Steigerung der Energieeffizienz in Kläranlagen durch optimierte Belüftung der Belebungsbecken

Mehere Belebunsbecken einer Kläranlage
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In den Belebungsbecken von Kläranlagen wird Druckluft in Form von feinen Bläschen in das mechanisch vorgereinigte Wasser eingebracht. Dies ist notwendig, da die im sog. Belebtschlamm enthaltenen Bakterien und anderen Kleinstlebewesen Sauerstoff benötigen, um die organischen Schmutzstoffe des Abwassers abbauen zu können.  Darüber hinaus binden die Bakterien die feinen Schmutzstoffe im Abwasser zu Schlammflocken, welche in der folgenden Nachklärung abgetrennt werden können. Angesichts der energieintensiven Drucklufterzeugung entfallen auf die Belebungsbecken ca. 40 bis 70 % der in Kläranlagen verbrauchten elektrischen Energie. Die Energieeffizienz von Kläranlagen hängt also wesentlich von der Konzeption der Belebungsbecken und deren Belüftungssystem ab.

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

In vielen Kläranlagen wird die benötigte Druckluft mithilfe von ineffizienten Kompressoren erzeugt, welche hohe Optimierungs- und damit Stromeinsparpotenziale aufweisen. In der Regel verbrauchen neue hocheffiziente Druckluftkompressoren circa 10 % weniger Strom als Bestandsanlagen. Neben dem Umstieg auf effizientere Kompressoren sind auch deren Steuerung und Auslegung wichtig für die Energieeffizienz der Anlage.
Darüber hinaus hat die Art des Lufteintrags in das Belebungsbecken einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz. Oft werden sog. Oberflächenbelüfter eingesetzt, die durch axiale Rotation einen Strudel an der Oberfläche erzeugen, um Sauerstoff in das Abwasser einzubringen. Eine wesentlich effizientere Weise den benötigten Sauerstoff einzubringen, ist die Nutzung von feinblasigen Druckbelüftern, die an dem Beckenboden angebracht werden, und die Druckluft als feine Bläschen breitflächig im Becken verteilen. Der Sauerstoffeintrag pro Kilowattstunde Strom wird dadurch erhöht und in der Folge der Stromverbrauch je nach Anlage um weitere 10 bis 30 % reduziert.  

Projektidee

In der Wasseraufbereitungsanlage eines Industriebetriebes soll die Drucklufterzeugung und die Belüftung des Belebungsbeckens gegen hocheffiziente Komponenten ausgetauscht werden. Der jährliche Stromverbrauch für Drucklufterzeugung und Belüftung beträgt derzeit rund 870 MWh.

Durch die Effizienzmaßnahme ergeben sich dabei folgende Kosten:

  • Investitionskosten für die Effizienzsteigerung der Drucklufterzeugung (Kosten für den Ersatz der bestehenden Kompressoren durch hocheffiziente Drucklufttechnik und die Druckbelüftungsanlage) von rund 200.000 €,
  • Investitionsnebenkosten (für Planung, Installation, Messtechnik und Inbetriebnahme) in Höhe von 17.000 €,
  • und damit in Summe Investitionsgesamtkosten in Höhe von 217.000 €.

Von diesen Kosten können bei STEP up! maximal 30 %, d.h. max. 65.100 €, gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Summe hängt u.a. davon ab, ob es sich bei der Maßnahme um eine vorgezogene Ersatzinvestition, eine Zusatzinvestition oder eine Erneuerungsinvestition handelt. Ausführliche Hinweise zu den Investitionstypen finden sich im Merkblatt "Allgemeine Hinweise zur Antragstellung in STEP up!", welches unter „Teilnehmen" und "Ausschreibungsrunden" auf der STEP up!-Webseite abrufbar ist.

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

In der vorliegenden Projektidee können durch die hocheffiziente Drucklufterzeugung- und Belüftungstechnik jährlich 283 MWh an elektrischer Energie eingespart werden. Bei einer Nutzungsdauer von zehn Jahren ergibt sich somit eine Stromeinsparung von insgesamt 2.830 MWh. Bei einem Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach gut fünf Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach 3,6 Jahren.

Der Kosten-Nutzen-Wert der Projektidee ergibt sich aus dem Quotienten der beantragten Fördersumme (Kosten) und der Stromeinsparung über die gesamte Nutzungsdauer der Technik (Nutzen). Somit liegt der Kosten-Nutzen-Wert bei 0,023 €/kWh in der vorliegenden Projektidee und damit unterhalb des bei STEP up! zugelassenen Grenzwertes von 0,1 €/kWh.