrocknung sowie die Abtrennung von Schwefel-, Halogen- und Siloxanverbindungen umfasst. Zur Untersuchung der Energieversorgung durch Brennstoffzellen und Vergleichstechnologien wird eine Modellkläranlage für 100.000 Ausbau-EW definiert, die in Aufbau und Energieverbrauch einer typischen größeren Kläranlage in Baden-Württemberg entspricht. Für die Modellanlage ergibt sich ein Stromverbrauch von 2,69 GWhel/a und ein Wärmeverbrauch von 1,83 GWhth/a bei einer Klärgasproduktion von 4,23 GWh/a. Für MCFC und SOFC wird die Energieversorgung der Modellkläranlage mit einer Lebenszyklusanalyse energetisch und ökologisch analysiert. Dabei weisen Brennstoffzellen Optimalwerte des Primärenergiebedarfs von 6,23 GWh/a (MCFC) bzw. 6,09 GWh/a (SOFC) und der kumulierten CO2-Emissionen von 531 tCO2/a (MCFC) bzw. 487 tCO2/a (SOFC) auf. Es ergeben sich für den Primärenergiebedarf und die kumulierten CO2-Emissionen optimale Anlagengrößen von 280 kWel für MCFC bzw. 290 kWel für SOFC. Zum Vergleich werden die Energieversorgung mit Gasmotor-BHKW und die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme untersucht. Die wirtschaftliche Analyse des Versorgungsfalls Modellkläranlage weist MCFC und SOFC gegenüber dem BHKW höhere Vollkosten der Energieversorgung zu. Auch die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme schneidet günstiger ab, da die Investitionskosten der Brennstoffzellen zu hoch sind. Um mit den Kosten der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme konkurrieren zu können, müssen diese Investitionskosten gegenüber dem heutigen Niveau um je 50 %, für Konkurrenzfähigkeit zum BHKW um 80% sinken. Derzeit lassen sich CO2-Vermeidungskosten von 74 €/tCO2 (MCFC) bzw. 138 €/tCO2 (SOFC) gegenüber der getrennten Erzeugung und 680 €/tCO2 (MCFC) bzw. 851 €/tCO2 (SOFC) gegenüber BHKW erreichen. Bei Ersatz der Anlagentechnik der Modellkläranlage durch Komponenten mit geringerem Energiebedarf reduziert sich der Jahresstrombedarf auf 2,00 GWhel/a. Die Einsparungen beim Primärenergiebedarf betragen für die jeweils optimalen Anlagengrößen 27,4 % (MCFC) bzw. 28 % (SOFC), die kumulierten CO2-Emissionen gehen um 87 % (MCFC) bzw. 95 % (SOFC) zurück. Für das BHKW ergeben sich Reduktionen des Primärenergiebedarfs um 24 % und der kumulierten CO2-Emisionen von 57 %, bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme ergeben sich 19 % Einsparung beim Primärenergiebedarf und 25 % bei den kumulierten CO2-Emissionen. Die technischen Potenziale der Klärgasnutzung in Baden-Württemberg für Brennstoffzellen betragen bei Modulgrößen von 50 kWel 29,5 MWel (MCFC) bzw. 30,5 MWel (SOFC), womit sich Jahresstrommengen von 221 GWhel (MCFC) bzw. 229 GWhel (SOFC) erzeugen lassen. Der Anteil der in Brennstoffzellen nutzbaren Klärgasproduktion beträgt 79 % (MCFC) bzw. 78 % (SOFC).

Handlungsempfehlung an Kläranlagenbetreiber: Um Einsparpotenziale beim Energieverbrauch jeder Kläranlage definieren und nutzen zu können, bedarf es der Ermittlung und Auswertung des exakten Strom- und Wärmebedarfs nach Baugruppen in hoher zeitlicher Auflösung. Mit der Installation stromsparender Anlagentechnik lassen sich Energiebedarf, Betriebskosten und CO2-Emissionen senken. Des Weiteren empfiehlt sich eine Überprüfung der Leistungsgröße bestehender BHKW und deren Umstellung auf klärgasgeführten Betrieb. Für Kläranlagen ohne bisherige eigene Stromerzeugung empfiehlt sich die Installation von KWK-Anlagen. Der Einsatz von Anlagen zur thermischen Klärschlammtrocknung, Elektrolyse und Co-Fermentation organischer Reststoffe auf Kläranlagen kann nach den Untersuchungen des Projekts aus wirtschaftlichen bzw. rechtlichen Gründen derzeit nicht empfohlen werden.

Handlungsempfehlung an Brennstoffzellenhersteller: Bei den Investitionskosten sind Kostensenkungen um 80 % gegenüber heutigem Stand erforderlich. Zur optimalen Abdeckung des Marktsegments Klärgasverstromung empfiehlt sich die Einführung kleinerer Leistungsgrößen von Brennstoffzellen im Bereich von 50 kWel. Für SOFC steht die Zulassung nach DVGW G 262 noch aus.