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30. Dezember 2018

Kläranlage als Kraftwerk

Powerstep – von energie-neutral zu energie-positiv

«100 Jahre konventionelle Abwasserreinigung sind genug!» Das sagen bekannte Visionäre auf diesem Gebiet und haben recht. Denn mit den heutigen Technologien müssen Kläranlagen nicht mehr zu den grössten Stromverbrauchern einer Gemeinde gehören. Im Gegenteil: Nicht nur könnten sie theoretisch «energie-neutral» arbeiten, sogar «energie-positiv» wäre möglich. Zu diesem Schluss kommt das Powerstep-Projektteam basierend auf realen Daten aus sechs Case Studies im grosstechnischen Massstab. Hierfür wurden auf Kläranlagen in Deutschland, Dänemark, Österreich,Schweden und der Schweiz (ARA Altenrhein) unterschiedliche Technologien realisiert und getestet.
Christian Loderer 

Wirtschaftswachstum bedeutet Energieverbrauch

Weltwirtschaftlich eine starke Rolle zu spielen, bedeutet für die Europäische Union ein Hin- und Hergerissensein zwischen Wachstum auf der einen und Energieverbrauch sowie Klimawandel auf der anderen Seite. Auf den Punkt gebracht: Um eine globale Wirtschaftsführungsrolle einzunehmen, sieht sich Europa mit steigendem Energiebedarf, schwankenden Strompreisen, Versorgungsengpässen und Umweltauswirkungen des Energiesektors konfrontiert. Die EU-Energiepolitik hat hierzu drei Hauptziele [1] definiert: Versorgungssicherheit, Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit, um den unersättlichen Energiehunger Europas stillen zu können.

Nachhaltig durch Erneuerbare Energien

Durch den Ausbau von Windkraft-, Solar- und Biomasseanlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wird auch in weiterer Zukunft der «Nachhaltigkeitsgedanke» des europäischen Energiesektors verstärkt. Auch andere potenzielle Produzenten erneuerbarer Energien sollten dafür in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel die kommunalen Kläranlagen [2]. Im Moment gehören Kläranlagen zu den grössten Stromverbrauchern vieler Gemeinden. Für die Energie, die heute in der EU für die Klärung des Abwassers benötigt wird, rechnet man im Schnitt 32 kWh/(EW*a) für grosse Abwasserreinigungsanlagen [3]. Das würde im Schnitt der Produktion von zwei grossen Kraftwerken (knapp 16'000 GWh pro Jahr, 1% des Stromverbrauchs der EU) entsprechen. Dabei wäre es durchaus möglich, Kläranlagen so zu planen und zu betreiben, dass sie keinen Strom verbrauchen, sondern stattdessen sogar Energie aus erneuerbaren Quellen ins Stromnetz einspeisen [4]. Rechnet man mit 175 kWh/(EW*a) als theoretisches Energiepotenzial des organischen Materials im Abwasser [4], würde das einem Gesamtenergiepotenzial von etwa 87 500 GWh pro Jahr für die EU entsprechen. Bereits heute versucht man, einen Teil dieser chemischen Energie zu nutzen. Mithilfe anaerober Bakterien kann man aus Klärschlamm Biogas erzeugen, das dann energetisch in Form von Strom und Wärme genutzt werden kann.

Die Kläranlage: auf dem Weg zum Energieproduzenten, aber mit Hürden

Heutzutage könnten theoretisch die meisten Kläranlagen energieneutral arbeiten, oft sprechen allerdings wirtschaftliche Betrachtungen dagegen [5]. Die typische konventionelle Kläranlage besteht aus einer Vorklärung und einer anschliessenden biologischen Stufe zur Elimination von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen sowie einer Nachklärung, um das gereinigte Abwasser vom Klärschlamm zu trennen. Man gewinnt am Ende des gesamten Reinigungsprozesses nur rund 10% des Energiepotenzials (18 kWh/[EW*a]) als elektrische Energie mittels Faulung und anschliessender Kraft-Wärme-Nutzung im Blockheizkraftwerk (BHKW) wieder [6]. Diese gewonnene Energie wird dabei komplett für den Reinigungsprozess selbst verwendet (Belüftung, Rührer, Pumpen, Heizung des Faulturms, …).

Aus umwelttechnischer Sicht sollte für zukünftige Kläranlagenkonzepte genau dieses oben erwähnte energetische Potenzial des Abwassers besser genutzt werden, um so den Einsatz fossiler Energieträger zur Energieproduktion weiter zu reduzieren und damit auch einen Beitrag zur Senkung der Treibhausgasemissionen zu leisten. Nichtsdestotrotz muss die Grundaufgabe jeder Kläranlage, nämlich die Reinigung der Abwässer, trotz energetischer Optimierungen im Vordergrund stehen und darf auf keinen Fall negativ beeinflusst werden.

Projekt «POWERSTEP»

Genau hier setzt das EU-Forschungsprojekt Powerstep an. Durch die richtige Kombination bestehender und innovativer Technologien und die Einbindung von neuen Konzepten soll die «energie-positive» Kläranlage der Zukunft auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden. Dieses Ziel verfolgten 15 europäische Partner, die die Bereiche Industrie, Kläranlagenbetreiber und Wissenschaft abdeckten, im dreijährigen Horizon-2020-EU-Projekt Powerstep mit einem Gesamtbudget von 5,2 Mio. Euro. Die genaue Projektlaufzeit war von Juli 2015 bis Juni 2018. Koordiniert wurde das Vorhaben mit Partnern aus sieben Ländern vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH.

Kläranlage der Zukunft

Wie auf bisherigen Kläranlagen sieht auch das Power­step-Konzept vor, die Energie auf Kläranlagen mittels Faulung des Klärschlamms zu gewinnen. Da jedoch zur Produktion von Biogas der kohlenstoffreiche Primärschlamm am besten geeignet ist, beruht das Konzept von Powerstep auf dem Ansatz anstatt der üblichen 30% bis zu 80% des Kohlenstoffs als Primärschlamm abzuziehen und zu verarbeiten. Neben dem Vorteil mehr Biogas – sprich Energie – zu produzieren, kann auch der Flächenbedarf der Anlage reduziert werden, da die nachfolgende biologische Stufe verkleinert werden kann.

Kombination von bisherigen und innovativen Technologien

Um das neue Konzept zu realisieren, bedarf es weiterer Anpassungen der nachfolgenden Prozesse bei der Abwasserreinigung. Hier kommen die innovativen Ansätze des Projektes ins Spiel: Da nämlich mittels Filtertechnologie in der Vorreinigung bis zu 80% kohlenstoffreicher Schlamm abgetrennt wird, fehlt für die nachfolgende biologische Reinigung zur Entfernung von Stickstoff möglicherweise genau dieser Kohlenstoff als Nahrung für die Bakterien. Es gibt Mikroorganismen, die Stickstoffverbindungen ohne Verbrauch von Kohlenstoff (autotroph) abbauen können.

Diese Anammoxbakterien wandeln den teiloxidierten Stickstoff im Rohabwasser (Ammonium wird vorher zu 50% in Nitrit umgesetzt) in gasförmigen Stickstoff (N2) um. Bei diesem Prozess wird auch weniger Energie für die Belüftung benötigt als über die herkömmliche Nitrifikation-Denitrifikation. Die Technologie im Zusammenhang mit den Anammoxbakterien ist für die Behandlung des stickstoffreichen Prozesswassers nach der Faulung schon etabliert und wird im Rahmen des Powerstep-Projektes erstmals grosstechnisch im Hauptstrom getestet. Die Herausforderung hierbei ergibt sich, da die Stickstoffkonzentration und auch die Temperatur deutlich niedriger als im Prozesswasser nach der Faulung liegt. Mehr Schlamm zur Klärschlammfaulung bedeutet aber auch stickstoffreiches Prozesswasser nach der Entwässerung des Schlammes. Hier wurden innovative Konzepte der Prozesswasseraufbereitung implementiert. Es wurde versucht, den Stickstoff einerseits durch Optimierungskonzepte der Prozesswasseraufbereitung zu entfernen und somit zur Energieoptimierung auf Kläranlagen beizutragen und andererseits durch innovative Membranverfahren, bei denen der entfernte Stickstoff als Stickstoffdünger (Wertstoff) zurückgewonnen wird.

Die aus der Energietechnik bekannten Ansätze Power-to-Gas mittels biologischer Methanisierung und Heat-to-Power durch den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren wurden in Powerstep getestet, um das Gesamtkonzept einer «energie-positiven» Kläranlage zu realisieren. Gerade beim Einsatz von thermoelektrischen Generatoren wurde der innovative Charakter des Projektes klar: Hier müssen nicht nur Fragen des Up-Scaling von Laborversuchen in den grosstechnischen Massstab, sondern auch zum grosstechnischen Bau solcher Elemente beantwortet werden.

Aber wann bzw. wieviel der produzierten Energie soll letztlich ins Netz eingespeist werden, um auch wirtschaftlich den besten Nutzen daraus zu ziehen? Diese Fragen stellen sich immer mehr Betreiber im komplexen Energiemarkt, der durch die grossen Schwankungen bei den Einspeisetarifen ein gezieltes Energiemanagement notwendig macht. Auch auf diese Frage wurden im Projekt mithilfe eines professionellen Partners aus der Energiewirtschaft Antworten gegeben, indem man verschiedene Regel- und Vermarktungsstrategien entwickelt und an einer grosstechnischen Anlage im realen Betrieb getestet hatte.

Funktioniert das Konzept in der Praxis?

Diese Frage der praktischen Umsetzung werden möglicherweise Skeptiker und Konservative der Branche stellen. Europaweit einzigartig ist nämlich gerade auch die Prüfung dieses Konzeptes anhand von realen Fallstudien (case studies) in Form von grosstechnischen Demonstrationsanlagen auf sechs Kläranlagen Europas. Dort wurden die verschiedenen Technologien getestet, die für die Umsetzung des Powerstep-Konzeptes notwendig waren. Dabei wurde überprüft, ob diese grosstechnisch auch das halten, was sie wissenschaftlich oder im Pilotmassstab versprochen haben. Die nachfolgende Tabelle  gibt einen Überblick über die Anlagen und die Implementierung der Technologien im Grossmassstab sowie die verantwortlichen Projektpartner.

Kläranlage
Partner
Ziel der Case Study
Westewitz (2000 EW) Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH Einsatz von Mikrosiebung in der Vorklärung zur Kohlenstoffextraktion
Sjölunda (550'000 EW) Veolia Water Technology Einsatz von Anammox MBBR zur Stickstoffelimination
im Hauptstrom
Avedore (350'000 EW) BIOFOS Einsatz einer biologischen Methanisierung zur Umwandlung von CO2 in Methan
Braunschweig (325'000 EW) Fraunhofer IPM Einsatz von thermoelektrischen Generatoren zur Umwandlung
der Blockheizkraftwerkwärme in Strom
Kirchbichl (100'000 EW) Technische Universität Wien Einsatz der Nitration zur Stickstoffelimination im Seitenstrom
Altenrhein (120'000 EW) Eawag Einsatz von Ammoniumstrippung mittels Membranen zur
Stickstoffelimination im Seitenstrom
Die sechs Kläranlagen in Deutschland, Dänemark, Schweden, Österreich und der Schweiz, auf denen die unterschiedlichen Technologien grosstechnisch realisiert und auf ihre Belastbarkeit getestet wurden.
Welchen ökologischen und ökonomischen Vorteil bringt die Kläranlage der Zukunft?

Aber nicht nur die technische Realisierung der neuen Konzepte wurde in Powerstep gezeigt, sondern auch deren ökologische und ökonomische Bewertung wurde im Rahmen des Projektes genau betrachtet. Das Konzept der «energie-positiven» Kläranlage bliebe nur ein Konzept, wenn es wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig wäre. Mittels umfassender Ökobilanzen (Life-Circle-Assessment) und wirtschaftlichen Berechnungen sollte bewiesen werden, dass die Umsetzungen leistbar sind und auch klimarelevante Vorteile mit sich bringen, ohne die Grundaufgabe der Abwasserreinigung negativ zu beeinflussen.

Schlussfolgerungen

«100 Jahre konventionelle Abwasserreinigung sind genug», sagen schon heute Visionäre wie der bekannte Professor Willy Verstraete aus Gent, und er hat recht. Das Powerstep-Projektteam konnte in seinem dreijährigen Projekt basierend auf realen Daten aus den Case Studies zeigen, dass es ab einer bestimmten Grössenklasse mit heutigen Technologien möglich ist, «energie-neutral» und auch «energie-positiv» zu werden und das natürlich unter der obersten Prämisse einer Kläranlage, die Einhaltung der vorgeschriebenen Grenzwerte.

Des Weitern konnte gezeigt werden, dass diese Kläranlagen (500'000 EW) durch den Einsatz neuer innovativer Technologien (Stichwort «Anammox») anstelle des herkömmlichen Belebtschlammverfahrens, unter der Prämisse die gesetzlichen Abwassergrenzwerte einzuhalten (in diesem Fall einem Gesamtstickstoffablaufwert von 10 mg/l), einen noch grösseren Beitrag als «Kraftwerk» für die Kommune leisten werden und in Zukunft die Kläranlagen von heute nicht mehr «wastewater treatment plants», sondern «resource recovery plants» genannt werden können. Denn nicht nur das Thema Energie ist eines, das die Kläranlagencommunity in Angriff nimmt, sondern auch das Rückgewinnen von Nährstoffen wie Stickstoff oder Phosphor wird zunehmend ein immer grösseres Themengebiet der Kläranlagenbetreiber.

Bibliographie
[1] Europäische Kommission (2015): State of the Energy Union
[2] Seibert-Erling, G. (2015): Energiewende bringt Licht und Schatten für Kläranlagen (Teil 1). Wasserwirtschaft, Wassertechnik (wwt), 10/15, 27–31
[3] DWA (2013): 25th Benchmarking of German wastewater treatment plants
[4] Geiss, P. (2015): Vom Kraftwerk zum Klärkraftwerk – Maschinen- und steuerungstechnische Modernisierung optmiert Kläranlagenbetrieb und Energiebilanz. Wasserwirtschaft, Wassertechnik (wwt), 3/15, 31–33
[5] Heidrich, E. S. et al. (2010): Determination of the Internal Chemical Energy of Wastewater. Environmental Science & Technology 45 (2), 827–832
[6] Remy, C.; Boulestreau, M. and Lesjean, B. (2014): Proof of concept for a new energy-positive wastewater treatment scheme. Water Science and Technology 70 (10), 1709–1716

 

Powerstep

Powerstep ist ein von der EU gefördertes Forschungunsprojekt im Rahmen von «HORIZON 2020» (Nr. 641661, Dauer: 1. Juli 2015 bis 30. Juni 2018).

www.powerstep.eu

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