Energiecheck von Kläranlagen

Das Thema Energieeffizienz in Kläranlagen ist in den letzten Jahren zu einem ständigen Begleiter für Betreiber und Anlagenpersonal geworden. Doch erst mit der neuen Kommunalrichtlinie wird das auch leichter finanzierbar: „Die neuen Fördermöglichkeiten schaffen nun auch für kleinere oder weniger finanzstarke Kommunen einen Anreiz, in die klimaeffiziente Umgestaltung ihrer Kläranlagen zu investieren, beispielsweise Belüftung, Pumpen und Motoren sowie die Verfahrensumstellung auf Faulung wird gefördert“, sagt Martin Huber, Ingenieur am Institut für Energietechnik (IfE) an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden (OTH Amberg-Weiden). Bislang sei die Klärschlammnutzung zur Energiegewinnung eher in größeren und mittleren Anlagen üblich gewesen, da sie auch einige Investitionen erfordere.

Die Komplexität der Effizienzsteigerung erfordert, die Abwasser- und Energietechnik interdisziplinär zu betrachten. Dafür hat das Institut für Energietechnik den IfE-Kläranlagencheck entwickelt. Dieser lehnt sich an das Vorgehen und die Vorgaben des Arbeitsblatts „Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen“ (DWA-A-216) der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall an. Denn Voraussetzung für die Förderung ist eine zuvor erstellte Potenzialanalyse etwa durch den IfE-Kläranlagencheck. Solche Potenzialstudien werden nach den neuen Richtlinien mit 50 Prozent gefördert, für finanzschwache Kommunen sogar bis zu 70 Prozent.

Denn längst geht es bei der Effizienzsteigerung in abwassertechnischen Anlagen nicht mehr allein um den Austausch veralteter Antriebsmotoren oder Anlagenteile. Heute gilt es, das komplexe Zusammenspiel einzelner Komponenten durch intelligente Steuerung zu optimieren, neue Anlagentechniken betriebs- und energieeffizient zu dimensionieren und die dezentrale Energiegewinnung zu maximieren.

Diese Gesamtbetrachtung nach dem energetischen Dreisprung – Energiebedarf senken, Energieeffizienz steigern, erneuerbare Energie ausbauen – geht über eine reine Effizienzbetrachtung hinaus. Denn es geht auch um mehr Wirtschaftlichkeit in den Anlagen. Eine derartig umfassende Betrachtung bietet der IfE-Kläranlagencheck, der mit drei Stufen aufeinander aufbaut:

Stufe 1 – der Energiecheck: Energetische Einordnung des Klärwerks: Während einer ausführlichen Vor-Ort Begehung werden alle relevanten Energieverbraucher und Energieerzeugungsanlagen betrachtet und registriert. Anhand von Verbrauchsdaten wie Bezugslastgang oder Eigenstromzählern sowie Leistungsmessungen erfolgt die Berechnung spezifischer Kennwerte. Die ermittelten Kennwerte werden mit ähnlichen Kläranlagen verglichen und bewertet. Dieser Schritt dient der Ableitung erster Bedarfsmaßnahmen und Potenziale für eine nähere energetische Betrachtung.

Stufe 2 – die Energieanalyse: Ziel ist, eine Maßnahmenliste zu erarbeiten, die in verschiedene Prioritätsklassen unterteilt werden kann. Die Projekte erstrecken sich dabei über kurz-, mittel-, und langfristige Handlungszeiträume. Grundlegender Bearbeitungsschritt ist die Detailanalyse der Energieverbraucher des Klärwerks. Darüber hinaus bietet der Kläranlagencheck die Möglichkeit zur Neuauslegung bestimmter Anlagenbestandteile unter Berücksichtigung der oben beschriebenen umfassenden Betrachtung der Effizienzsteigerung. Vor allem energieintensive Aggregate mit langen Laufzeiten und hoher Leistungsaufnahme wie Pumpen und Gebläse werden hier technisch und wirtschaftlich bewertet.

Außerdem bietet die Energieanalyse eine detaillierte Lastganganalyse: So sollen etwa aggregatspezifische Reduktionspotentiale identifiziert werden. Beachtung finden auch verfahrenstechnische Randbedingungen wie die Möglichkeit der Drosselung oder Abschaltung bestimmter Aggregate. Daraus kann ein Lastmanagement erarbeitet werden, das energieintensive Leistungsspitzen im Strombezug verringert.

Eine Besonderheit des IfE-Kläranlagen-Check ist die Optimierung und Neuauslegung von Gebläsen und Pumpen: In der Regel sind die Betriebsbedingungen der Kläranlage im laufenden Betrieb bekannt. Diese bisherigen Planungsgrundlagen und Betriebsparameter werden überprüft. Sind deutliche Abweichungen erkennbar, lässt sich eine Effizienzsteigerung durch Anpassung, zum Beispiel mittels Pumpentausch, ableiten. Dies kann in verschiedenen Anlagenteilen geschehen. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass der optimale Wirkungsgrad ausgeschöpft wird und die Überdeckung von zwei Leistungsbereichen nicht zu unnötigen Schalthäufigkeiten führt. Auch die Staffelung der Gebläse zur Belüftung der Biologie ist ein wichtiger Ansatzpunkt, den Energiebedarf zu senken. Im Gegensatz zur bisher üblichen Auslegung der Gebläse, bei der möglichst gleichartige Verdichter eingesetzt wurden, liegt die Herausforderung heute in einer optimalen Staffelung und Kombination verschiedener Aggregate.

Stufe 3 – dezentrale Energiegewinnung: In größeren Kläranlagen der Klasse IV und V ist die Klärschlammfaulung seit Jahrzehnten gängige Praxis. Die Klärgasnutzung hat Vorteile. So reduziert dieser Prozess die organische Substanz um etwa 30 Prozent und erzeugt ein Klärgas, das in Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-Systemen gewinnbringend zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden kann. Die Praxis zeigt, dass ein hoher Anteil des Stroms direkt am Anlagenstandort verbraucht werden kann.

Sollte sich an einer Kläranlage mit einer Ausbaugröße von mehr als 15.000 Einwohnerwerten noch keine anaerobe Schlammstabilisierung befinden, kann hierzu eine Machbarkeitsanalyse im Rahmen des IfE-Kläranlagen-Checks erstellt werden.

Auch bestehende KWK-Systeme werden umfassend analysiert. Die Wirkungsgradbestimmung ist hier ein probates Mittel zur Einschätzung der Effizienz. Dabei kann zum einen auf geloggte Betriebsdaten der Kläranlage zurückgegriffen werden. Zum anderen kann der Heizwert des eingesetzten Synthesegases und die erzeugten Energiemengen gemessen werden. Im Falle einer Neuauslegung des KWK-Systems ist der zukünftige Energiebedarf der Kläranlage nach Umsetzung der Effizienzmaßnahmen zu definieren. Basierend auf der thermischen und elektrischen Jahresdauerlinie für den Ist- und Soll-Zustand können unterschiedliche Energieversorgungskonzepte dimensioniert werden.

Ein grundlegendes Ziel ist dabei, den Strombedarf des Klärwerks weitestgehend selbst zu decken oder auf diese Weise gegebenenfalls eine Notstromversorgung bereitstellen zu können. Bei allen möglichen Optionen kann zudem die Energieerzeugung im sogenannten „dual fuel“-Betrieb mit Klärgas und Erdgas berücksichtigt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht eine Laufzeitsteigerung des KWK-Systems – was wiederum die Wirtschaftlichkeit des Systems verbessert.

Nimmt der Anteil von Strom aus Erneuerbaren Energien im deutschen Strommix zu, steigt auch der Bedarf an Anlagen, die Strom flexibel in das Netz einspeisen können. Denn diese können am Regelenergiemarkt teilnehmen. In Verbindung mit Gasspeichern können KWK-Systeme auf Kläranlagen entsprechend flexibel betrieben werden. Durch den Kläranlagencheck lassen sich die Möglichkeiten ermitteln, die sich daraus für die Wirtschaftlichkeit der Anlage ergeben.

Die Abwärme des Blockheizkraftwerks kann zudem zur Klärschlammtrocknung genutzt werden. Denn steigende Entsorgungskosten und erschwerte Entsorgungsmöglichkeiten von Klärschlamm stellen die Betreiber von Kläranlagen vor große Schwierigkeiten. Zur Reduktion der Entsorgungsmenge kann Klärschlamm entwässert und anschließend getrocknet werden. Das Trocknen benötigt Energie, die über das KWK-System bereitgestellt wird. So kann sichergestellt werden, dass der Jahresnutzungsgrad, also das Verhältnis von genutzter zu eingesetzter Energie, über 70 Prozent liegt und somit eine Förderung nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G) möglich ist.

Es gibt weitere Optionen zur dezentralen Energieerzeugung etwa durch Photovoltaik-Freiflächen oder -Aufdachanlagen. Unter geeigneten Standortvoraussetzungen ist auch die elektrische Grundlastbereitstellung durch eine Kleinwasserkraftanlage denkbar.

Fazit: Mit dem technischen und wirtschaftlichen Kläranlagencheck in drei Stufen bietet das IfE eine umfassende Potenzialanalyse. Ebenso überprüft das Institut alle weiteren Fördermöglichkeiten von Bund und Länder zum energieeffizienten Umbau von Kläranlagen. Und damit rechnen sich dann letztlich auch für manch kleinere Kommunen die Anfangsinvestitionen.