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Abwasseranlagen/Energieffizienz Energiefresser Kläranlage: Sind Effizienz und Reinigungsleistung ein Gegensatz?

| Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Es ist bekannt, dass Kläranlagen zu den größten kommunalen Stromverbrauchern zählen und ein großes Einsparpotenzial aufweisen. Ein aktueller UBA-Bericht (Texte 06/2020) wird da sehr konkret. Und überrascht mit interessanten Erkenntnissen.

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Mit der Version Hyperclassic Evolution 7 steht die siebte und verbesserte Version des klassischen Hyperboloid-Rührwerks zur Verfügung.
Mit der Version Hyperclassic Evolution 7 steht die siebte und verbesserte Version des klassischen Hyperboloid-Rührwerks zur Verfügung.
(Bild: Invent)

Eine Studie des UBA, die eine systematische Erhebung der Ist-Situation hinsichtlich des Stromaufwands in Kläranlagen enthielt und Zielwerte für die Energieeffizienz in Abwasseranlagen vorschlug, wurde 2008 veröffentlicht. Zur Umsetzung des identifizierten Optimierungspotenzials wurde daraufhin im Rahmen des Umweltinnovationsprogramms der Förderschwerpunkt „Energieeffiziente Abwasseranlagen“ initiiert. Nun liegt ein Bericht zu den Ergebnissen vor.

Demnach haben die geförderten Projekte gezeigt, dass Stromeinsparungen in der Größenordnung von zehn bis 20 % möglich sind und die Einwohner-spezifische Stromerzeugung aus Faulgas sogar im Mittel um 45 % gesteigert werden konnte, ohne dass es zu Verschlechterungen der Reinigungsleistung kam. Die Stromeinsparungen wurden vor allem im Bereich der Maschinentechnik und Prozess-Steuerung der biologischen Reinigungsstufe erzielt.

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Interessant dabei: Maßgeblich für die Effizienzsteigerung waren weniger der Einsatz völlig neuer Technologien, als vielmehr die Optimierung und innovative Kombination bekannter und neuartiger Verfahren mit Blick auf Energieeffizienz und Ressourcenschutz.

Einsatz effizienter Maschinentechnik in der Abwasserbehandlung

Bei fast allen Projekten wurden im Zuge der Optimierungsmaßnahmen verschiedene Aggregate durch energieeffizientere Module ersetzt, die neben der verfahrenstechnischen Optimierung zu einem zusätzlichen Effizienzgewinn beitragen. Dies bezieht sich zum einen auf Stromverbraucher (z.B. Belüfter, Gebläse, Pumpen, etc.), zum anderen aber auch auf Stromerzeuger (BHKW), sodass sowohl der Stromverbrauch zusätzlich reduziert, als auch die Stromerzeugung weiter erhöht wurde.

Sofern Veränderungen im Bereich der Maschinentechnik ohne Änderung der Bauwerke umgesetzt werden können, ist dies normalerweise mit relativ geringem Aufwand möglich und umso wirtschaftlicher, je älter die vorhandenen Aggregate sind. Grundsätzlich liegt hier ein hohes Potenzial vor, wobei die anfänglich hohen Einsparungen beim Einsatz neuer, energieeffizienter Anlagenteile nach einer bestimmten Nutzungsdauer durch den Verschleiß bzw. die Alterung möglicherweise wieder zurückgehen.

Einmal gespart, und dann? Nicht jede Maßnahme fruchtet

Dieser verschleißbedingte Rückgang der Effizienz scheint bei manchen energiesparenden Belüfterelementen und Pumpenlaufrädern besonders stark ausgeprägt zu sein und ist möglicherweise eine der Ursachen, warum sich einmalige, hohe Einsparungen bei einzelnen Kläranlagen bei Betrachtung längerer Zeitreihen nicht zu einer entsprechend hohen Gesamteinsparung bei allen Kläranlagen addieren.

Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf, da der zeitliche Verlauf und das Ausmaß des Verlusts an Energieeffizienz nur in Einzelfällen beschrieben wurde, aber nicht statistisch abgesichert ist. Dagegen ist der Effizienzverlust durch Verschleiß bei BHKW deutlich weniger ausgeprägt, sodass sich dort Effizienzgewinne nachhaltiger auswirken.

Gehört auf die Liste: Optimierung der Steuerung

Die Optimierung der Steuerung war in vielen Projekten eine Begleitmaßnahme im Zuge der Erneuerung der Maschinen- und Verfahrenstechnik. Für einen optimalen Effekt ist wichtig, dass die Kläranlage dabei in ihrer Gesamtheit betrachtet wird, da viele Rückkoppelungen zwischen den einzelnen Anlagenteilen bestehen.

Wenn die allgemein anerkannten Regeln der Technik bereits vor den Optimierungsmaßnahmen umgesetzt waren, ist das zusätzliche Einsparpotenzial durch verstärkten Einsatz von Steuerungs- und Regelungstechnik eher gering. Allerdings können oft durch Anpassung veralteter Einstellungen an die aktuelle Betriebsweise Einsparungen erzielt werden.

Praxis-Beispiel 1: Sparsame Rührwerke

Was haben Shanghai, New York und Erlangen gemeinsam? Die Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik hat die Kläranlagen aller drei Städte mit modernster Technik ausgerüstet – wie in den letzten 20 Jahren in mehr als 8000 Kommunen und Industriebetrieben weltweit. Es ist vor allem die Energieeffizienz, mit der das Unternehmen punktet.

Beispielsweise beim Rührwerk: Benötigte man Anfang der 1990er-Jahre noch sechs bis sieben Watt Rührleistung pro Kubikmeter Wasser, sind Aggregate von Invent aus glasfaserverstärktem Kunststoff statt teurem Edelstahl leicht, flexibel einsetzbar und korrosionsbeständig und benötigen in den von ihr ausgestatteten Abwasseranlagen nur noch eine Leistung von ein bis zwei Watt pro Kubikmeter.

Die Generation 7, seit zwei Jahren im Einsatz, sei um 30 % effizienter und sparsamer als das bisherige beste Rührwerk der Welt, die Generation 6, so der Anbieter. Statt vorher einteilig, werden die neuesten Rührwerke aus acht Einzelteilen produziert, die Rippe wurde entgegen der Strömungsrichtung konstruiert.

Auf das Rührwerk kommt es an

Bei einer Kläranlage ist es wichtig, dass der Beckeninhalt sicher umgewälzt wird und sich am Boden kein Schlamm absetzt. Das neue Invent-Rührwerk befindet sich zentrisch in der Mitte des Beckens und ist der natürlichen Strömung nachempfunden – laut Invent ein radikaler Ansatz, der heute Standard in der Wasser- und Abwasserreinigung sei.

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Und auch bei der Belüftung – in den Klärbecken ist eine bestimmte Sauerstoffkonzentration notwendig – wirken sich die Entwicklungen der Erlanger Experten aus. So befindet sich beim Regelsystem von Invent die Messsonde in einer Haube über statt im Wasser, misst also den Sauerstoffgehalt in der Abluft statt im Becken. Das liefert bei den Sauerstoff- und Kohlendioxid-Analysen erheblich genauere Daten. Ergebnis: 30 Prozent weniger Energieaufwand durch eine feinere Dosierung der Sauerstoffzugabe.

Praxis-Beispiel 2: Lastwechsel beherrschen

60 bis 80 % des Gesamtenergiebedarfs einer Kläranlage fallen im Bereich der biologischen Belüftung an. Somit bietet die Belüftung das größte Einsparpotenzial, gleichzeitig ergeben sich hier die größten Herausforderungen. Starke Schwankungen innerhalb der Lastgänge und wechselnde Verschmutzungsgrade je nach Region, Tages- bzw. Jahreszeit oder Niederschlagsmenge sorgen für den unterschiedlichsten Versorgungsbedarf. Mit der maßgeschneiderten Maschinenkonfiguration Performance 3 hat Aerzen eine flexible Gebläselösung für die Sauerstoffversorgung entwickelt: Ein Produktportfolio bestehend aus dem Drehkolbengebläse Delta Blower, dem Drehkolbenverdichter Delta Hybrid und dem Turbogebläse Aerzen Turbo.

Jede Technologie hat Stärken, gleichzeitig aber auch physikalische Grenzen. So zeichnen sich Turbogebläse durch eine unschlagbare Energieeffizienz im Auslegungspunkt aus. Gleichzeitig ist der Regelbereich von Turbomaschinen auf 40 bis 100 % begrenzt und die Effizienz lässt im Teillastbetrieb nach. Dies wiederum ist die Stärke von Drehkolbenmaschinen, die sich mit einer Regelbarkeit von 25 bis 100 % und einer nahezu gleichbleibenden Effizienz auch im Teillastbetrieb auszeichnen. Aerzen geht davon aus, dass mit Performance 3 Einsparungen von bis zu 30 % möglich sind.

Effizient und Sauber? Das geht!

Effizienz ist auch in der Kläranlage kein Hexenwerk. Ein interessantes Ergebnis ist im UBA-Bericht diese Erkenntnis: Häufig wird in Fachveranstaltungen zur Optimierung von Kläranlagen betont, dass Energieoptimierung Nachrang haben müsse gegenüber einer sicheren Einhaltung der Ablauf-Grenzwerte von Kläranlagen – damit wird implizit ein Interessenskonflikt unterstellt.

Tatsächlich hat sich im Messprogramm dieses Förderschwerpunktes herausgestellt, dass eine verfahrenstechnisch orientierte Energieoptimierung in der Regel geringfügige bis deutliche Verbesserungen der Reinigungsleistung bewirkt, besonders bei der Stickstoffelimination. Bei keinem Projekt wurde eine Verschlechterung der Reinigungsleistung festgestellt!

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