Wasser und Energie
Projekt POWERSTEP – die Kläranlage als Kraftwerk

02.07.2019 Ein internationales Forschungsprojekt gibt Einblicke in den Weg, Kläranlagen zu Energielieferanten zu machen. Die energie-positive Kläranlage soll wirtschaftlich werden.

Herkömmliches Prinzip einer konventionellen Kläranlage mit Vorreinigung, biologischer Stufe, Nachklärung und Faulung.
© Foto: Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbh
Herkömmliches Prinzip einer konventionellen Kläranlage mit Vorreinigung, biologischer Stufe, Nachklärung und Faulung.

Weltwirtschaftlich eine starke Rolle zu spielen, bedeutet für die Europäische Union ein Hin- und Hergerissen-Sein 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.

POWERSTEP-Konzept mit dem Ziel die energie-positive Kläranlage der Zukunft zu entwickeln. © Foto: Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbh
POWERSTEP-Konzept mit dem Ziel die energie-positive Kläranlage der Zukunft zu entwickeln.

Erneuerbare Energien sorgen für die Nachhaltigkeit des Energiesektors

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 Energie sollten dafür in Betracht gezogen werden, wie z. B. 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. Mit Hilfe 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 (Bild 1) 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 unserer Abwässer, trotz energetischer Optimierungen im Vordergrund stehen und darf auf keinen Fall negativ beeinflusst werden.

Was steckt hinter dem EU geförderten Projekt „POWERSTEP“

Genau hier hat das inzwischen abgeschlossene EU-Forschungsprojekt POWERSTEP angesetzt. Ziel war es, durch die richtige Kombination bestehender und innovativer Technologien und die Einbindung von neuen Konzepten die „energie-positive“ Kläranlage der Zukunft auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. 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. €. Die genaue Projektlaufzeit war von Juli 2015 bis Juni 2018. Koordiniert wurde das Vorhaben mit Partnern aus sieben Ländern vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH.

Was ist der Unterschied zu bisher?

In Bild 2 ist der neue Ansatz des POWERSTEP-Konzeptes veranschaulicht. In beiden Konzepten (im bisherigen aber auch im neuen) wird die Energie auf Kläranlagen mittels Faulung des Klärschlamms gewonnen. 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.

Installation der Anammox-Reaktoren auf einer Anlage für 550.000 EW in Schweden zur Hauptstrombehandlung © Foto: Electrochaea GmbH
Installation der Anammox-Reaktoren auf einer Anlage für 550.000 EW in Schweden zur Hauptstrombehandlung

Das Geheimnis: Bisherige mit innovativen Technologien kombinieren

Um das neue Konzept zu realisieren, bedarf es auch weiteren Anpassungen der nachfolgenden Prozesse bei der Abwasserreinigung. Hier kommen die innovativen Ansätze des Projekts 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.

Größte Power-to-Gas-Anlage für 350.000 EW in Dänemark © Foto: Electrochaea GmbH
Größte Power-to-Gas-Anlage für 350.000 EW in Dänemark

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 wurde im Rahmen des POWERSTEP-Projekts erstmals großtechnisch im Hauptstrom getestet. Eine Herausforderung war hierbei, dass die Stickstoffkonzentration und auch die Temperatur deutlich niedriger als im Prozesswasser nach der Faulung liegen. Mehr Schlamm zur Klärschlammfaulung bedeutet aber auch stickstoffreiches Prozesswasser nach der Entwässerung des Schlamms. 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. Darüber hinaus wurden innovative Membranverfahren eingestzt, bei denen der entfernte Stickstoff als Stickstoffdünger (Wertstoff) zurückgewonnen wird.

Die aus der Energietechnik bekannten Ansätze „power-to-gas“ mittels biologischer Methanisierung (Bild 4) 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 Projekts 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 mit Hilfe eines professionellen Partners aus der Energiewirtschaft Antworten gegeben, indem man verschiedene Regel- und Vermarktungsstrategien entwickelt und auch an einer großtechnischen Anlage im realen Betrieb getestet hatte.

Strombilanz von Kläranlagen (500.000 EW) mit unterschiedlichen Vorreinigungen und einer herkömmlichen Belebung. © Foto: Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbh
Strombilanz von Kläranlagen (500.000 EW) mit unterschiedlichen Vorreinigungen und einer herkömmlichen Belebung.

Strombilanz von Kläranlagen (500.000 EW) mit unterschiedlichen Vorreinigungen und dem innovativen Verfahren Anammox im Hauptstrom. © Foto: Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbh
Strombilanz von Kläranlagen (500.000 EW) mit unterschiedlichen Vorreinigungen und dem innovativen Verfahren Anammox im Hauptstrom.

Funktioniert das Konzept auch 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 Konzepts anhand von realen Fallstudien (case studies) in Form von großtechnischen Demonstrationsanlagen auf sechs Kläranlagen Europas. Hier wurden die verschiedenen Technologien getestet, die für die Umsetzung des POWERSTEP-Konzepts notwendig waren. Dabei wurde überprüft, ob diese großtechnisch auch das halten, was sie wissenschaftlich oder im Pilotmaßstab versprochen haben. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Anlagen und die Implementierung der Technologien im Großmaßstab sowie die verantwortlichen Projektpartner.

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 Projekts 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.

Sind unsere heutigen Kläranlagen Kraftwerke der Zukunft?

„100 Jahre konventionelle Abwasserreinigung ist genug“, sagen schon heute Visionäre wie der bekannte Professor Willy Verstraete aus Gent, und er hat Recht. Das POWERSTEP-Projektteam konnte in seinem 3-jährigen 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-positive“ zu werden und das natürlich unter der Prämisse, die vorgeschriebenen Grenzwerte wie in Bild 5 dargestellt, einzuhalten.

Des weiteren konnte gezeigt werden (Bild 6), dass diese Kläranlagen (500.000EW) durch den Einsatz neuer Technologien (Stichwort Anammox im Hauptstrom) anstelle des herkömmlichen Belebtschlammverfahrens, unter Einhaltung der gesetzlichen Abwassergrenzwerte (in diesem Fall einem Gesamtstickstoffablaufwert von 10 mg/l), einen noch größeren Beitrag als „Kraftwerk“ für die Kommune leisten werden. Damit dürften in Zukunft die Kläranlagen von heute nicht mehr „wastewater treatment plants“, sondern „resource recovery plants“ genannt werden. 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.

 

Literatur

  1. Europäische Kommission: State of the Energy Union 2015
  2. Seibert-Erling, G. (2015): Energiewende bringt Licht- und Schatten für Kläranlagen (Teil 1). In: wwt wasserwirtschaft-wassertechnik, 10/2015, 27-31
  3. DWA (2013): 25th Benchmarking of German wastewater treatment plants
  4. Geiss, P. (2015): Vom Kraftwerk zum Klärkraftwerk – Maschinen- und steuerungstechnische Modernisierung optimiert Kläranlagenbetrieb und Energiebilanz. In: wwt wasserwirtschaft-wassertechnik, 3/2015, 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.; Lesjean, B. (2014): Proof of concept for a new energy-positive wastewater treatment scheme. Water Science and Technology 70 (10), 1709-1716

 


Ein Beitrag von Dr. Christian Loderer.



Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH

www.kompetenz-wasser.de

www.powerstep.eu


Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 5/2019


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