Steigerung der Energieeffizienz in der Abwasserbehandlung

Eine Kläranlage
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In Deutschland sind ca. 94 Prozent der privaten Haushalte und öffentlichen Einrichtungen an die kommunale Abwasserentsorgung angeschlossen, wobei jährlich ca. 10 Milliarden Kubikmeter Abwasser anfallen. Im europäischen Umfeld ist Deutschland damit das Land, in welchem der größte Anteil dieses anfallenden Abwassers vor der kontrollierten Rückführung in Oberflächengewässer gereinigt wird. Dies stellt nicht nur große Herausforderungen an die Kapazität und Logistik der Abwasserbehandlungsanlagen, sondern verursacht auch ganz erhebliche Energieverbräuche. Im Durchschnitt haben Kläranlagen einen Anteil von 20 % am Stromverbrauch einer Kommune. Insgesamt summiert sich der Stromverbrauch der rund 10.000 Kläranlagen in Deutschland zu 4.400 GWh jährlich.  

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

Die Nachrüstung einer Faulgasanlage zur anaeroben Schlammstabilisierung ist eine attraktive Effizienzmaßnahme in der Abwasserbehandlung. Faulgasanlagen gewinnen aus dem im Abwasserbehandlungsprozess anfallenden Klärschlamm einen hochwertigen, regenerativen Energieträger: Das Faulgas, auch „Klärgas“ genannt. Das Klärgas besteht zum überwiegenden Anteil aus Methan und kann in Kraft-Wärmekopplungsanlagen für die Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Wird diese selbsterzeugte Energie dazu genutzt, den eigenen Wärme- bzw. Strombedarf (anteilig) zu decken, verbessert dies die Effizienz des Kläranlagenbetriebs. Daneben hat die Installation einer Faulgasanlage noch weitere positive Effekte: Rund 40 bis 70 % der in Kläranlagen verbrauchten Energie entfallen auf die Belüftung von Belebungsbecken, die mithilfe von Druckluftkompressoren erfolgt. Werden Faulgasanlagen eingesetzt, können die Belebungsbecken deutlich kleiner als zuvor dimensioniert werden. Das zieht weitere Einsparungen nach sich, da der Stromverbrauch für die Belüftung der Belebungsbecken reduziert wird.

Projektidee

Der Betreiber einer Kläranlage plant die bestehende simultane aerobe Schlammstabilisierung durch eine Faulgasanlage zu ergänzen. Hierzu wird ein bestehendes Anaerobbecken zum Vorklärbecken umgebaut. Für den Transport des Primärschlamms in den Rohschlammbehälter wird ein Primärschlammpumpwerk gebaut. Um die Effizienz der Faulbehälter zu erhöhen, wird der gemischte Rohschlamm maschinell voreingedickt, mithilfe eines Doppelrohrwärmetauschers erwärmt und den Faulbehältern zugeführt. Das Faulgas wird mithilfe einer Mikrogasturbine zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Kosten für die Umsetzung:

  • Investitionskosten für die technischen Anlagen von rund 800.000 €,
  • Investitionsnebenkosten (für z. B. Planung, Installation, Messtechnik und Inbetriebnahme) in Höhe von etwa 160.000 €,
  • Investitionen für die Mikrogasturbine von rund 300.000 € sind nicht förderfähig (die Einsparwirkung der Mikrogasturbine wird jedoch berücksichtigt),
  • und damit in Summe förderfähige Investitionsgesamtkosten in Höhe von 960.000 €.

Von diesen Kosten können bei STEP up! maximal 30 %, d.h. max. 288.000 €, gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Kosten hängt letztlich davon ab, ob es sich bei der Maßnahme um eine vorgezogene Ersatzinvestition, eine Zusatzinvestition oder eine Erneuerungsinvestition handelt. Ausführliche Hinweise zu den Investitionstypen sind im Merkblatt "Allgemeine Hinweise zur Antragstellung in STEP up!" zu finden, welches unter "Teilnehmen" und "Ausschreibungsrunden" auf den STEP up!-Webseiten abrufbar ist.

Grundlegende Kriterien für eine Förderung durch STEP up! sind, dass eine Maßnahme sich erst nach mehr als drei Jahren amortisiert und der sogenannte „Kosten-Nutzen-Wert“ von maximal 0,10 €/kWh nicht überschritten wird.

Die Förderung bei STEP up! ist grundsätzlich auf reine Stromeffizienzmaßnahmen beschränkt. Im Rahmen der geschlossenen Ausschreibung in der 5. Runde sind jedoch erneut investive Projekte förderfähig, die neben Stromeinsparungen zusätzlich auch wärmeseitig Effizienzverbesserungen anderer Energieträger bewirken. In der vorliegenden Projektidee kann z. B. das zuvor in einem Gas-Heizkessel bereitete Warmwasser für verschiedene Verbraucher am Standort durch die Abwärme der Mikrogasturbine bereitgestellt werden. Ferner kann durch die Verstromung des Klärgases der zuvor am Markt eingekaufte Strom (anteilig) substituiert werden. Diese Wärme- bzw. Strommengen können im STEP up!-Antrag als Einsparungen geltend gemacht werden. Da das Ranking im Wettbewerb auf Grundlage des Kosten-Nutzen-Werts erfolgt, welcher in €/kWh angegeben wird, müssen jedoch alle Energieeinsparungen mittels der jeweiligen Primärenergiefaktoren in sog. "Stromverbrauchsäquivalente" umgerechnet werden. Hierzu finden Sie auf der Webseite von STEP up! den "Energierechner Strom-Wärme" sowie weitere Hilfestellungen.

In der Projektidee wird durch die Faulgasanlage der Fremdstrombezug um rund 480 MWh jährlich reduziert. Die Abwärme aus der Mikrogasturbine wird zur Temperierung des Primärschlamms eingesetzt. Zusätzlich kann die Wärme anteilig zur Gebäudeheizung eingesetzt und dadurch rund 100 MWh Erdgas (entspricht 55 MWh Stromäquivalenten) eingespart werden. Bei einem Strompreis von 0,15 €/kWh und einem Gaspreis von 0,05 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach gut zwölf Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach etwa 8,7 Jahren.

Der Kosten-Nutzen-Wert der Maßnahme ergibt sich aus dem Quotienten der beantragten Fördersumme (Kosten) und der Energieeinsparung in Stromverbrauchsäquivalenten über die gesamte Nutzungsdauer der Technik (Nutzen). In der vorliegenden Projektidee liegt der Kosten-Nutzen-Wert bei 0,054 €/kWh und damit unterhalb des bei STEP up! zugelassenen Grenzwertes von 0,1 €/kWh.