Innovative Verfahrenskette aus Elektrolyse und Ozonierung zur Spurenstoffelimination auf kommunalen Kläranlagen
Projektlaufzeit: 12/2018 - 11/2021
Projektbearbeitung durch:rewa
Bearbeiter:
- Dipl.-Ing. Oliver Gretzschel,
- Dipl.-Ing. Zoé Béalu,
- Johanna Heinecker, M.Sc.
- Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz
Förderung:
- BMBF
Projektleitung und Koordination:
Projektpartner:
- DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, Leipzig (DBI)
- Kaufmann Umwelttechnik GmbH, Wehr (Kaufmann)
- ANLEG, Wesel (ANLEG)
Projektbeschreibung:
Ressourceneffiziente Verfahrenskette schaffen
Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft und Schlüsselelement eines nachhaltigen Energiesystems. Es ermöglicht, die stark schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu verstetigen, indem Überschüsse von Wind- und Solarstrom bis zur weiteren Nutzung chemisch zwischengespeichert werden können. Als Standorte für eine umweltfreundliche Wasserstoffproduktion bieten sich die rund 10.000 kommunalen Kläranlagen in Deutschland an. Hier kann unter Einsatz erneuerbarer Energien Wasserstoff durch Elektrolyse gewonnen werden.
Bei der Zerlegung des Wassers in seine Bestandteile fällt auch Sauerstoff an. Dieses bislang ungenutzte Nebenprodukt wollen die fünf Partner aus Wasserwirtschaft, Industrie und Wissenschaft des Verbundprojektes eloise für die Abwasserreinigung nutzen. Der Sauerstoff dient ihnen als Grundstoff für die Herstellung von Ozon. Dieses wird eingesetzt, um Spurenstoffe wie Arzneimittel und Industriechemikalien aus dem Abwasser zu entfernen.
Ziel der Projektpartner ist es, eine abgestimmte Verfahrenskette von der Elektrolyse über die Spurenstoffentfernung mit Ozon bis zur nachgeschalteten biologischen Beseitigung möglicher schädlicher Abbauprodukte zu schaffen und dabei erneuerbare Energien zu nutzen. Die neue Verfahrenskette ermöglicht so einen ressourceneffizienten Umgang mit den vorhandenen „Rohstoffen“, d. h. der zu speichernden erneuerbaren Energie und den erzeugten Produkten Wasserstoff und Sauerstoff. Im Vorhaben eloise wollen die Forschenden untersuchen, ob ihr neuer Ansatz grundsätzlich funktioniert und diesen auf sein Wertschöpfungspotenzial überprüfen.
Elektrolyse und Ozonerzeugung aufeinander abstimmen
Die Elektrolyse auf der Kläranlage soll nicht fortlaufen betrieben werden, sondern immer dann, wenn Überschussstrom aus Wind- und Sonnenenergie über den produzierten Wasserstroff im Stromnetz verwertet werden soll. Damit aber kontinuierlich Ozon für die Abwasserreinigung produziert werden kann, wird der aus der Elektrolyse anfallende Sauerstoff in einem Druckspeicher gesammelt. Dieser Speicher übernimmt die wesentliche Ausgleichsfunktion zwischen der schwankenden Elektrolyse und der fortlaufenden Ozonerzeugung.
Über ein neuartiges Membransystem wird das Ozon in feinen Bläschen in das Abwasser eingetragen, um dort Spurenstoffe zu entfernen. In der nachgeschalteten biologischen Stufe der Kläranlage – z. B. einem Schönungsteich und Aktivkohlefilter – werden Reststoffe und weitere organische Bestandteile, die bei der Ozonierung entstehen, mit Hilfe von Biofilmen oder freischwebenden Mikroorganismen abgebaut.
Pilotanlage auf dem Klärwerk Kaiserslautern
Um die Verfahrenskette zu erforschen, wollen die eloise-Partner auf der Kläranlage Kaiserslautern eine halbtechnische Pilotanlage mit Elektrolyse, Sauerstoffspeicherung, Ozonerzeugung, Ozonierung, Aktivkohlefilter und Schönungsteich aufbauen und betreiben. Die in der Praxis untersuchten einzelnen Komponenten des Verfahrens bilden die Forschenden zudem modelltechnisch ab. Auf diese Weise können sie die Wechselwirkungen zwischen der erneuerbaren Energieerzeugung, die durch hohe Dynamik und schwankende Überschüsse gekennzeichnet ist, und der ebenfalls dynamischen Abwasserreinigung untersuchen.
Die Verfahrenskette soll sowohl insgesamt als auch in den Einzelkomponenten nutzbar sein. Mit den circa 10.000 kommunalen Kläranlagen allein in Deutschland versprechen sich die Verbundpartner ein sehr großes Marktpotenzial für eine spätere technische Nutzung des Verfahrens.