The Possible Roles of Wastewater Treatment Plants in Sector Coupling
Abstract
:1. Introduction
2. Sector Coupling with WWTPs
3. Gas-Sector
3.1. Power-to-Gas in WWTPs
3.1.1. CH4 Utilization
3.1.2. O2-Utilization: Usage of O2 From Electrolysis in Wastewater Treatment
3.1.3. O2 Utilization: Micropollutant Removal via Ozone Produced from Renewable O2
4. Heat-Sector
5. Mobility Sector and Power-to-Fuel
6. Conclusions
7. Outlook and Further Approach
- The upcoming needed technical knowledge of every sector is very diverse and causes many interconnections. This requires interdisciplinary expertise, with challenging tasks for every specialist in his field, which cannot be handled by a single player.
- Whilst every expert group can handle their specific field the best, the interconnections can rise up to major problems due to missing experiences and require a very close cooperation.
- Coordination and handling of the utilization path among each other of the competing available resources and their data management is very challenging in terms of gas flow rates, energy production, heat demands and storage management.
- Linking new components with significant impacts on plant processes to existing systems is difficult, e.g., coordination of the electrolysis gases: O2 production, O3 generation and O3 demand for wastewater treatment or the use of H2 by supplying public transportation and feeding into the NGI.
- The plant operators and the political decision-makers have to be involved and convinced from the start to carry out and promote such big municipal implementations and investments.
- Only a motivated and reliable team is able to keep up with a challenging and difficult regulatory environment.
- Local and/or federal funding is up-to-now mandatory to use the potential of sector coupling in WWTPs.
Author Contributions
Funding
Conflicts of Interest
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Power-to-Gas(-H2) | Power-to-Gas(-CH4) | |
---|---|---|
Chemical equation (simplified) | ||
Efficiency * | 54%–84% | 49%–79% |
Advantages |
|
|
Drawbacks |
|
|
Electrical Energy Production on-Site | Feeding into the NGI |
---|---|
(+) use for self-sufficiency purposes (reduced fees in power purchasing) | (+) full use of the energy content of the digestion gas |
(+) heat demand of the WWTP fully covered | (+) substitution of fossil CH4 in the NGI |
(+) local production of renewable energy | (+) separated CO2 due to the gas treatment usable as a green CO2 source for PtX systems |
(+) usable surplus heat for local district heating | (+) new opportunities for alternative heat concepts |
(+) emergency power generation | |
(+) providing control energy for energy grids | (−) gas treatment installations required |
(-) excess heat possibly not usable | (-) new heat management required |
(-) lower efficiency than utilization in bigger power plants | (-) higher costs for electricity purchase due to not fitting taxation systems |
(-) no incentives for a utilization of otherrenewable heat sources (e.g., heat recovery) | (-) highly dependent on the local boundary conditions (e.g. connection and distance to the NGI) |
Benefits | Drawbacks |
---|---|
|
Type of Drive | Type of Fuel | Efficiency of Drive Concept (%) | Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions * (g CO2-eq/km) |
---|---|---|---|
Battery electric vehicle + battery | Electrical energy | 75–85 | 40–80 |
Fuel cell + electric vehicle | Hydrogen | 25–35 | 50–70 |
Combustion engine | Synthetic fuel | 10–20 | - |
Combustion engine | Biofuel | - | - |
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Schäfer, M.; Gretzschel, O.; Steinmetz, H. The Possible Roles of Wastewater Treatment Plants in Sector Coupling. Energies 2020, 13, 2088. https://doi.org/10.3390/en13082088
Schäfer M, Gretzschel O, Steinmetz H. The Possible Roles of Wastewater Treatment Plants in Sector Coupling. Energies. 2020; 13(8):2088. https://doi.org/10.3390/en13082088
Chicago/Turabian StyleSchäfer, Michael, Oliver Gretzschel, and Heidrun Steinmetz. 2020. "The Possible Roles of Wastewater Treatment Plants in Sector Coupling" Energies 13, no. 8: 2088. https://doi.org/10.3390/en13082088
APA StyleSchäfer, M., Gretzschel, O., & Steinmetz, H. (2020). The Possible Roles of Wastewater Treatment Plants in Sector Coupling. Energies, 13(8), 2088. https://doi.org/10.3390/en13082088