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Wasserwirtschaft Wasser & Energie sparen? Yes we can!

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann* / Wolfgang Ernhofer

Auch ambitionierte Effizienzpotenziale sind erreichbar, wie das Projekt Erwas zeigt. Beispielsweise Energieeinsparungen in der Wasserverteilung um mehr als ein Drittel. Mit einem gezielten Wassermanagement können Chemieunternehmen wie auch Bergbauunternehmen wertvolle Ressourcen einsparen.

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Zur Erzaufbereitung ist viel Wasser erforderlich. Mittels Digitalisierung und smarter Software sind bedeutende Einsparungen möglich.
Zur Erzaufbereitung ist viel Wasser erforderlich. Mittels Digitalisierung und smarter Software sind bedeutende Einsparungen möglich.
(Bild: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf / Detlev Müller)

Von zu optimistischen Prognosen ist ja immer wieder zu hören. So sank der mittlere Stromverbrauch von Kläranlagen mit einer Ausbaugröße von über 2000 Einwohnergleichwerten von 4,2 TWh im Jahr 2006 auf rund 3,8 TWh im Jahr 2016, also um knapp zehn Prozent. Ist ja im Grunde erfreulich – theoretisch wurden aber 25 Prozent und mehr vorausgesagt. Wie ist diese Abweichung zu erklären, wie das optimistische Ziel zu erreichen?

Das vom Bund unterstützte Projekt Erwas (Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft) sollte dies klären. Ergebnisse liegen nun sowohl für die Wasserversorgung wie auch für den Abwassersektor vor. Der beste Lösungsansatz lautet demnach: Man verbinde die oft isolierten Entwicklungen in beiden Fachgebieten der Wasserwirtschaft miteinander und verknüpfe zudem die Bereiche Wasser und Energie sowie die sonstigen Ressourcen.

Perspektive 1: Wasserwirtschaft als Partner der Energiewirtschaft

Regenerative Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik unterliegen großen tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Die Energiesysteme der Zukunft müssen erheblich flexibler auf diese Fluktuation bei der Bereitstellung und Nutzung von Energie reagieren können. Wasserwirtschaftliche Anlagen können in diesem Transformationsprozess einen wichtigen Beitrag leisten – durch systemstützendes Zu- und Abschalten von Stromverbrauchern (Lasten), Zu- und Abschaltung von Stromerzeugern oder auch durch bedarfsorientierte Faulgasbereitstellung und Faulgasverwertung. Das sei ohne großen technischen Aufwand unter Gewährleistung der erforderlichen Reinigungsleistung von Kläranlagen möglich, heißt es.

Perspektive 2: Mehr Effizienz durch Modellierung und Simulation

Instrumente zur Modellierung und Simulation ermöglichen eine virtuelle und damit risikofreie Erprobung von Maßnahmen wie zum Beispiel die Druckzonenoptimierung und Netzentkoppelung. Dadurch sind Stromeinsparungen von zehn bis 15 Prozent und in Einzelfällen sogar bis über 60 Prozent möglich. Die Systeme verfügen über grafische Benutzeroberflächen, um z.B. Anlagen-Fahrpläne und Energiekosten zu visualisieren.

Perspektive 3: Kläranlagen zu Kraftwerken machen

Anders als in herkömmlichen Brennstoffzellen – die chemische Energie, meist Wasserstoff, in Strom umwandeln – erzeugen Bio-Brennstoffzellen Mikroorganismen elektrische Energie direkt aus organischen Stoffen. Dadurch findet nicht nur eine Teilreinigung des Abwassers statt, sie wandeln auch gleichzeitig die darin enthaltene chemische Energie in Strom um. Aufgrund dieser Fähigkeit lassen sich Bio-Brennstoffzellen auch einsetzen, um Stromschwankungen im Netz durch die Bereitstellung von Regelenergie entgegen zu wirken. Als Bestandteil von intelligenten dezentralen Systemen unterstützen sie damit die Nutzung regenerativer Energien.

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In den nachgeschalteten Stufen der Abwasserreinigung kann dadurch der Energieaufwand z.B. für die Sauerstoffversorgung der biologischen Prozesse deutlich verringert werden. Mithilfe einer Variante, den mikrobiellen Elektrolysezellen, lassen sich außerdem Wasserstoff und darauf basierend in Nachfolgeprozessen z.B. Methanol als flüssiger Energiespeicher und Ausgangssubstanz für die chemische Industrie erzeugen (Power-to-Products).

Wasser-Management in der chemischen Industrie

Evonik setzt Wasser vor allem zu Kühlzwecken und als Prozesswasser in der Produktion, zur Dampferzeugung in den Kraftwerken und für sanitäre Zwecke ein. Um Frischwasser zu sparen, hat das Unternehmen u.a. Wasserverbundsysteme mit verschiedenen abgestuften Wasserqualitäten eingerichtet. Beispielsweise wird Wasser, das nicht mehr für Kühlzwecke geeignet ist, als Waschwasser für Filterspülungen oder Industriereinigungen genutzt. Darüber hinaus wird die Verdunstungsmenge der Kühlkreisläufe vielfach durch Kondensat oder genutztes Trinkwasser ausgeglichen.

Für das Management der Industrieabwässer gilt bei Evonik das Grundprinzip: ‚Vermeiden vor Verwerten vor Beseitigen‘. Daher wird bereits bei der Planung neuer Produktionsanlagen der Einsatz abwasserfreier bzw. abwasserarmer Verfahren geprüft.

Digital überwachter Wasser- und Energieverbrauch im Bergbau

Wie der Wassereinsatz zur Aufbereitung von mineralischen Erzen optimiert werden kann, zeigt das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf am Beispiel des Rohstoffs Fluorit (dient in der Chemie als Rohstoff für Fluor und Flusssäure). Dort wurde ein Verfahren entwickelt, das die Simulation des Aufbereitungsprozesses erweitert. Dieses zeigt an, wo sich Wasser sinnvoll mehrfach einsetzen lässt, ohne dass es bei der Erzanreicherung zu Verlusten kommt. Der Verbrauch an Frischwasser lässt sich damit deutlich verringern.

In der Bergbauindustrie wird die Simulationssoftware HSC Sim eingesetzt, um unterschiedlich zusammengesetzte Erzströme abzubilden und Aufbereitungsprozesse zu steuern. Mit der im HZDR entwickelten Ergänzung kann die Software nun auch die Zusammensetzung des Prozesswassers einbeziehen. Dadurch ist es möglich, das eingesetzte Wasser wiederzuverwenden, ohne die Effizienz der Aufbereitung zu beeinträchtigen. Auch ein optimaler Einsatz verschiedener Wasserreservoirs nahe der Mine, wie Seen, Flüsse, Grund- oder Meerwasser, ist mithilfe der Simulation denkbar. Weitere Prozessschritte, z.B. das Aufmahlen und die Entwässerung des Erzes, sollen künftig integriert werden. Im Idealfall könnte der Wasserverbrauch dann von bisher 4000 Liter pro Tonne Erz auf unter 1000 sinken.

Ergebnis: Mittels Echtzeit-Überwachung und intelligenter Prozesssimulation ist es möglich, mit einem geringeren Energie- und Materialeinsatz mehr Rohstoff zu gewinnen. In einem Bergbaubetrieb wollen die Forscher das neue Verfahren demnächst dem Praxistest unterziehen.

Wasser ist Energie

Wasserkraft ist derzeit weltweit die wichtigste Quelle für Strom aus erneuerbaren Energien. Sie ist grundlastfähig und unterliegt, anders als Windkraft und Photovoltaik, nicht so stark den Witterungseinflüssen. EnBW setzt schon lange auf diese Form der klimafreundlichen Energieerzeugung und hat einen bundesweit überdurchschnittlichen Anteil an Wasserkraft in ihrem Energiemix.

Insgesamt betreibt und unterhält die EnBW derzeit 67 Laufwasser- und Pumpspeicherkraftwerke in Baden-Württemberg. Hinzu kommen zahlreiche Beteiligungen und Verträge zum Strombezug auch außerhalb des Heimatmarktes.

Heute gibt es in Deutschland kaum noch Standorte für neue große Wasserkraftwerke. Um dennoch die Produktion zu erhöhen, ersetzt, erweitert und modernisiert das Unternehmen seine bestehenden Anlagen. In Rheinfelden hat 2011 ein neues Kraftwerk mit der vierfachen Leistung die alte Anlage ersetzt, und das Rheinkraftwerk Iffezheim wurde mit dem Zubau einer fünften Turbine zum größten Laufwasserkraftwerk in Deutschland.

Wasserpumpkraftwerke erfüllen damit eine wichtige Rolle im Energiesystem, das sagt auch Vattenfall. Durch die Kombination von Wasserpumpanlagen mit Solarkraftwerken und Windturbinen können gleichzeitig die Versorgungssicherheit gewährleistet und unabhängig von den Witterungsbedingungen eine gleichbleibende Strommenge erzeugt werden. In dieser Kombination werden die Wasserkraftanlagen zum Nettoenergieerzeuger.

Fazit: Über Erwas wurde in praxisnahen Forschungsvorhaben untermauert, dass die ursprünglich prognostizierten Effizienzpotenziale für den Energie- bzw. Ressourcenaufwand erreicht werden können. Und Forscher des HZDR zeigen, wie es mittels Echtzeit-Überwachung und intelligenter Prozesssimulation möglich ist, bei einem geringeren Energie- und Materialeinsatz mehr Rohstoff zu gewinnen. Nicht zuletzt zeigen die Betreiber von Wasserkraftanlagen, dass eine alte Technologie nach wie vor Optimierungspotenziale bietet. Wasser & Energie sparen? Yes we can!

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