title: Energetische Nutzung von Faulgas in Blockheizkraftwerken auf Kläranlagen in Brasilien - Machbarkeitsstudie am Beispiel mehrerer Anlagen
Creators: name: Rosenfeldt, Sebastian
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::628 Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
subject: biogas
subject: sewage gas
subject: energetic utilization
subject: economic feasibility
subject: UASB
subject: anaerobic digester
subject: Brazil
subject: Biogas
subject: Faulgas
subject: energetische Faulgasnutzung
subject: wirtschaftliche Machbarkeit
subject: UASB
subject: Faulbehälter
subject: Brasilien

description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit der Faulgasverstromung auf brasilianischen Kläranlagen. Dazu wurde auf einer brasilianischen Kläranlage eine großtechnische Versuchsanlage errichtet, und das tatsächliche Potenzial der Faulgasfassung bzw. -ausbeute der theoretischen Produktion gegenübergestellt. Im Weiteren wurde auf Grundlage der Kosten und Erlöse die Wirtschaftlichkeit bestimmt. Nach der Einleitung unter Kapitel 1 wird in Kapitel 2 der aktuelle Stand von Wissenschaft und Technik bezüglich der Abwasserbehandlung in Brasilien, UASB-Reaktoren, Faulgaseigenschaften, Energie auf Kläranlagen und Treibhausgasemissionen dargestellt. Weiterhin werden finanzmathematische Grundlagen und die rechtlichen Rahmenbedingungen vorgestellt. Im Kapitel 3 wird das Vorgehen zur Umsetzung der Errichtung der Versuchsanlage sowie das Konzept des Messprogramms und die finanzmathematische Aufbereitung beschrieben. Weiterhin wird erläutert, wie das Potenzial des ökonomischen und ökologischen Nutzenzuwachses für Brasilien dargestellt werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in Kapitel 4 vorgestellt und diskutiert. Dabei sind zusammenfassend folgende Ergebnisse hervorzuheben: Bei dem Betrieb der Versuchsanlage konnte durch die Messung verschiedener Parameter das Verhalten der Faulgasfassung charakterisiert und betriebsrelevante Zusammenhänge dargestellt werden. Qualitativ wurde eine tageszyklisch variierende Faulgasausbeute beobachtet, die einen Zeitversatz von ca. 2 bis 3 Stunden in Relation mit der Tagesganglinie der CSB-Zulauffracht aufwies. Eine signifikante Korrelation ergab sich vor allem zwischen dem der Faulgasproduktion vorgelagerten CSB-Abbau und der CSB-Zulauffracht. Die Faulgasausbeute selbst korreliert noch signifikant, aber geringer ausgeprägt zur CSB-Zulauffracht und zur Abwassertemperatur. Die Faulgasausbeute kann wie im Fall der Versuchskläranlage deutlich unter der rechnerischen Faulgasproduktion und den Prognosen für Faulgasausbeute anderer Autoren liegen. Die Annahmen der Prognosen der Faulgasausbeute berücksichtigen dabei schon prozessinhärente Faulgasverluste, so dass hier bauliche Mängel des UASB-Reaktors als ursächlich anzusehen sind. Die Faulgasverstromung auf der in Brasilien errichteten Versuchsanlage mit einem importierten BHKW für Netzparallel- und Inselbetrieb sowie stromgeführter Betriebsweise ist derzeit aufgrund der signifikanten Faulgasverluste nicht wirtschaftlich. Eine adäquate und konsequente Behebung der baulichen Mängel sollte jedoch die wirtschaftliche Machbarkeit ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung eines nationalen BHKW zu einer Steigerung der Rentabilität beitragen kann. Weitere wichtige Erkenntnisse waren: • Die Wirtschaftlichkeit der Faulgasverstromung unter Verwendung von Anlagenteilen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, ist in Brasilien beim Vergleich verschiedener Einflussfaktoren vor allem vom Wechselkurs abhängig; • Eine Auslegung der Anlage zur Faulgasverstromung mit Spitzenlastbetrieb ermöglicht eine signifikante Steigerung der Rentabilität; • Bei der Bestimmung der Wirtschaftlichkeit als Funktion der Ausbaugröße der Kläranlage bei Grundlastbetrieb des BHKW ergibt sich, dass im Vergleich zu bisherigen Betrachtungen in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen eine deutlich niedrigere untere Wirtschaftlichkeitsgrenze angenommen werden kann. Nach der Auswertung der bestehenden Infrastruktur der Abwasserbehandlung in Brasilien und der Übertragung der Ergebnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen lässt sich die wirtschaftliche Machbarkeit der Faulgasverstromung auf mehreren brasilianischen Kläranlagen nachweisen. Die anschließende Betrachtung des ökologischen Nutzenzuwachses kommt zu dem Schluss, dass die Reduktion von Treibhausgasen bei dem Einsatz anaerober Verfahren der Abwasserbehandlung in erster Linie der Gasfassung und dem Abfackeln zuzuordnen ist. Aufgrund prozessinhärenter Faulgasverluste ist dieses Potenzial jedoch begrenzt. Die Reduktion der sekundären Emissionen durch die Substitution des bezogenen Fremdstroms ist vernachlässigbar gering.
description: The present thesis deals with the technical and economic feasibility of biogas utilization in Brazilian wastewater treatment plants. For this purpose, a large-scale experimental plant was set up at a Brazilian wastewater treatment plant, and the actual potential of biogas capture in relation to the theoretical production was determined. Subsequently, the economic feasibility was determined based on costs and revenues. After an introduction in Chapter 1, Chapter 2 provides an overview of the current state of science and technology related to wastewater treatment in Brazil, UASB reactors, biogas properties, energy in wastewater treatment plants and greenhouse gas emissions. Furthermore, financial mathematical fundamentals and legal framework conditions are presented. Chapter 3 describes the implementation process of the pilot plant, as well as the concept of the measurement program and the financial mathematical processing. Additionally, it explains how the potential for economic and ecological benefits in Brazil can be demonstrated. The results of the investigations are presented and discussed in Chapter 4. The following key findings can be summarized: During the operation of the pilot plant, the behaviour of biogas capture was characterized by measuring various parameters, and relevant operational correlations were demonstrated. Qualitatively, a daily varying biogas capture was observed, which exhibited a time lag of approximately 2 to 3 hours in relation to the daily variation of influent COD load. A significant correlation was found, particularly between COD degradation and influent COD load. Biogas capture itself showed a significant but less pronounced correlation with influent COD load and wastewater temperature. Biogas capture can be significantly lower than the calculated biogas production and the predictions of biogas capture by other authors, as observed in the case of the pilot plant. The assumptions of biogas capture predictions already take into account inherent biogas losses in the process, indicating that the underlying cause can be attributed to structural defects of the UASB reactor. Currently, the biogas utilization on the pilot plant in Brazil, using an imported CHP unit for grid-parallel and island operation in power-controlled mode, is not economically feasible due to significant biogas losses. However, an adequate and consistent correction of the structural defects should enable economic feasibility. It could be demonstrated that the use of a domestic CHP unit can increase profitability. Other important findings include: • The economic feasibility of biogas utilization, considering components in line with the current state of the art, is dependent primarily on the exchange rate when comparing various influencing factors in Brazil. • Designing the plant for biogas utilization for peak load operation allows a significant increase in profitability • The determination of economic feasibility based on the plant size of the wastewater treatment plant during baseload operation of the CHP unit suggests that, compared to previous considerations, a significantly lower limit of economic feasibility can be assumed depending on the framework conditions. Based on the evaluation of the existing wastewater treatment infrastructure in Brazil and the transfer of results from the previous investigations, the economic feasibility of biogas utilization in several Brazilian wastewater treatment plants can be demonstrated. The subsequent analysis of the ecological benefits concludes that the reduction of greenhouse gases primarily relates to biogas capture and flaring in anaerobic wastewater treatment processes. However, this potential is limited due to inherent biogas losses. The reduction of secondary emissions through the substitution of imported electricity is negligible.