Wärme aus Kläranlagen

Die GFM Beratende Ingenieure GmbH aus München bietet in den Gebieten Infrastruktur, Gebäude und Energie komplette Ingenieurdienstleistungen aus einer Hand an. Laut dem geschäftsführenden Gesellschafter Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer können Kläranlagenbetreiber zur Minimierung des Energieverbrauchs und insbesondere des Wärmebedarfs auf eine Vielzahl von Wärmequellen und -senken zurückgreifen, darunter Bioenergie, Faulgas oder Abwasserwärme. Neben den konventionellen Aggregaten zur Wärmebereitstellung wie Heizbrenner, Blockheizkraftwerke, Wärmepumpen oder Kompressionskälteanlagen stehen inzwischen auch innovative Technologien zur Verfügung, mit denen Kläranlagen Wärmeautarkie erreichen oder zumindest den Bezug von Primärenergie wie Erdgas oder Öl sowie Sekundärenergie minimieren können. „Da die Strom- und die Wärmeproduktion in der Regel über den Betrieb eines BHKW miteinander verknüpft sind, ist die energetische Optimierung einer Kläranlage an die Optimierung des Wärmehaushaltes gekoppelt“, so Mitsdoerffer. „Wärmekonzepte, die auf eine möglichst vollständige Nutzung sämtlicher Abwärmeströme ausgelegt sind, sollten somit integrale Bestandteile von energetischen Einsparmaßnahmen sein.“

Vorgehensbeschreibung mit fünf wesentlichen Arbeitsschritten

Zur Entwicklung eines Wärme- und Kältekonzeptes sind fünf wesentliche Arbeitsschritte durchzuführen: Bestandsaufnahme, Reduzierung des Wärmebedarfs, effiziente Nutzung von Wärme, Abwärmenutzung sowie Einführung eines Wärmemanagements. Als Arbeitsgrundlage für die Schritte 1 bis 3 dient dabei das Arbeitsblatt DWA-A 216, das die Vorgehensweise einer Energieanalyse, die Kriterien zur Bewertung des Ist-Zustandes und erste Ansätze zur Optimierung des Wärmehaushaltes einer Kläranlage beschreibt.

Im Rahmen der Energieanalyse sind neben thermodynamischen Grundlagen wie dem Wärmetransport auch Kenntnisse über die betrieblichen Prozesse in einer Kläranlage von ausschlaggebender Bedeutung. So stehen in den Anlagen in vielen Fällen nicht nur die Abwärme des BHKW, sondern auch andere Wärmequellen zur Bedarfsdeckung zur Verfügung, darunter Abwasserwärme im Hauptstrom der Anlage, Abwärme von elektrischen Aggregaten wie Gebläse oder Pumpen und Prozesswärme des ausgetragenen Faulschlamms, des Zentrats der Schlammentwässerung oder der Abluft aus der Schlammtrocknung. „Dass dieses Potenzial häufig ungenutzt bleibt, hat Folgen: In der Praxis kann entsprechend dem Arbeitsblatt DWA-A 216 ein Drittel der Kläranlagen den eigenen Wärmebedarf nicht über die Abwärme des BHKW decken und ist auf einen externen Bezug angewiesen“, erläutert Mitsdoerffer.

Energieeinsparung und Effizienzsteigerung

Eine Wärmeeinsparung kann in Kläranlagen vor allem durch eine weitergehende wärmetechnische Bauwerksisolierung, eine angepasste Temperatursenkung in Gebäude und Faulturm sowie eine Reduzierung des aufzuheizenden Schlammvolumens erreicht werden. Besonders sinnvoll ist dabei die Temperaturabsenkung: Werden die Temperaturen in Betriebs- oder Büroräumen im Mittel um 1 °C reduziert, nimmt deren Wärmebedarf um etwa 4 % ab. „Ähnliches gilt auch für den Betrieb des Faulbehälters, wobei allerdings zu beachten ist, dass sich bei einer Temperaturabsenkung die Faulgasproduktion, also die ‚Energiegewinnung’, reduzieren kann“, erklärt der Geschäftsführer von GFM. Ebenso kann aber auch Wärme bei einem Wärmeüberschuss zwischengespeichert werden. Dazu sollte in den wärmeren Monaten die Faulbehältertemepratur auf 40 bis 42 °C angehoben und bei einem weitergehenden Wärmebedarf wieder auf die Normaltemperatur abgesenkt werden. Eine umfassende Einsparung kann zudem mit einer stärkeren Eindickung des Überschussschlamms realisiert werden. Wird dieser beispielsweise auf 6 anstatt auf 5 % eingedickt, reduziert sich sein Volumen um 17 %. Geht man davon aus, dass die eingedickte Überschussschlammmenge rund ein Drittel des gesamten Schlammvolumens ausmacht, lässt sich der Wärmebedarf der Anlage um etwa 6 % senken.

Eine wärmetechnische Effizienzsteigerung kann besonders durch eine optimierte Planung und den Einsatz von Wärmespeichern und -übertragungssystemen, eine Aggregatesteuerung sowie durch die Abstimmung von Wärmeproduzenten und -verbrauchern erzielt werden. In Kläranlagen gibt es in der Regel eine Reihe von gleichzeitigen Wärmeverbrauchern, aber auch eine Vielzahl von Wärmequellen: „Die Aufgabe des Planers besteht in der technisch optimalen Anpassung von Wärmequellen und -verbrauchern unter Berücksichtigung der passenden Wärmesenke. Als Synonym hierfür kann der Begriff der kaskadierten Wärmenutzung verwendet werden“, erläutert der Experte. „Im Gegensatz zum heute üblichen Einsatz der Abwärme eines Blockheizkraftwerkes zur Beheizung der Gebäude oder der Faulung sollte hochwertige – sprich hochgrädige – Wärme zum Beispiel zunächst für die Trocknung oder Vortrocknung von Klärschlamm eingesetzt werden.“ Die Abwärme des Trockners kann dann nochmals für die Beheizung von Gebäuden oder die Warmwasseraufbereitung Verwendung finden. Der Einsatz von optimal genutzten Wärmespeichern dient ebenfalls der Effizienzsteigerung. Einerseits kann mit diesen der Lastgang geglättet und so der Wirkungsgrad der Maschinen optimiert werden, andererseits lässt sich damit Energie zwischenspeichern.

Substitution

Sind alle thermischen Potenziale zur Einsparung und Effizienzsteigerung ausgeschöpft und gibt es zumindest in der wärmeren Jahreszeit einen Wärmeüberschuss, kann im nächsten Schritt Strom mit Wärme substituiert werden. Dies lohnt sich, da Wärme vergleichsweise günstig ist: Bei der Verbrennung von Faulgas beispielsweise fallen Kosten von 1 Ct/kWh (th.) an, während es bei extern bezogenem Strom 20 Ct/kWh (el.) sind. „Prinzipiell kann die Wärme direkt oder indirekt genutzt werden“, so Mitsdoerffer. „Bei der direkten Nutzung, also dem heutigen Regelbetrieb, wird die Abwärme des BHKW auf einem Temperaturniveau von 80 bis 90 °C unmittelbar für die Gebäudeheizung, die Schlammtrocknung oder die thermisch-chemische Desintegration verwendet.“ Bei der indirekten Nutzung wird die Wärme entweder zur Erzeugung von Dampf für eine Desintegration von Strom oder von Kälte eingesetzt. Zur Umwandlung von Abwärme in Strom gibt es verschiedene Verfahren, die im Kern auf einem thermodynamischen Kreisprozess basieren. Hierbei wird Wärmeenergie zunächst in kinetische und anschließend über einen nachgelagerten Generator in elektrische Energie umgewandelt. „Einer der bekanntesten Kreisprozesse, die in diesem Zusammenhang eingesetzt werden können, ist der Clausius-Rankine-Prozess, der die in einem einfachen Dampfkraftwerk ablaufende Energieumwandlung beschreibt“, so Mitsdoerffer. „Werden als Arbeitsmittel statt Wasser organische Verbindungen verwendet, spricht man vom Organic Rankine Cycle oder ORC-Prozess.“

An verschiedenen Stellen einer Kläranlage, beispielsweise in Räumen mit Schaltanlagen und Computern oder bei Sonderanwendungen wie der Gastrocknung, besteht zudem ein Kühlbedarf. Üblicherweise werden strombetriebene Kompressionskältemaschinen in Form von dezentralen Kompaktklimaanlagen eingesetzt, in seltenen Fällen auch Kaltwassersätze, die an ein zentrales Kälteverteilnetz angeschlossen sind. Konventionelle Klimaanlagen werden durch die elektrisch angetriebene mechanische Kompression eines verdampften Kältemittels betrieben. Bei Absorptionskälteanlagen wird dagegen das verdampfte Kältemittel in einem Lösungsmittel absorbiert und anschließend durch eine externe Wärmezufuhr (zum Beispiel BHKW-Abwärme) wieder verdampft. „Dadurch kann aus Wärme Kälte erzeugt werden, wobei nur in geringem Umfang elektrische Energie für Pumpvorgänge innerhalb der Absorptionskälteanlage eingesetzt werden muss“, erklärt der Experte. Aufgrund der höheren Investitionskosten lohnt sich der Einsatz einer Absorptionskälteanlage vor allem dann, wenn Abwärme kostenfrei zur Verfügung steht und der Kältebedarf möglichst hoch und kontinuierlich ist. Neben der Gaskühlung stellen Kältenetze prinzipiell gut geeignete Anwendungsbereiche dar.

Nachhaltiges Wärmemanagement

Um die Nachhaltigkeit eines neuen Wärme- und Kältekonzepts zu gewährleisten, sollte ein Wärmemanagement eingeführt werden. Unter diesem Begriff ist neben dem effizienten Einsatz von Wärme – also dem eigentlichen Wärmekonzept – auch die Überprüfung der Zielvorgaben und die Umsetzung des Konzeptes zu verstehen. „In einem ersten Schritt ist die Zielsetzung des Wärmemanagements zu bestimmen. Beispiele dafür wären eine wärmeautarke Kläranlage oder die Substitution von Primär- und Sekundärenergie mittels anlageninterner Wärme“, erläutert Mitsdoerffer. Nachfolgend sind die Zuständigkeiten der Akteure festzulegen und die Finanzierung des Personalaufwandes und etwaiger Investitionen zu sichern. Ein Energiecheck, der der groben Bewertung des wärmetechnischen Zustands der Kläranlage dient, sollte in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Die Vorgehensweise lässt sich dabei erneut der Energieanalyse gemäß DWA-A 216 entnehmen. Nach der Umsetzung der verschiedenen Optimierungsmaßnahmen sollte abschließend eine Überprüfung der Maßnahmen mit Hilfe eines erneuten Energiechecks erfolgen.

Wird ein solches Konzept beziehungsweise Management umgesetzt, sind – in Abhängigkeit von der jeweiligen Zielsetzung – beim Wärmebedarf umfassende Einsparungen möglich.