Steigerung der Energieeffizienz von kommunalen Kläranlagen Jo Hansen Gerd Kolisch, Inka Hobus, Kai Wu Zentrum für Innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern

1 Veranlassung Erweiterung der kommunalen Abwasserreinigungsanlagen hat zu steigendem Energieverbrauch geführt Anstieg der Bezugskosten für Energie in den letzten Jahren: erheblicher Kostenfaktor beim Betrieb von Anlagen Kläranlagen tragen bei Kommunen mit ca. 20...30% zum Gesamtenergieverbrauch mit entsprechenden Kostenanteilen bei Reduzierung des Energieverbrauchs kann kommunalen CO2-Ausstoß verringern Modellprojekt ‚Energetische Optimierung von Kläranlagen in Rheinland-Pfalz‘ im Auftrag des MUFV

2 Projektziel, Vorgehensweise und Ergebnisse Ziel: Steigerung der Energieeffizienz bei der Abwasserreinigung in Rheinland-Pfalz Energieanalysen für 4 Referenzanlagen Bewertung des Energieeinsatzes Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Überprüfung der Wirtschaftlichkeit Abschätzung des Einsparpotentials RLP Prüfung der Übertragbarkeit Betrachtung von Maßnahmenszenarien Einsatz weitergehender Technologien

Ausgewählte Referenzanlagen KA Fischbachtal (5.500 EW) simultane aerobe Stabilisierung KA Billigheim (22.200 / 40.400 EW) getrennte aerobe Stab., Kampagne KA Bad Ems (20.000 EW) anaerobe Stabilisierung KA Speyer (82.400 EW) anaerobe Stabilisierung

Vorgehensweise: in Anlehnung an ‚Handbuch Energie‘ NRW Grobanalyse Bestandsaufnahme von Verfahrenstechnik Betriebs- und Anlagendaten Kennzahlenvergleich und Bewertung Ableitung von Optimierungsmaßnahmen Feinanalyse: Erstellen einer Energiematrix detaillierte Maßnahmenbeschreibung und Wirtschaftlichkeitsberechnung Grobanalyse Feinanalyse Umsetzung Erfolgskontrolle

Energierelevante Anlagendaten

Begriffe: Richtwert: Ein aus durchgeführten Energieanalysen in NRW abgeleiteter Wert, der realistisch erreicht werden kann Idealwert: Ein theoretischer Wert, der anhand von Berechnungen an einer Modellanlage unter optimalen Voraussetzungen erreicht werden kann

Kennzahlensystem Handbuch Energie in KA Bsp.: Aerobe Stab.anlage für 15.000 EW

Energienachweis für den Ist-Zustand

Spezifischer Elektrizitätsverbrauch, alle Anlagen

Energieverbrauchermatrix 1) ohne RÜB und HW-Pumpwerk 2) abzüglich Einspeisung 3) EVU, Deponie, Notstrom

Maßnahmen zur Energieoptimierung Verfahrenstechnische Maßnahmen: Anpassung des Sauerstoffgehaltes Überprüfung des Schlammalters Überprüfung der Regelstrategien Mengenproportionale RS-Förderung ... Maschinentechnische Maßnahmen Einsatz energieeffizienter Pumpen Ersatz Belüfterelemente Austausch von Gebläsen / Verdichtern Einrichtung BHKW/MGT

Beispiel: Anpassung von Schlammalter und O2-Gehalt Hintergrund: O2-Gehalte größer 2 mg/l verbessern die Nitrifi- kationsrate nur noch geringfügig hohe Schlammalter: hohe endogene Atmung, (Teil-)Stabilisierung und geringer Gasertrag KA Speyer: 1. Ist-Zustand 1,9 Mio. kWh/a (22,8 kWh/(E*a)) bei tTS von bis zu 30 d und cO2 von 2,8 mg/l 2. Optimierter Zustand (tTS = 16 d und 1,5 mg O2/l) verbraucht 1,5 Mio. kWh/a (18,3 kWh/(E*a)) 3. Vorschlag TSBB und cO2 stufenweise absenken (4. Alternativ: Belebungsbecken stilllegen)

Beispiel: Austausch von Belüftungselementen Hintergrund: Belagsbildung, Auslösen von Weichmachern und Alterung verschlechtern den Sauerstoffertrag neue flächendeckende Druckluftbelüftungssysteme erreichen Einträge von über 20 g O2/(m³*mET) KA Billigheim (außerhalb Kampagne): 1. Ist-Zustand 0,47 Mio. kWh/a (25 kWh/(E*a)) 2. Einsatz feinblasiger Plattenbelüfter mit einem Sauerstoffeintrag von 29 g O2/(m³*mET) 3. Optimierter Zustand verbraucht 0,21 Mio. kWh/a (11 kWh/(E*a))

Beispiel: Einsatz von energieeffizienten Pumpen Hintergrund: energieeffiziente Pumpen haben Kenn- werte zwischen 4 und 6 Wh/(m³*mFH) ungünstige Auslegung, Verschleiß und fehlende Regelbarkeit erhöhen den Energieverbrauch KA Fischbachtal: Ist-Zustand 25.800 kWh/a (4,7 kWh/(E*a)) Installation einer RS-Pumpe mit einem spez. Energiebedarf von 5 Wh/(m³*mFH) Optimierter Zustand verbraucht 3.800 kWh/a (0,7 kWh/(E*a))

Theoretisches Einsparpotenzial über alle Anlagen

Sofortmaßnahmen Realisierungshorizont 0-2 Jahre Erfordern geringe Investitionen K/N bis 0,3 Können aufgrund der betrieblichen Randbedingungen sofort realisiert werden

Kurzfristige Maßnahmen Realisierungshorizont 2-5 Jahre Insgesamt wirtschaftlich K/N zwischen 0,3 und 0,6 Mit Investitionen verbunden Präzisierung in Ausführungsplanung

Abhängige Maßnahmen Realisierungshorizont 1-10 Jahre Sind an Bedingungen geknüpft Mit Investitionen verbunden In der Regel erst nach Nutzungsdauerende der ‚alten‘ Aggregate/Bauwerke

Energienachweis nach Umsetzung der Maßnahmen

Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen

3 Potenzial für Energieoptimierung in Rheinland-Pfalz Abschätzung ausgehend von der Verteilung der Anlagen auf Größenklassen und spez. Besonderheiten in RLP Konzentration auf Belebungsanlagen (> 95% aller EW in RLP)

Charakterisierung der vorhandenen Anlagen In RLP werden derzeit etwa 750 kommunale KA mit einer Gesamtausbaugröße von etwa 7,175 Mio EW betrieben

Energieverbrauch der Belebungsanlagen in RLP ca. 37 Mio €!  533 Anlagen ca. 17%

Abschätzung des Optimierungspotenzials Betrachtung unterschiedlicher Szenarien Umsetzung betrieblicher und maschinentechnischer Maßnahmen Umstellung von aeroben Stabilisierungsanlagen der GK 4 (82 Anlagen) auf Faulung Reduzierung Fremdwasser von 30 auf 20% Erhöhung der Eigenstromerzeugung 4.1 Nutzung vorhandener Faulraumkapazitäten (Reserve: ca. 720.000 EW) 4.2 Verstromung des derzeit abgefackelten Faulgases zu 80% mit elektr. Wirkungsgrad von 30%

Prioritäten! durch Kombination von Maßnahmen sind in Einzelfällen durchaus Potenziale von 35 – 40% zu erwarten (Mix aus Einsparung und Erzeugung) Potenzielles Einsparpotenzial von dann 120.000...130.000 MWh!

4 Fazit und Ausblick Erhebliches Potenzial zur energetischen Optimierung der Abwasserreinigungsanlagen in RLP Umsetzung der betrieblichen und maschinentechnischen Maßnahmen weist mit rund 30% das größte Potenzial auf Ca. 65% aller Maßnahmen sind Sofortmaßnahmen mit K/N = 0,1 Sehr kostenaufwendige Umstellung von aeroben Stabilisierungsanlagen auf Faulung birgt Potenzial von knapp 10% Fremdwasserentflechtung ca. 1,5% großes Potenzial bietet Eigenstromerzeugung und –nutzung: konsequente Nachrüstung der Faulungsanlagen mit effizienten BHKW (wenn wirtschaftlich sinnvoll) sowie Nutzung der vorhandenen Faulraumkapazitäten bietet erhebliches Potenzial