Abwasser als Energiequelle Energie aus Abwasser: So wird das Klärwerk zum Kraftwerk

So soll Abwasser zur Energiequelle werden – Klärwerke quasi in ein Kraftwerk umzubauen, ohne dabei die Reinigungsleistung zu verschlechtern – das ist in einem Satz das Ziel des von der EU geförderten Projektes „Powerstep“. Doch kann das Klärwerk der Zukunft wirklich sozusagen im Nebenjob zur Energiewende beitragen?

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Europaweit „verbrauchen“ Abwasserreinigungsanlagen rund 1 % des gesamten Strombedarfs – Kläranlagen belasten kommunale wie industrielle Betreiber durch hohe Betriebskosten. Das muss aber nicht sein: Tatsächlich steckt im Abwasser, genauer in den organischen Anteilen, ein chemisches Energiepotenzial von sagenhaften 87 000 GWh – entsprechend dem Energie-Output von zwölf Kraftwerken.

„Energie-positive“ Kläranlagen müssen her: Mit diesem Ziel wurden im Rahmen des Powerstep-Projektes Technologien zur Abwasserreinigung kombiniert (z.B. Biogasproduktion oder Biogasaufbereitung). Das Ziel: Aufzuzeigen, dass durch die Nutzung von Biomasse als erneuerbare Energiequelle auch die Abwasserreinigung als Ganzes optimiert werden kann.

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Eine typische konventionelle Kläranlage besteht aus einer Vorklärung und einer anschließenden biologischen Stufe zur Elimination von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen. Dabei gewinnt man 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 wieder. Diese Energie wird komplett für den Reinigungsprozess selbst etwa für die Belüftung, Rührer, Pumpen oder Heizung verwendet.

So viel Energie steckt im Abwasser

Dabei steckt in den enthaltenen organischen Stoffen so viel chemische Energie, dass sich damit die bisher in der Abwasserbehandlung benötigte Energiemenge kompensieren und sogar noch ein Überschuss erzeugen ließe. Allerdings wird dieses Potenzial nur in geringem Umfang genutzt, arbeiten doch moderne Klärwerke mit dem energieintensiven Belebtschlammverfahren: Abwasserschadstoffe werden unter Sauerstoffzufuhr durch Mikroorganismen zu Kohlendioxid oxidiert und unschädlich gemacht.

Das ist zwar sauber, allerdings geht dabei auch das Energiepotenzial des Abwassers fast komplett verloren. In Europa werden für diesen Prozess jährlich insgesamt rund 1600 GWh Strom aufgewendet. Das ist immerhin die Jahresenergieproduktion von zwei großen Kraftwerken mit 1000 MW Leistung.

Aus umwelttechnischer Sicht sollte für zukünftige Kläranlagenkonzepte das energetische Potenzial des Abwassers genutzt werden, um die Nutzung fossiler Energieträger weiter zu reduzieren. Nichtsdestotrotz muss die Grundaufgabe jeder Kläranlage – die Reinigung der Abwässer – im Vordergrund stehen und darf keineswegs negativ beeinflusst werden.

Energiefressern auf der Spur

Nach dreijähriger Forschungsarbeit und Praxisuntersuchungen unter der Leitung des Kompetenzzentrums Wasser Berlin präsentierte das Projekt „Powerstep“ gemeinsam mit 15 europäischen Partnern aus Forschung und Industrie seine Ergebnisse im Mai 2018. Und erste Erfolge ließen nicht lange auf sich warten:

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So wurden auf der Kläranlage im sächsischen Westewitz Bakterien quasi auf Diät gesetzt, indem man im Zulauf der Kläranlage über ein Trommelsieb Schmutzstoffe und damit Kohlenstoff mechanisch herausfiltert. Dadurch kann durch den geringeren Verschmutzungsgrad des Abwassers Energie gespart und gleichzeitig der abgezogene energiereiche Primärschlamm zur Klärgasgewinnung in einen Faulturm geleitet werden.

Die Herausforderung besteht darin, das System so einzustellen, dass die Bakterien trotzdem ihre Arbeit erledigen und das Abwasser den Anforderungen entsprechend reinigen. Über 18 Monate wurde das Filtrationsverfahren für Rohabwasser großtechnisch getestet. Die eingesetzten Trommelsiebe konnten mit geringem Wartungsaufwand stabil betrieben werden und filtern bis zu 80 % der organischen Fracht ab. Nach der Testphase wurde der Betrieb in Westewitz komplett auf dieses Verfahren umgestellt. So erzeugt das Klärwerk mehr Energie, als für den Betrieb benötigt wird.

In Sjölunda/Schweden wurde ein neuartiges Verfahren zur Entfernung von Stickstoff (Pilotbetrieb eines Anammox-Reaktors – anaerobe Ammoniumoxidation – mit vorgeschalteter Mikrosiebung) getestet. Dabei wird im Gegensatz zum klassischen Klärwerk keine Kohlenstoffquelle benötigt. Im Großversuch wurden zweistufige und einstufige Konzepte des Prozesses erprobt und unter schwierigen Bedingungen wie geringer Temperatur und verdünntem Abwasser optimiert.

In Avedore/Dänemark wurde ein biologisches Verfahren zur Umwandlung von CO₂ realisiert. Mit einem 600 kW-Elektrolyseur wird Wasserstoff erzeugt, der von speziellen Bakterien mit CO₂ zu Me­than umgesetzt wird. Mit diesem Power-to-Gas-Verfahren können Kläranlagen dazu genutzt werden, überschüssigen Windstrom in Form von Methan zu speichern.

So wird das Klärwerk zum Kraftwerk

Auch in Niedersachsen laufen Powerstep-Versuche: So wurde in Braunschweig zur Steigerung der Energieeffizienz ein Blockheizkraftwerk der Kläranlage mit einer innovativen Technologie zur Umwandlung von Abwärme ausgerüstet. Die Anlage arbeitet derzeit wegen des hohen Preises der genutzten thermoelektrischen Elemente noch nicht wirtschaftlich. Es wird aber damit gerechnet, dass sich dies in Zukunft ändern wird. Mit einem Modell wurde simuliert, wie eine Kläranlage in den flexiblen Energiemarkt der Zukunft integriert werden kann, um schwankende Strompreise und 38733 optimal zu nutzen und die Energiekosten zu senken.

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Ein bestehendes zweistufiges Belebungsverfahren im österreichischen Kirchbichl wurde mit einer Erweiterung zur Behandlung stickstoffhaltiger Schlammwässer ausgerüstet. Durch die Behandlung im Nebenstrom wird Energie gespart, und das gesamte Verfahren kann effizienter betrieben werden. Der Betreiber übernimmt das erfolgreich getestete Verfahren direkt in den regulären Betrieb.

Kommt die Energieneutrale Kläranlage?

In Altenrhein und Yverdon/Schweiz wird per Membran-Stripping Stickstoff aus dem Abwasser als Flüssigdünger zurückgewonnen und kann direkt in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Das Verfahren wurde vom Betreiber übernommen und soll zukünftig weiter eingesetzt werden. Da es zu niedrigeren Treibhausgas-Emissionen in Kläranlagen führt, kann zur Finanzierung weiterer Anlagen ein Klimaschutzprogramm der Schweiz genutzt werden.

Theoretisch könnten die meisten Kläranlagen zumindest energieneutral arbeiten, oft sprechen allerdings wirtschaftliche Betrachtungen dagegen. Untersuchungen haben gezeigt, dass im Abwasser enthaltene Energiepotenziale umfangreicher als bisher mit schon heute verfügbaren Technologien genutzt werden können. Mit diesen Erkenntnissen können Kläranlagen vom Energievernichter zum Energieproduzenten umgestaltet werden.

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