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Fachartikel
29. Oktober 2018

Médaille d'eau 2018

Drei Kläranlagen zeigen Weg zur Energieautarkie

An der Energietagung von VSA und InfraWatt durften 23 Kläranlagenbetreiber die Auszeichnung Médaille d’eau entgegennehmen. Speziell ausgezeichnet wurden die herausragenden Innovationsprojekte der ARA Seez (Flums), ARA Chur und des Klärwerks Werdhölzli (Zürich). Sie zeigen, dass mit einer klaren Strategie eine energieautarke Kläranlage angestrebt werden kann und dass der Mehrverbrauch an Strom für die Elimination der Mikroverunreinigung auch bei energetisch guten ARA mit Solarenergie kompensiert werden kann.
Ernst A.  Müller 

Alle fünf Jahre – erstmals 2003 – vergeben der Verein InfraWatt und der VSA die Médaille d’eau an energieeffiziente ARA. Damit sollen Kläranlagenbetreiber für ihre überdurchschnittlichen Anstrengungen im Energiebereich belohnt und die Branche zu weiteren Taten motiviert werden. Die Übergabe der begehrten Auszeichnungen wird jeweils zum Anlass genommen, eine Energietagung durchzuführen, um über den neusten Stand der Entwicklungen von Energieoptimierungen zu informieren und den Austausch von Erfahrungen und Know-how zu ermöglichen. Dabei soll auch ein Blick in die Zukunft und über den Zaun der ARA geworfen und innovative Projekte vorgestellt werden.

AUSZEICHNUNG UND INNOVATIONSPREIS

Um die Auszeichnung von Médaille d’eau in diesem Jahr zu erhalten, mussten die Kläranlagen aufzeigen, dass sie bezüglich der energetischen Qualität gemessen an den strengen Energierichtwerten von Bund/EnergieSchweiz und VSA top sind. Bei 23 Anlagen war dies der Fall. Sie erfüllten zum grössten Teil sogar alle vier geforderten Richtwerte, was nur mit vielen umgesetzten Energiemassnahmen machbar ist. Kläranlagen mit besonders innovativen Energieprojekten konnten sich auch für den Innovationspreis bewerben.
An die Bewerbungen für den Innovationspreis wurden drei Kriterien gestellt und danach durch eine Jury beurteilt:

Kriterien

– Innovation (= Neuigkeit)
– energetische Wirkung (Energieeffizienz und erneuerbare Energienutzung)
– Anwendbarkeit auf andere Kläranlage

Jury

– Vertreter von Planern: Th. Ackermann, P. Foa, B. Kobel
– Kantonsvertreter: M. Eugster, SG
– InfraWatt-Geschäftsführer: E.A. Müller

Nachfolgend werden die drei Gewinner des Innovationspreises und ihre Projekte konkret vorgestellt.

ARA SEEZ IN FLUMS:
STRATEGIE ZUR ENERGIEAUTARKIE

Energieeffizienz dank geschultem Personal

In den Jahren 2012 bis 2014 wurde die ARA Seez von einer Belebtschlammanlage auf eine Wirbelbett-Hybridanlage umgestellt. Bei gleichbleibender Grösse der Kläranlage konnte so die Reinigungsleistung um rund 30% gesteigert und der Energieverbrauch sogar noch gesenkt werden. Damit waren die Betreiber aber noch nicht zufrieden: Im Jahr 2016 wurde die ganze ARA energetisch untersucht, um nochmals Schwachstellen zu ermitteln. Danach wurde die Hybridanlage nachjustiert und das Leitsystem angepasst. Zudem wurden sämtliche Mitarbeitende als Klärwerkfachleute ausgebildet und auch bezüglich Energieoptimierung im Betrieb geschult. Mit all diesen Massnahmen konnte mit der Wirbelbett-Hybridanlage im Jahre 2017 schlussendlich eine hervorragende Energiekennzahl von 7,7 kWh pro Jahr und Einwohnerwert erreicht werden, die ein Vielfaches unter dem Idealwert von 29 bis 40 kWh/a pro EW liegt. Ein grösserer Teil dieses Erfolges wurde durch die Abstimmung und Optimierung durch das Personal erreicht.

Projekt ARA Seez 2020

Nach der Energieoptimierung der Biologie war die Stromproduktion der bisherigen Mikrogasturbine mit einem Wirkungsgrad von 22% optimierungsbedürftig. Im Rahmen einer Energiestudie vom Ingenieurbüro Kuster & Hager wurde das Projekt ARA Seez 2020 entwickelt. Angestrebt wurde mit einem Paket von Energiemassnahmen eine energieautarke Kläranlage. Die Mikrogasturbine soll nun durch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einem Wirkungsgrad von 35% ersetzt werden, wodurch die Stromproduktion um über 60% ansteigt. Der bestehende Nassgasometer wird altershalber durch einen grösseren Gasspeicher ersetzt. Dadurch kann auch das BHKW flexibler eingesetzt werden, also dann, wenn die geplante Solaranlage wenig Strom produziert oder wenn ein hoher Strombedarf anfällt. Damit kann die Energieproduktion der zwei Anlagen abgestimmt und möglichst viel für den Eigenbedarf genutzt werden. Und als weitere Massnahme ist auch noch der Bau eines Solarfaltdaches über dem Belebtschlamm- und Vorklärbecken geplant. Das neue BHKW wird rund 390 000 kWh/a und die Solaranlage rund 190 000 kWh/a erneuerbaren Strom produzieren, sodass der jährliche Strombedarf von 504 000 kWh/a im Jahre 2017 zu 100% selbst abgedeckt werden kann. Mit einer weitergehenden Idee für die Zukunft will die ARA prüfen, ob überschüssiger Strom aus der Solaranlage oder dem BHKW anfällt, um den Überschussstrom mit Power-to-Gas in Wasserstoff umzuwandeln und dem Faulturm beizugeben bzw. zu speichern. Die höhere Methanausbeute soll dann in Zeiten mit zusätzlichem Strombedarf im BHKW genutzt werden.

Erkenntnisse der Jury

Die Jury hat nicht nur die Zahl und Vielfältigkeit der Einzelmassnahmen beeindruckt, sondern auch der Ansatz des gesamtheitlichen Vorgehens und das Engagement der Betriebsleitung und der Mitarbeiter auf der ARA. Am Anfang stand die Strategie mit Zielsetzung einer energieautarken Kläranlage. Vision ist sogar, dass die ARA zukünftig jederzeit bezüglich Strom, Wärme und Mobilität energieautark werden soll und nicht nur über die Jahresbilanz. Dabei wurden auf der ARA Seez nicht nur der Energieeffizienz und der Steigerung der erneuerbaren Energieproduktion, sondern auch der Ausbildung und Einbindung des Personals grosse Beachtung geschenkt. In diesem Sinne hat die Jury bei allen drei Kriterien Innovation, energetische Wirkung sowie Übertragbarkeit auf andere Kläranlagen die Höchstnote vergeben. Noch mehr: Die Jury kann das Vorgehen der ARA Seez allen Kläranlagen in der Schweiz empfehlen.

KLÄRWERK WERDHÖZLI ZÜRICH:
EIGENKONZEPT PHOTOVOLTAIKPARK

Ausgangslage und Ziel

Auf dem Klärwerk Werdhölzli mit 660 000 EW wird neben Klärgas auch Biogas aus der Schlammbehandlung erzeugt. Beides wird ins Erdgasnetz eingespeist, denn sonst könnte nur ein kleiner Teil der Abwärme aus den BHKW gebraucht werden.Stillgelegt werden die BHKW dennoch nicht, sie werden für den Lastausgleich genutzt, um Leistungsspitzen zu brechen [1]. Die Verantwortlichen von Entsorgung + Recycling Zürich (ERZ) wollten zudem weitere Möglichkeiten zur erneuerbaren Stromproduktion erschliessen und liessen die Nutzung der Solarenergie prüfen. Die Potenzialstudie zeigte, dass verschiedene Gebäude auf dem eigenen Areal günstige Voraussetzungen aufweisen, um Photovoltaikanlagen mit guten Wirkungsgraden installieren zu können. Da der produzierte Solarstrom tagsüber anfällt und während den Hochtarifzeiten für den eigenen Strombedarf genutzt werden kann, lassen sich auch die Investitionen vernünftig amortisieren. Deshalb wurde beschlossen, schrittweise Solaranlagen auf den ausgewählten Gebäuden zu bauen.

Photovoltaikanlagen auf dem Dach und an Fassaden

Gestützt auf das selbst entwickelte Konzept wurde 2017 auf dem Gebäude der Elimination der Mikroverunreinigung (MV) die erste Photovoltaikanlage (PV) erstellt. Die PV auf dem Flachdach weist eine Leistung von 113 Kilowatt peak (kWp) auf und liefert jährlich rund 110 000 kWh/a eigenen erneuerbaren Strom. Pro Kilowatt peak belaufen sich die Investitionen auf rund 2150 Franken. Zudem werden an den nach Südosten und Südwesten ausgerichteten Fassaden des MV-Gebäudes PV-Anlagen montiert, die 87 kWp aufweisen und jährlich rund 60 000 kWh/a Strom erzeugen. Da die Fassaden im Gegensatz zum Dach besser einsehbar sind, wurden hohe ästhetische Anforderungen gestellt. Zudem war die Installation aufwendiger als auf dem Dach, sodass die eingesetzten PV-Module mit 4500 Fr./kWp teurer sind.

Solarenergie deckt 20% des Strombedarfs

Die Photovoltaikanlagen auf dem Gebäude der Mikroverunreinigung produziert 170 000 kWh/a erneuerbaren Strom, investiert wurden rund 700 000 Franken. ERZ rechnet mit 0.20 Fr./kWh für den Strombezug im Hochtarif. Damit resultiert ein Payback von 20 Jahren, sodass die Anlage bei einer erwarteten Lebensdauer von 30 Jahren problemlos amortisiert werden kann. Zudem leistet die PV einen Beitrag zur Erreichung der Ziele der 2000-Watt-Gesellschaft der Stadt Zürich.
Aufgrund dieser positiven Betriebsergebnisse wurde beschlossen, das erstellte Konzept weiterzuführen und auf weiteren geeigneten Gebäuden PV-Anlagen zu bauen. Im Endausbau bis 2022 ist geplant, eine Gesamtleistung von rund 4000 kWp zu installieren. Damit können 3,5 Mio. kWh/a erneuerbarer Strom erzeugt und 20% des heutigen Strombedarfes abgedeckt werden.

Erkenntnisse der Jury 

Das Klärwerk Werdhölzli in Zürich hat seine Reinigungsverfahren ausgebaut und eine Anlage zur Elimination der Mikroverunreinigung installiert [2]. Die Verantwortlichen des ERZ haben nun systematisch untersucht, wie der Mehrstromverbrauch der MV wieder kompensiert werden kann – angesichts der bereits zahlreichen energetischen Vorkehrungen: keine leichte Aufgabe. Nach einem erfolgreichen Test beim Gebäude der Mikroverunreinigung werden auf weiteren Gebäuden PV-Anlagen installiert. ERZ konnte aufzeigen, dass damit ein Fünftel des Strombedarfes mit erneuerbarer Energie abgedeckt und die Investitionen für die PV über den Hochtarif amortisiert werden können. Dieser Ansatz und die Erfahrungen können auf vielen Kläranlagen genutzt werden, um einen weiteren beträchtlichen Beitrag zur Eigenstromdeckung zu leisten, zumal entsprechende Gebäudeflächen auf den Kläranlagen vorhanden sind.

ARA CHUR: INFRASTRUKTUR-INTEGRIERTES SOLARKRAFTWERK

Ausgangslage und Ziel

Auf Kläranlagen sind für Solaranlagen nicht nur Flächen bei Gebäuden, sondern auch über den grossen Becken vorhanden. Auch die ARA Chur mit einer Ausbaugrösse von 130 000 Einwohnerwerten hat diese Möglichkeit ins Auge gefasst, als sie nach einer weiteren Steigerung zur Eigenstromversorgung suchte. Eine Evaluation hat gezeigt, dass diese offenen Flächen über den Becken mit ihren 6500 m2 tatsächlich grosses Potenzial für Solarstrom haben, sofern dies in der Praxis machbar ist und der Zugang zu den Becken gewährleistet werden kann.

Solarfaltdach als Lösung

Den Lösungsansatz brachte das Start-up-Unternehmen dhp technology AG aus Zizers, das ein Faltdach für Solarenergie entwickelt hat und es als Pilotanlage in die Praxis umsetzen wollte. Das Faltdach kann in die «Garage» eingefahren werden, um jederzeit und ohne jede Behinderung für das Personal, Fahrzeuge, Logistik und grössere Bauarbeiten an den Becken den Zugang sicherzustellen. Das Solarfaltdach besteht aus einer patentierten Leichtbautechnologie und kann auf Tragseilen aus- und eingefahren werden. Bei Sturm, Hagel und Schneefall wird es eingezogen, was vollautomatisch über eine Meteosteuerung gemanagt wird oder bei Bedarf von Hand durchgeführt werden kann. Vorteil ist, dass die Solarmodule im Winter schneefrei bleiben und im Sommer Schatten spenden, was allenfalls die Algenbildung sowie die Wartungskosten reduziert. Um auch die Zufahrt für Lastwagen zu ermöglichen, wird das Faltdach in ca. fünf Meter Höhe mit grossen Abständen der Stützen von 25 m auf den Beckenkronen montiert.

Finanzierung durch Contractor

Das Projekt wurde gemeinsam mit dem Stadtwerk, der IBC Energie Wasser Chur, entwickelt und realisiert. Die Kläranlage stellt die Flächen zur Verfügung, die IBC hat die Investitionen finanziert und betreibt die Anlage im Rahmen eines Eigenverbrauch-Contractings. Die Kläranlage trägt damit also keine finanziellen Aufwendungen und kein Risiko. Das Projekt wurde in zwei Phasen gebaut, die Pilotanlage mit 180 kWp Leistung wurde im September 2017 in Betrieb genommen, die Erweiterung auf insgesamt 640 kWp Leistung erfolgte von Februar bis Mai 2018, die Inbetriebnahme im Juni 2018.
Das Solarfaltdach verfügt im Vollausbau über eine Leistung von 640 kWp und produziert pro Jahr rund 550 000 kWh Strom. Diese Eigenstromproduktion kann gemäss Simulation zu 100% für den Eigenbedarf der Kläranlage genutzt werden. Damit kann 20% des Strombedarfes der Kläranlage abgedeckt werden. Curdin Hedinger, Leiter der ARA Chur, ist denn auch von seinem Solarfaltdach sehr zufrieden. Probleme habe es auch in der Praxis noch nie gegeben, sei es bei den täglichen Arbeiten, bei Sturm, Kälte oder Hitze.

Bei heutigen Strompreisen auf ARA wirtschaftlich

Das System eignet sich für jede Kläranlage, die über eine Mindestfläche von ca. 1000 m2 verfügt und nicht extrem beschattet ist. Das ergibt bereits eine Leistung von etwa 100 kWp und eine Jahresproduktion von ca. 85 000 kWh. Das Bundesamt für Energie BFE hat diese erste Anlage ihrer Art in der Schweiz als Pilot- und Demonstrationsprojekt gefördert.
Die Investitionen belaufen sich auf rund 1,65 Mio. Franken. Die Gestehungskosten für den Solarstrom liegen je nach Standort und Grösse der Anlage bei rund 20 Rp./kWh (inkl. Kapitalzins und Service), sie dürften zukünftig noch sinken. Das Solarfaltdach kann also bei vielen Kläranlagen in der Schweiz Netzparität erreichen, d. h. die Sonne kann zum gleichen Preis Strom produzieren, zu welchem der lokale Energieversorger liefert.

Erkenntnisse der Jury

Die Kläranlagen gehören in einer Gemeinde zu den grössten Stromverbrauchern, sie konsumieren vergleichsweise mehr Strom als alle kommunalen Schulen. Ziel der Energiestrategie 2050 des Bundes ist, die erneuerbare Stromproduktion deutlich zu steigern, wobei vor allem die Solaranlagen im Vordergrund stehen. Gesucht sind dabei Standorte, die weder grüne Flächen verbauen noch das Landschaftsbild beeinträchtigen. Kläranlagen liegen meistens etwas abseits der Siedlungen und verfügen mit den Klärbecken über enorme, bereits überbaute Flächen, sodass sie günstige Standorte für Solarfaltdächer bieten. Zudem kann mit dem Faltdach auch das Problem des gesicherten Zugangs zu den Becken gelöst werden. In Chur wurde nun eine solche Anlage erstmals weltweit erstellt, die gemachten Betriebserfahrungen sind erfreulich. Interessant ist auch das Finanzierungsmodell der Anlage in Chur, dort treten die Stadtwerke, also die IBC Energie Wasser Chur, als Contractor auf und haben die Investitionen übernommen. Es lohnt sich für Kläranlagen also, die Nutzung der Solarenergie zu prüfen.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Die Kläranlagen verbrauchen sehr viel Energie, damit sie ihre Reinigungsaufgaben wahrnehmen können. Mit zunehmenden Anforderungen an den Gewässerschutz oder konkret mit der Elimination der Mikroverunreinigung wird der Energieverbrauch der ARA nochmals deutlich ansteigen und das Thema Energie an Bedeutung zunehmen. Umso wichtiger sind die Entwicklungen und Erfahrungen der ARA-Betreiber, die den Innovationspreis der Médaille d’eau 2018 erhielten. Sie zeigen, dass der Mehrverbrauch für die Mikroverunreinigung bereits alleine mit Solarenergie kompensiert werden kann und dass die unterschiedlichen Technologien mit Photovoltaik an Gebäuden oder einem Solarfaltdach an den meisten ARA in der Schweiz ebenfalls realisiert werden könnten. Die ARA Seez demonstriert zudem, wie man mit einer gesamtheitlichen Strategie Energiepotenziale in den verschiedensten Bereichen einer ARA findet und durch deren Umsetzung Energieautarkie erreicht. 

Dabei muss es aber nicht bleiben, denn das grösste Energiepotenzial einer Kläranlage steckt im Wärmeinhalt des Abwassers. Die Betreiber der ARA Chur werfen nicht nur einen Blick auf die Sonne, sondern auch über den Zaun ihrer ARA. In Zusammenarbeit mit den Stadtwerken IBC als Partner wollen sie die enormen Energiemengen im Abwasser zur Beheizung von umliegenden Gebäuden nutzen. In solchen Fällen können die neuen Fördermöglichkeiten für Wärmeverbünde mit Abwasserwärme und anderen einheimischen Energiequellen von der Stiftung Klimaschutz und CO2-Kompensation KliK die Wirtschaftlichkeit deutlich verbessern. Für ARA-Betreiber Anreiz genug zu prüfen, ob in der Umgebung grössere Überbauungen liegen oder erstellt werden, welche die Wärme aus dem Abwasser nutzen könnten [3].

Bibliographie

[1] Hurni, A.; Osswald, R.; Moser, R. (2018): Leitfaden «Energie in ARA», Kapitel «Lastverschiebung». Im Auftrag InfraWatt mit Unterstützung vom Bundesamt für Energie
[2] Büeler, A. et al. (2018): Leitfaden «Energie in ARA», Kapitel «Energieeffizienz in MV-Anlagen». Mit Unterstützung des Bundesamtes für Energie, BFE. Download: www.infrawatt.ch/sites/default/files/2018_01_17_Energie%20in%20ARA_Kap.%20Mikroverunreinigungen.PDF
[3] Müller, E.A.; Vogelsanger, M. (2018): Abwasserwärme für eine ganze Region, Aqua & Gas, Nr. 9

Weiterführende Informationen

www.waermeverbuende.klik.ch/index.html?id=1&lang=de

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