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Energie und Abwasserreinigung
Energie kann grundsätzlich in zwei Teile zerlegt werden
Exergie
Das ist jener Teil der Energie, der in andere Energieformen umwandelbar ist. Also zum Beispiel in mechanische Antriebsenergie (Belüftungsgebläse) oder elektrische Energie (Generator).
Anergie
Das ist jener Teil der Energie, der nicht in andere Energieformen umwandelbar ist. Also zum Beispiel Kühlwasserabwärme oder Abgasabwärme.
Energie ist offenbar nicht nur eine Frage der Quantität, sondern vor allem auch der Qualität
Bisherige Technologien der Energieerzeugung und Energienutzung nehmen auf diese physikalischen Gesetze kaum Rücksicht. Bei der Erzeugung elektrischer Energie in Atomkraftwerken wird die unverwertbare Wärme (Anergie) über Kühltürme vernichtet. Elektroheizungen verbrauchen hochwertige elektrische Energie (Exergie) um sie in niederwertige Heizwärme umzuwandeln. Aber auch in Heizungskesseln unserer Wohnhäuser wird hochwertig, chemisch gebundene Energie (Heizöl) in niederwertige Heizwärme umgewandelt, ohne dass der Anteil (Exergie) zur Erzeugung von hochwertiger elektrischer Energie genutzt wird.
Zukünftige Technologien zur Energieerzeugung und Energienutzung nehmen deshalb Rücksicht auf die Qualität der verschiedenen Energieformen, oder besser ausgedrückt, sie versuchen den Anteil Exergie beim Umwandlungsprozess möglichst hoch zu halten.
Wärmekraftkopplung (WKK)
Die Wärmekraftkopplung löst dieses Problem wie folgt:
Ein Gasmotor treibt einen Generator an und erzeugt so etwa einen Drittel 25 - 35 % hochwertige elektrische Energie. Die Abwärme wird mit möglichst geringen Verlusten als Heizwärme genutzt.
Blockheizkraftwerk (BHKW)
Wenn alle Komponenten der Wärmekraftkopplung, Gasmotor (mit umweltfreundlicher Magermotor Steuerung), Generator, Wärmetauscher für die Abgaswärmerückgewinnung und Kühlwasserabwärme des Gasmotors in Block Bauweise zusammengebaut werden, definiert man das Ganze als Blockheizkraftwerk (BHKW). Durch Kapselung des Blockheizkraftwerkes kann man mit einer geeigneten Lüftungsanlage durch Rückgewinnung der Strahlungsabwärme den Wirkungsgrad steigern.
BHKW in Abwasser Reinigungsanlagen
Abwasser Reinigungsanlagen eigenen sich aufgrund der Strombedarfstruktur und Wärme Bedarfsstruktur hervorragend für den Einsatz von Blockheizkraftwerken.
BHKW werden in Abwasser Reinigungsanlagen gasabhängig gefahren, die BHKW Anlagen laufen, wenn eine ausreichende Menge Klärgas vorhanden ist. Um diese Schwankungen zu Puffern muss eine Gasspeicher Anlage (z. B. Nassgasometer oder Trockengasometer) zur Verfügung stehen. Da die Faulbehälter ständig Wärme benötigen, entsteht in der Regel nur in den Sommer Monaten ein Wärmeüberschuss. Die erzeugte elektrische Energie wird in der Anlage für den Betrieb der Belüftungsanlagen und Abwasserpumpen benötigt, es wird somit der Bezug der elektrischen Energie reduziert.
Die BHKW (Gasmotoren) werden zur Emissionsminderung von CO, NOx und HC als Magermotor gefahren (Luftberschuss Lambda = 1,5), damit kann auf den Einsatz eines Katalysators, der im Klärgasbetrieb nur kurze Standzeiten hätte, verzichtet werden.
Gasmotor betrieben als Magermotor
Der Magermotor ist ein Ottomotor, der mit Luftberschuss arbeitet.
Dafür wird das Kraftstoffluftgemisch so eingestellt, dass mehr Sauerstoff in den Brennraum gelangt, als zur Verbrennung des Kraftstoffs nötig ist. Dadurch kann die Emission von Stickoxid (NOx), Kohlenmonoxid (CO) Kohlenwasserstoffen (HC) sowie der Kraftstoffverbrauch verringert werden.
Eine Verringerung der Stickoxide (NOx) beim Magermotor können durch weitere Massnahmen erreicht werden: Eine höhere Zündspannung (elektronische Hochspannungs Kondensator Zündung) verschiebt die magere Laufgrenze insbesondere beim Kaltstart. Diese Motoren werden mit einem hohen Luftüberschuss betrieben (Lambda 1,5). Dadurch reduzieren sich die Stickoxide erheblich.
Aufgrund der im Klärgas enthaltenen Begleitstoffe (Silikate) muss das Motorenöl je nach Gas Beschaffenheit bereits alle 800 bis 1000 Betriebsstunden gewechselt werden. Durch die Vergrösserung des Motoröl Volumens mit einem Nebenstrom Tank kann der ölwechsel auf 1200 bis 1500 Betriebstunden erhöht werden.
Generator
In der Regel wird der Gasmotor mit einem Stromerzeugenden Generator gekoppelt. Der Generator gibt den Strom in das Stromnetz ab und von dort bezieht ein Elektromotor Strom, um damit ein Belüftungsgebläse für die biologische Reinigungsstufe anzutreiben.
In diesem Kreislauf entstehen die folgenden Verluste:
-
Generator Verluste (5 - 10%)
-
Elektromotoren Verluste (5 - 10%)
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Netzverluste (kaum erkennbar)
Direkt Koppelung mit Belüftungsgebläse
Um diese Verluste zu umgehen scheint es logisch, den Gasmotor direkt an ein Belüftungs Gebläse zu koppeln.
Schematische Darstellung Energie Ausnutzung eines Blockheizkraftwerkes (BHKW)
Diagramm Energieverteilung BHKW