UmweltJournal Ausgabe 2018-01

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ERNEUERBARE ENERGIE 16 UmweltJournal /Jänner 2018 Integrierte Managementsysteme Kleinwindkraft als Alternative zur Fotovoltaik DI Dr. Rudolf Kanzian Weltweit einzigartiges Projekt „Underground Sun Conversion“ Erdgeschichte im Zeitraffer Erneuerbares Erdgas aus Sonne und Wasser erzeugt in 1.000 Metern Tiefe. Das ist das Ziel des neuen RAG- Forschungsprojekts „Underground Sun Conversion“. In über 1.000 Metern Tiefe, dort wo vor Millionen vor Jahren bereits natürliches Erdgas entstanden ist, kann jetzt erstmals durch einen gezielt initiierten mikrobiologischen Prozess aus Wasserstoff und CO 2 erneuerbares Erdgas natürlich und damit umweltfreundlich erzeugt werden. Der Anteil erneuerbarer Energieträger gemäß der EU Richtlinie zur Förderung und Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen (2009/28/EG) am Gesamtenergiemix in Österreich lag laut einer vom Bmlfuw in Auftrag gegebenen Studie im Jahr 2015 bei 32,8 Prozent, wobei der größte Beitrag (circa zwei Drittel) durch Wasserkraft und feste Biomasse generiert wurde. Der im Rahmen des EU Klima- und Energiepakets festgelegte Zielwert für Österreich für das Jahr 2020 liegt bei 34 Prozent. Im Hinblick auf betriebliches Energiemanagement können Unternehmen die Strom- oder Wärmeerzeugung mittels erneuerbarer Energien als Energieeffizienzmaßnahme im Sinne des Bundes- Energieeffizienzgesetzes geltend machen. Durch den Beschluss der kleinen Ökostromnovelle Ende Juni 2017 wurden zudem administrative Erleichterungen und bessere Rahmenbedingen für Betreiber von Ökostromanlagen geschaffen mit dem Ziel, den Ausbau erneuerbarer Energien in Österreich voranzutreiben. Außerdem sollen zusätzliche Fördermittel etwa für Windkraft- und Photovoltaikanlagen bereitgestellt werden. Neben Photovoltaikanlagen werden in den letzten Jahren in Österreich zunehmend auch Kleinwindkraftanlagen für eine autarke Stromversorgung genutzt. Die sogenannte „kleine Windkraft“ stellt momentan vor allem für Industrie- und Landwirtschaftsbetriebe in weniger dicht besiedelten Gebieten eine interessante Variante zur Deckung des Eigenstrombedarfs dar. Eine konkrete Abgrenzung des Begriffs Kleinwindkraft findet sich nicht, laut der IG Windkraft handelt es sich um Anlagen mit einer Nennleistung von bis zu 20 Kilowatt beziehungsweise einer Höhe des Turms von bis zu 30 Metern. Diese Grenzen ergeben sich unter anderem daraus, dass für die Genehmigung von Anlagen ab einer bestimmten Leistung eine gesonderte Grundstückswidmung und ein aufwendigeres Verfahren nötig ist. Österreichweit einheitliche Kriterien für Genehmigungsverfahren gibt es nicht, diese fallen in den Kompetenzbereich der einzelnen Länder. Die Errichtung von Kleinwindkraftanlagen kann entweder freistehend oder auf Gebäudedächern erfolgen und ist stark standortabhängig, nicht nur aufgrund der Windverhältnisse im betreffenden Gebiet, sondern auch im Hinblick auf Lärmemissionen und Schattenwurf der Anlage. Auch Schwingungen und Vibrationen müssen bei einer Montage auf dem Dach berücksichtigt werden. Die ökonomische Amortisation von Kleinwindkraftanlagen ist laut dem Österreichischen Kleinwindkraftreport 2015 bisher nicht gegeben, das durchaus vorhandene Potenzial von Kleinwindkraft als Alternative zur Photovoltaik könnte zukünftig aber mittels sinkender Produktionskosten, verbesserter Technologie sowie höherer Förderungen und Einspeisevergütungen besser ausgeschöpft werden. Zusätzlich zu den genannten Einflussfaktoren wird auch die Akzeptanz der Bevölkerung eines sich verändernden Stadt- bzw. Ortsbildes mit Sicherheit eine wesentliche Rolle spielen bei der Etablierung solcher Anlagen sowohl im privaten Sektor, als auch in dichter besiedelten Gebieten bzw. Städten. DI Dr. Rudolf Kanzian Mag. Melanie Zwirn, MSc KANZIAN ENGINEERING & CONSULTING GmbH – KEC office@kec.at Stromgewinnung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt starken wetterbedingten Schwankungen. Bei zunehmendem Ausbau der Stromerzeugung aus Wind und Sonne und bei Wettersituationen wie „Dunkelflaute“ gewinnt die Frage der Energiespeicherung massiv an Bedeutung. Selbst in Österreich werden Pumpspeicherkraftwerke in den Alpen diese Funktion alleine nicht erfüllen können. Power-to- Gas Technologie kann eine Zusatzspeicherlösung sein. Das erfolgreiche Forschungsprojekt „Underground Sun Storage“ zur Speicherung von Wind- und Sonnenenergie in natürlichen Erdgaslagerstätten wird fortgesetzt. Mit dem Folgeprojekt „Underground Sun Conversion“ soll es erstmals möglich werden, direkt in einer Erdgaslagerstätte Erdgas durch einen von der RAG gezielt initiierten mikrobiologischen Prozess natürlich zu „erzeugen“ und gleich dort zu speichern. Mit dieser weltweit einzigartigen und innovativen Methode wird der natürliche Entstehungsprozess von Erdgas nachgebildet, aber gleichzeitig um Millionen von Jahren verkürzt – Erdgeschichte im Zeitraffer. Aus Sonnen- oder Windenergie und Wasser wird zunächst in einer oberirdischen Anlage Wasserstoff erzeugt. Gemeinsam mit CO 2 , das so einem nachhaltigen Kreislauf zugeführt wird, wird dieser Wasserstoff in eine vorhandene (Poren)Erdgaslagerstätte eingebracht. In über 1.000 Metern Tiefe wandeln nun natürlich vorhandene Mikroorganismen diese Stoffe in relativ kurzer Zeit in erneuerbares Erdgas um, welches anschließend direkt dort in dieser Lagerstätte gespeichert, bei Bedarf jederzeit entnommen und über die vorhandenen Leitungsnetze zum Verbraucher transportiert werden kann. Diese umweltfreundliche Vorgangsweise hat drei wesentliche Vorteile: • Erneuerbares Erdgas ist dann CO 2 -neutral, wenn vorhandenes CO 2 (zum Beispiel aus Biomasseverbrennung) genutzt und im „Produktions-Prozess“ gebunden wird. So entsteht ein Kohlenstoff-Kreislauf. • Die Stromgewinnung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt wetterbedingten Schwankungen. Eine bedarfsorientierte Produktion ist daher nicht möglich. Das Problem der Speicherbarkeit von erneuerbaren Energien wird durch die Umwandlung in erneuerbares Erdgas gelöst. • Sowohl für den natürlichen Produktionsprozess, als auch für die unterirdische Speicherung in natürlichen Erdgaslagerstätten und den umweltfreundlichen Transport zum Endverbraucher kann bereits vorhandene Infrastruktur genutzt werden. Detailinformationen: International wird intensiv nach Lösungen geforscht, um CO 2 - Emissionen nachhaltig zu reduzieren. Durch den zunehmenden Umstieg auf volatile, erneuerbare Energiegewinnung gibt es mehr denn je Bedarf an speicherbaren Energieträgern. Vor allem Energieträger mit hoher Energiedichte, wie Methan, werden für industrielle Anwendungen, Wärmeerzeugung und zur Nutzung im Transport benötigt. Im nun gestarteten Forschungsprojekt „Underground Sun Conversion“ soll ein Verfah- ren erforscht werden, das sowohl eine Lösung für die Erzeugung von Energieträgern mit hoher Energiedichte bietet, als auch die Speicherfrage löst. Darüber hinaus wird das Ziel verfolgt, die in vielen Teilen der Welt bestehende und bewährte Gasinfrastruktur uneingeschränkt weiter zu nutzen. Ausgangspunkt dafür ist die „Power to Gas“ Technologie, bei der Überschüsse aus der Produktion erneuerbarer Energie (Wind oder Sonne) mittels Elektrolyse in Wasserstoff und/oder Methan umgewandelt werden. Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, vorhandene (Poren)Erdgaslagerstätten als natürliche „Reaktoren“ zu nutzen. So finden sowohl der Methanisierungsprozess als auch die Speicherung auf natürlichem Weg in unterirdischen Porenlagerstätten statt. Darin liegt das große Potenzial, welches gleichzeitig die bislang fehlende aber dringend benötige Flexibilität im Umgang mit erneuerbaren Energien schafft. Dieses Verfahren kopiert und wiederholt den natürlichen Prozess der Entstehung von Erdgas. So findet der Methanisierungsprozess auf natürlichem Weg in untertägigen Gesteinsschichten statt, abgekürzt um Millionen von Jahren. Erste Laborversuche aus dem Vorläuferprojekt „Underground Sun Storage“, das ebenfalls vom Klima- und Energiefonds gefördert wird, zeigen, dass in die Lagerstätte eingebrachter Wasserstoff mit CO 2 mikrobiologisch in Methan umgewandelt wird. Damit kann es gelingen einen nachhaltigen Kohlenstoff- Kreislauf zu etablieren. Können vorhandene Infrastruktur nutzen Projektpartner sind: Montanuniversität Leoben, Universität für Bodenkultur Wien (Department IFA Tulln), acib GmbH (Austrian Centre of Industrial Biotechnology), Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz, Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH. Gemeinsam mit dem Konsortium werden Laborversuche, Simulationen und ein wissenschaftlicher Feldversuch an einer existierenden Lagerstätte der RAG durchgeführt. Ziel ist es auch, die Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse auf viele andere Lagerstätten weltweit zu prüfen. Die angestrebten Ergebnisse sind daher von herausragender Bedeutung, die führende Position Österreichs im Bereich der saisonalen Speicherung erneuerbarer Energie in Erdgaslagerstätten weiter auszubauen und das im Projekt entwickelte Verfahren – sowohl Technologie als auch Know-how in breitem Stil zu exportieren. „Unser weltweit einzigartige Forschungsprojekt ist quasi ‚Erdgeschichte im Zeitraffer’ und hat großes Potenzial“, sagt RAG-Generaldirektor Markus Mitteregger: „Es ist CO 2 -neutral, löst unser großes Problem der Erstmals wird die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie in einer ehemaligen natürlichen Erdgaslagerstätte erforscht. Basis dafür ist die „Power-to- Gas“ Technologie (im Bild die Anlage in (Pilsbach, OÖ), bei welcher der aus Wind- und Sonnenenergie gewonnene Strom in ein speichbares Methan-Wasserstoffgemisch umgewandelt wird. Speicherbarkeit von erneuerbaren Energien und wir können bereits vorhandene Infrastruktur nutzen. Zudem ist es extrem umweltfreundlich, weil es natürliche, mikrobiologische Prozesse komprimiert nachbildet und wir das sich bildende erneuerbare Erdgas gleich am Ort der ‚Produktion‘ – in natürlichen Erdgaslagerstätten in über tausend Metern Tiefe – speichern können. Die bis dato im Rahmen des ersten Projektes ‚Underground Sun Storage‘ erzielten Ergebnisse aus Laborversuchen sind vielversprechend. Umso mehr freuen wir uns nun auf weiterführende Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt ‚Underground Sun Conversion‘.“ Das Forschungsprojekt soll bis Ende 2020 abgeschlossen werden. (underground-sunconversion.at)
Jänner 2018/ UmweltJournal KOMMUNALE WASSERLÖSUNGEN 17 Koagulation und Flockung in der Trinkwasserreinigungsanlage Helsinki Mega-Rührwerke sorgen für sauberes Trinkwasser Fotos: invent Kippis! Das heißt „Prost“ auf Finnisch. Die Hauptstadt einer der trinkfestesten Nationen unter der Sonne auch über genügend Wasser verfügt, dafür sorgen über 22 Invent-Rührwerke. Finnlands Hauptstadt Helsinki fördert sein Rohwasser mithilfe eines Tunnels aus dem rund 120 Kilometer entfernten See Päijänne zu zwei Wasseraufbereitungsanlagen, in welchen es behandelt und gereinigt wird. Dies sichert Trinkwasser in ausreichender Menge und hervorragender Qualität für rund eine Million Menschen. HSY, Helsinkis Environmental Services Authority, ist dabei der kommunale Anlagenbetreiber und verantwortlich für die Sicherung der gesamten Wasserversorgung. In der Trinkwasserreinigungsanlage in Vanhakaupunki kommen seit Juli vergangenen Jahres 18 „Hyperclassic Evolution7“ Rührwerke und drei „Cyberpitch“ Rührwerke aus dem Hause Invent zum Einsatz. Um die Kapazität zu erhöhen und für eine energieeffizientere Gestaltung wurde die bestehende Anlage umgebaut. Invents Vertriebspartner Puwimex Oy konnte dem Anlagenbetreiber HSY für eine optimierte Koagulation und Flockung bereits in der Designphase die passenden Invent Rührwerke auslegen und empfehlen. Zusätzlich wurden mithilfe hochauflösender, realitätsnaher Strömungssimulation die Prozessschritte modelliert und optimiert. kommen den Anforderungen in der Trinkwasseraufbereitung sehr entgegen. Die Antriebe sind über der Wasseroberfläche trocken aufgestellt und haben somit keinen Kontakt mit dem Wasser. Den kundenspezifischen Anforderungen zur Vermeidung von Verunreinigungen im Trinkwasserbereich entsprechend, wurden die Rührwerke mit Lebensmittelöl in den Antrieben und Ölauffangbehältern ausgerüstet. Mithilfe der Hyperclassic Rührwerke können alle Voraussetzungen für eine optimale Entstehung der Flocken erfüllt und unerwünschte Verunreinigungen abgeschieden werden. Durch die Rotation in Bodennähe wird über acht integrierte und speziell optimierte Transportrippen eine radial nach außen gerichtete Bodenströmung erzeugt. Diese ist vor allem in Bodennähe turbulent und wirbelt Ablagerungen wirkungsvoll auf, sodass ein Absetzen der Partikel im Flockungsbecken verhindert wird. Die Entstehung von Kurzschlussströmungen kann zudem zuverlässig ausgeschlossen werden. Durch die an der Wasseroberfläche zur Welle hin gerichtete Strömung werden alle Partikel gleichmäßig im Becken durchmischt, sodass nahezu alle Partikel mit dem Flockungsmittel in Berührung kommen, agglomerieren und Flocken ausbilden. niedrigen Drehzahl sind die Scherkräfte des Hyperclassic Rührwerks auf ein Minimum reduziert. Das Agglomerieren der Flocken wird dadurch unterstützt und eine Beanspruchung der Flocken vermieden. Je größer und stabiler diese Flocken sind, desto leichter lassen sie sich in den nachfolgenden Reinigungsschritten abscheiden. Verunreinigungen werden nahezu vollständig aus dem Trinkwasser entfernt. Diese Tatsachen tragen dazu bei, die Reinigungsleistung der Anlage ganz entscheidend zu verbessern. Durch den Umbau und die Nachrüstung der Anlage mit Invent Rührwerken im Sommer 2017 konnte der Betreiber HSY nicht nur den höheren Bedarf decken, sondern auch energieeffizienter bestes Trinkwasser an rund eine Million Menschen in und um Helsinki liefern. Also: Kippis! Ein Blick in die Trinkwasserreinigungsanlage Vanhakaupunki, Helsinki, Finnland. Geschwindigkeitskontur um das Invent Cyberpitch Rührwerk und Strömungslinien in den Verteilerbecken. Cyberpitch und Hyperclassic Je größer die Flocken, desto leichter abscheidbar Eine Herausforderung bei der Auslegung war zum einen die deutliche Verbesserung des Mischergebnisses in den Zulaufbecken der Trinkwasseranlage. Erzielt werden soll ein spontaner Ladungsausgleich auf der Partikeloberfläche, damit kolloidal vorhandene Partikel zu Flocken wachsen können. Hierbei kommen die Cyberpitch Rührwerke zum Einsatz, die schnell und mit hoher Energie mischen. Das Rührwerk besteht aus einem weiterentwickelten Schrägblattrührer, welcher das Wasser sowohl in axialer als auch in radialer Richtung beschleunigt. Mit den Cyberpitch Rührwerken wird zum anderen das Flockungshilfsmittel gleichmäßig eingemischt. Die Hyperclassic Evolution7 Rührwerke werden für die Flockungsbecken verwendet, um unerwünschte Trinkwasserinhaltsstoffe, zum Beispiel Trübstoffe oder gelöste organische Stoffe, durch Agglomeration von suspendierten oder kolloidalen Teilchen zu entfernen. Anschließend durchströmt das Wasser eine Sedimentations-, Flotationsund Filtrationsstufe. Fast alle Partikel berühren Flockungsmittel Die Designs beider Rührwerke Aufgrund des großen Rührwerksdurchmessers, der optimalen Geometrie und der Marode Wasserleitungen leichter überprüfen Hightech-Molch findet kleinste Lecks Ein innovativer MIT Roboter schwimmt durch Wasserund Gasleitungen auf der Suche nach Lecks – und soll diese auch bald reparieren. Nicht einmal das kleinste Leck entgeht einem von MIT-Forschern entwickelten Hightech-Molch, der durch Pipelines wie Trinkwasserleitungen geschickt wird. Das flexible Gerät ähnelt einem Federball, der mit der Schlagseite voran durch das Rohr driftet. Es besteht aus einem gummiartigen Material, das den gesamten Rohrquerschnitt ausfüllt. Die Entwickler wollen den Molch im September auf der International Conference on Intelligent Robots and Systems in Vancouver vorstellen. Wasser kann weiterfließen Die Funktionsweise der Innovation ist so einfach wie effizient: Eines der Invent Hyperclassic Rührwerke. Sensoren im Inneren messen den Druck, der sich ändert, wenn der Molch ein Leck oder eine Auswölbung erreicht, die den Rohrquerschnitt reduziert. Die Formänderung überträgt sich auf den flexiblen Körper des Geräts. Der Molch lässt sich an jedem Hydranten ins Rohrnetz einschleusen und anschließend wieder herausholen. Das Team um Maschinenbau- Professor Kamal Youcef-Toumi testet das Lecksuchsystem in diesem Sommer in einer Zwölf- Inch-Wasserleitung aus Beton im mexikanischen Monterrey. Die Wasserversorgung geht während des Einsatzes unverändert weiter. Zur Reparatur muss das Wasser aber abgeschaltet werden. Lecks lassen sich oft durch Kunststoff- Das Flockungsbecken der Anlage. netze abdichten, die sich an die Innenseite des Rohrs schmiegen. Epoxidharz gibt ihnen die benötigte Stabilität. Lecks kosten Millionen Dollar Die Verwaltung der Millionenstadt Monterrey hat großes Interesse an der Lecksuche. Dort gehen 40 Prozent des Trinkwassers verloren, weil die Leitungen brüchig sind. Der Schaden beträgt pro Jahr etwa 80 Millionen Dollar. In anderen Ländern sieht es nicht viel besser aus. In Europa und den USA sind es im Durchschnitt 20 Prozent, die durch Lecks austreten. In manchen Fällen spült das austretende Wasser Hohlräume aus, die zuweilen einstürzen. Sie gefährden den Straßenverkehr und die Standfestigkeit von Gebäuden. Besonders teuer sind Lecks in Saudi-Arabien. Das Land verliert etwa ein Drittel seines Trinkwassers, das zu überwiegenden Teilen aus Meerwasser gewonnen wird, was besonders teuer ist. Aus diesem Grund interessiert Hightech-Molch im Einsatz: Ergebniskurven zeigen Lecks sich Pipetech LLC für die Tests in Mexiko, eine Service-Firma für Pipelines in Al Khobar, Saudi- Arabien. You Wu, der zum Team von Youcef-Toumi gehört, staunt selbst über die Empfindlichkeit des Molchs. „Er fand ein Leck, aus dem pro Minute eine Gallone Wasser floss“, verdeutlicht You Wu. Die kleinsten Lecks, die konventionelle Molche entdecken können, seien zehnmal so groß. Die Forscher wollen als Nächstes eine flexiblere Version des Roboters entwickeln, Grafik: web.mit.edu die schnell die Form ändern kann, um in verschiedene Rohr- Durchmesser zu passen; dazu schwebt ihnen eine Art Regenschirmöffnung vor. Dies würde es dem Roboter ermöglichen, in Städten wie Boston eingesetzt zu werden, wo eine diversifizierte Mischung von Rohrgrößen miteinander verbunden ist. Im Idealfall wird der Roboter in Zukunft auch mit speziellen Werkzeugen ausgestattet sein, um winzige Lecks zu reparieren. (UJ/pte)
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