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Energiepotenziale im Abwasser

Im Abwasser steckt Energie in verschiedenen Formen:

  • Aber auch der im Abwasser enthaltene Klärschlamm ist eine wertvolle Energieressource, die auf vielfältige Weise verwendet werden kann.
  • Oft ist auf Kläranlagen viel Platz. Die Erzeugung von Strom (und Wärme) aus erneuerbaren Energien wie Solarenergie (Photovoltaik oder Solarthermie) und Windenergie bieten sich daher an, um den Eigenbedarf an Energie zu decken oder Überschüsse in ein Strom- bzw. Nahwärmenetz einzuspeisen. Ebenso kann Energie aus Wasserkraft (Lageenergie) im Kläranlagenablauf produziert werden.
  • Kläranlagen sind auch für den Lastausgleich im Stromnetz von Bedeutung, da Energieverbrauch und -erzeugung in gewissem Umfang zeitlich verschoben werden können. Power to Gas ist eine Technologie, die dieses Potenzial vergrößern kann.

 

 

Abwasser als Wärme- und Kältequelle für Wärmepumpen

Wasser, das z.B. zum Duschen, Waschen oder für industrielle Anwendungen verwendet wird, gelangt mit relativ hoher Temperatur in den Kanal. Dadurch hat Abwasser meist Temperaturen um oder über 10 °C und ist damit zum Teil deutlich wärmer als andere Wärmepumpen-Wärmequellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser. Daher können Wärmepumpen mit der Wärmequelle Abwasser effizienter arbeiten. In manchen Fällen (z.B. Anlage der Stadtwerke Amstetten) reicht die Temperatur sogar aus, um die Wärme in der Übergangszeit ohne Wärmepumpe nutzen zu können. Abwasser kann auch zur Kühlung verwendet werden.

Vorteile von Abwasser als Wärme- und Kältequelle sind, dass

  • ständig neues Abwasser am Wärmetauscher vorbeifließt (im Gegensatz zu Erdreich und Grundwasser) und
  • die Wärmekapazität von (Ab-)Wasser im Gegensatz zu Luft sehr hoch ist.

Thermische Abwassernutzung vor der Kläranlage

Die Nutzung von Abwasser direkt aus der Kanalisation hat den Vorteil, dass in der näheren Umgebung meist hoher Wärme- und teilweise auch Kältebedarf besteht. Mögliche negative Auswirkungen v.a. auf den Kanalbetrieb und auf die (temperaturabhängige) Reinigungsleistung der Kläranlage sind zu berücksichtigen.

Bei der thermischen Nutzung des Kanalabwassers existieren zwei verschiedene Arten von Wärmetauschern:

1.) Ein Wärmetauscher wird in das bestehende Kanalrohr eingebracht. Diese Lösung ist v. a. bei kleineren Anlagengrößen meist wirtschaftlicher, bedarf aber einer guten Abstimmung mit dem Kanalbetreiber.

2.) Das Abwasser wird (zum Teil) aus dem Kanal entnommen, grob gesiebt und einem externen Wärmetauscher zugeführt.

Im Zuge des Projekts „Energie aus Abwasser“ wurde eine Machbarkeitsstudie für die Stadtwerke Amstetten durchgeführt, die schließlich zur derzeit einzigen thermischen Kanalabwassernutzungsanlage in Österreich geführt hat.

Beispiel Amstetten

Plakat Heizen und Kühlen mit Abwasser

Thermische Abwassernutzung nach der Kläranlage

Die Ablaufmengen einer Kläranlage sind im Vergleich zu jenem im vorgelagerten Kanal in der Regel größer und gleichmäßiger. Darüber hinaus ist hier das Abwasser bereits gereinigt. Die Abkühlung des Ablaufes um mehrere °C hat auf die Reinigungsleistung der Kläranlage keinen Einfluss mehr und das gereinigte Abwasser verschmutzt die Wärmetauscher in geringerem Ausmaß.

Sofern im Nahbereich einer Kläranlage potenzielle Wärmeabnehmer vorhanden sind, ist diese Art der Energiegewinnung eine Möglichkeit der Energiegewinnung mit höherem Potenzial als die Nutzung vor der Kläranlage. Wärme und Kälte aus dem Abwasser können zum Heizen und Kühlen in der Kläranlage selbst oder auch für im Nahbereich der Kläranlage liegende betriebsfremde Gebäude genutzt werden.

Dabei ist sowohl die Ausführung

  • als warmes Nahwärmenetz (eine zentrale Wärmepumpe – in diesem Fall bei der Kläranlage – versorgt das Netz)
  • wie auch als kaltes Nahwärmenetz (die angeschlossenen Gebäude haben jeweils eine eigene Wärmepumpe) möglich.
  • auch eine Kombination der Systeme ist möglich: ein kaltes Nahwärmenetz versorgt mehrere Wärmepumpen-Heizzentralen, die ihrerseits wieder in mehrere warme Nahwärmenetze einspeisen.

Beispiel Weiz

 

 

Klärschlamm

Mikroorganismen sorgen für die biologische Reinigung des Abwassers in der Kläranlage. Sie ernähren sich von den Abfallstoffen und vermehren sich ständig. Als Nebenprodukt entsteht sogenannter Überschussschlamm. Gut getrocknet weist Klärschlamm einen guten Heizwert auf und stellt damit eine wichtige Energieressource auf einer Kläranlage dar.

Die häufigsten Verwertungsarten sind – nach einer allfälligen Faulung (siehe unten) – Verbrennung und Verstromung in Müllverbrennungsanlagen, Kompostierung, landwirtschaftliche Verwertung und Deponierung.

Plakat Klärschlamm

Klärschlammfaulung - Klärgas

Wird Klärschlamm unter Sauerstoffmangel und Wärmezufuhr einem Faulungsprozess unterzogen, entsteht Klärgas. Dieses besteht zum Großteil aus Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Klärgas ist wie Biogas in der Landwirtschaft ein hochwertiger erneuerbarer Energieträger, der vorzugsweise in der Kläranlage selbst zur Abdeckung des Eigenbedarfes an Wärme und hochwertigem Strom eingesetzt wird. Überschüsse können an das allgemeine Stromnetz abgegeben werden bzw. bei hohen Überschüssen und geeigneten Verbrauchern kann auch ein Nahwärmenetz versorgt werden. Das Klärgas könnte aber auch nach einer entsprechenden Aufbereitung in ein Gasnetz eingespeist werden.

Plakat Klärgas

Steigerung der Klärgasproduktion durch Kofermentation

Unter Kofermentation versteht man die Faulung von Klärschlamm gemeinsam mit fester oder flüssiger Biomasse. Die Zugabe weiterer bestimmter Biomasse erhöht die im Faulturm entstehende Klärgasmenge. Bereits heute werden vor allem in Tourismusorten von Kläranlagenbetreibern bei Hotels und Restaurants Speisereste und Speiseöle gesammelt und dem Faulturm beigegeben, was die Klärgasproduktion deutlich steigert. Zudem kann die Klärgasproduktion durch betriebliche Maßnahmen weiter erhöht werden.

Strom und Wärme aus Klärgas

Über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) kann das durch Klärschlammfaulung bzw. Kofermentation entstehende Klärgas direkt in Strom und Wärme umgewandelt werden.

  • Der Strom kann gleich in der Kläranlage genutzt oder bei Mehrproduktion ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Nutzung der Ressource Strom ist bedingt durch die gute Transportierbarkeit nicht wie bei Wärme und Kälte auf den unmittelbaren Nahbereich der Kläranlage beschränkt.
  • Die entstehende Wärme kann für die Beheizung des Faulturms und zur Beheizung der Betriebsgebäude verwendet werden.
  • Bei einem vorhandenen Nahwärmenetz kann der Wärmeüberschuss aus den BHKW genutzt und wegen der hohen Temperaturen auch die Effizienz der Wärmepumpen gesteigert werden. Bei großen Überschüssen kann auch ein eigens errichtetes Nahwärmenetz wirtschaftlich sein.
  • Der in einer Kläranlage produzierte Strom aus dem Biogas kann zur Steigerung der Eigenversorgung oder zur Abgabe ans Netz eingesetzt werden.

Hydrothermale Carbonisierung

Klärschlamm kann auch durch Hydrothermale Carbonisierung verwertet werden. In der Theorie weisen die Energiebilanzen auf einen wesentlichen geringeren Strom- und Wärmeverbrauch als bei konventioneller Faulung hin. Auch der Energieoutput des Endproduktes Biokohle wäre demzufolge höher. Obwohl dieses Verfahren schon seit über 100 Jahren bekannt ist, hat es sich bislang nicht wirklich durchsetzen können.

Unter anderem können hier auch wirtschaftliche und rechtliche Gründe eine Rolle spielen. Unklar ist, wie weit technische Hürden daran maßgeblich sind. Einige Forschungsprojekte untersuchen zurzeit die praktische Einsetzbarkeit der HTC.

 

 

Energie aus Wasserkraft, Solar- und Windenergie

Solar- und Windenergie kann zwar auch an anderen Standorten gewonnen werden, jedoch ist die Kläranlage aus mehrfacher Hinsicht eine interessante Möglichkeit:

  • Zum einen ist vielfach genügend Platz vorhanden und es finden sich meist auch Flächen, die nicht beschattet sind.
  • Zum anderen verbrauchen Kläranlagen fortlaufend viel Strom und Wärme und können daher den produzierten Solarstrom bzw. die Wärme selbst nutzen.
  • Zudem können Kläranlagen unter anderem mit dem BHKW die unregelmäßig anfallende Stromproduktion aus Solar- und Windenergie zeitlich ausgleichen.

Generell kommen zur Nutzung der Solarenergie auf Kläranlagen sowohl Photovoltaik (PV) als auch Solarthermie in Betracht. Bei Windkraftanlagen sind Mindestabstände zu umliegenden Bebauungen zu beachten.

Darüber hinaus kann es - je nach Topographie - sinnvoll sein, im Kläranlagenablauf Energienutzung aus Wasserkraft zu betreiben. Jedoch sollte primär darauf geachtet werden, Pumpwerke auf dem Weg zur Kläranlage zu vermeiden.

Plakat Solarenergie

Kläranlage Wien nutzt Wasserkraft, Solar- und Windenergie

 

 

Kläranlagen als Lastausgleichselement im Stromnetz

Auf Kläranlagen wird einerseits elektrische Energie verbraucht und auf der anderen Seite auch erzeugt. Sowohl Verbrauch als auch Erzeugung sind in gewissen Grenzen verschiebbar. In einem Projekt aus der Schweiz wurde dieses Potenzial detailliert herausgearbeitet: http://www.regelpooling.ch.

Für die Schweiz ergibt sich für den Zeitraum einer Stunde eine positive Regelleistung (Erhöhung Einspeisung und Senkung Eigenverbrauch) von 30 MW und eine negative Regelleistung (Senkung Einspeisung und Erhöhung Eigenverbrauch) von 17 MW. Über einen längeren Zeitraum sinkt die verschiebbare Leistung deutlich ab. Für Österreich sind aufgrund der ähnlichen Größe auch ähnliche Potenziale zu erwarten.

Power to Gas

Power to Gas kann das eben beschriebene Potenzial zum Lastausgleich auf Kläranlagen weiter vergrößern. Power to Gas ist eine Form der chemischen Speicherung elektrischer Energie und bezeichnet im Speziellen die Verwendung von Überschussstrom (z.B. aus erneuerbaren Energiequellen) zur Produktion von Gasen, die

  • gespeichert werden können und
  • bei deren Verbrennung die Energie in Form von Strom bzw. Wärme wieder abgeben.

Der Vorteil der Kombination aus Kläranlage und Power to Gas (mit Methanisierung) liegt darin, dass eine Kläranlage Sauerstoff benötigt und Kohlendioxid produziert, während bei Power to Gas mit Methanisierung Kohlendioxid benötigt und Sauerstoff produziert wird. Nachteilig ist (generell, nicht nur auf Kläranlagen), dass hierbei doch hohe Verluste anfallen. Pumpspeicherkraftwerke zur Speicherung elektrischer Überschussenergie haben beispielsweise einen deutlich höheren Gesamtnutzungsgrad. Die energiewirtschaftliche Sinnhaftigkeit des Einsatzes von Power to Gas auf Kläranlagen hängt daher davon ab, ob

  • Pumpspeicherkraftwerke in ausreichender Nähe zur betreffenden Kläranlage in ausreichendem Maß errichtet wurden bzw. werden können (Berücksichtigung von Topographie und Leitungskapazitäten)
  • die entstehende Abwärme effizient genutzt werden kann
  • durch Belüftung mit Reinsauerstoff entsprechend viel Energie eingespart werden kann

Das Power to Gas-Verfahren wird derzeit in einem Forschungsprojekt in Deutschland erprobt: Projekt "Kläranlagen als Energiespeicher"

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