Die energieautarke Kläranlage

1. Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien

2. Einleitung • Klimaveränderung und Energiebedarf sind dominante Themen • Einsparung an fossilen Brennstoffen • Erneuerbare Energieträger • Faulgas (Biogas) • Abwasserreinigung hat in Österreich an politischer Bedeutung verloren, weil zumindest die Erstausstattung in Österreich und weiten Teilen Westeuropas weitgehend vorhanden ist.

3. Einleitung • Derzeit hohe Energiepreise und staatliche Förderung für Energie aus nachwachsenden Rohstoffen • Druck auf Kläranlagen, Einsparungspotenziale beim Energiebedarf zu ermitteln und umzusetzenAuch wenn sich diesbezügliche Verbesserungen nur sehr langsam amortisieren • Abwasserbenchmarking liefert viel Datenmaterial zur Überprüfung theoretischer Überlegungen mit den Ergebnissen des praktischen Betriebes

4. Reinigungsanforderungen und Energiebedarf • Welchen Einfluss hat die geforderte Reinigungsleistung auf den Energiebedarf? • Die Reinigungskapazität einer Belebungsanlage, ist abhängig vom Schlammalter und der Temperatur • Die tatsächlich erzielte Reinigungsleistung auch von der Steuerung der Sauerstoffzufuhr

5. Reinigungsanforderungen und Energiebedarf • Energiebedarf ist primär von der Sauerstoffzufuhr durch Belüftungssysteme abhängig. • Der gesamte Sauerstoffbedarf setzt sich zusammensetzenaus: • OVC Sauerstoffbedarf für die Oxidation der Kohlenstoffverbindungen • OVN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu Nitrat, das im Ablauf enthalten ist (4,3 g O2/g NO3-Ne) • OVDN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu molekularem Stickstoff, der durch Denitrifikation aus dem Abwasser entfernt wird (1,7 g O2/g N-DN)

6. 100 90 Energie im Schlamm 80 mit Vorklärung 70 CSB-ÜS 60 50 OVC ohne Vorklärung 40 30 20 Energiebedarf für Belüftung 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 [d] Schlammalter Reinigungsanforderungen und Energiebedarf • Berechnung von OVC

7. Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Annahmen für Energiebedarfsrechnung bei verschiedenen Fallbeispielen

8. Fallbeispiele für Energiebilanzen

9. Fallbeispiel 1:1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung OP= 1,7 kg/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 2mg/l Belüftungsenergie: (33/1,7) * 10/(10-2) = 24,3 Wh/EW/d Gasanfall: 36 * 0,35 =12,6 NL CH4/d Elektr. WirkungsgradGasmotor: 3 kWh/Nm³CH4 • Energiebilanz: 24,3 – 12,6 * 3 = -13,5 Wh/EW/d (-0,56 W/EW)

10. Fallbeispiel 2:1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung 75% N-Entfernung OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l OVgesamt= 41 + 6 + 10 = 57 g/EW/d; Belüftungsenergie: 57/1,7 * (10/8,5) = 39,4 Wh/EW/d Gasanfall: 30 * 0,35 = 10,5 NL CH4/d; Wirkungsgr. Gasmotor: 3 kWh/Nm³CH4 • Energiebilanz: 39,4 - 10,5*3 = +7,9 Wh/EW/d (+0,33 W/EW)

11. Fallbeispiel 3:2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, 75% N-Entfernung, effiziente Ausrüstung Sauerstoffertrag OP = 2,2 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l OVgesamt= 34 + 7,7 + 6,3+ 1,6 = 49,6 g/EW/d Belüftungsenergie:(49,6/2,2)*10/8,5 = 26,5 Gasanfall: 38 * 0,35 =13,3 NL CH4/d; Wirkungsgrad Gasmotor: 4 kWh/Nm³CH4 • Energiebilanz: 26,5 – 13,3 * 4 = -26,7 Wh/EW/d (-1,1 W/EW)

12. Fallbeispiel 4:1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, intermittierende Belüftung, 75% N-Entfernung Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx =1,0 mg/l OV gesamt=: 67 + 7,3 + 11,9 = 86 g O2/EW/d; Belüftungsenergie = (86/1,7) * 10/9 = +56,2 Wh/EW/d • Energiebilanz: +56,2 Wh/EW/d (+2,3 W/EW)

13. Fallbeispiel 5:1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, aerobes Schlammalter 25 d (weitgehende Schlammstabilisierung) Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx=1,2mg/l Belüftungsenergie : (107,7/1,7)*10/8,8 = +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW) • Energiebilanz: +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW)

14. Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele

15. Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele 4,0 3,5 3,0 2,5 Belüftung 2,0 W/EW Sonstige Biogas 1,5 Gesamt 1,0 0,5 0,0 1 2 3 4 5

16. Resümee aus den Energiebilanzen • Höhere Anforderungen an die Reinigungsleistung (Nährstoffentfernung statt nur BSB-Entfernung) führen zwar zu einem höheren Energiebedarf • durch bessere Verfahrenswahl, effizientere Ausrüstung und Nutzung des Faulgases kann dies kompensiert werden (Fallbeispiele 1, 2 und 3). • Große Kläranlagen können heute trotz hoher Anforderungen an die Nährstoffentfernung, über ein Betriebsjahr gesehen, ohne externe Energiezufuhr betrieben werden. • Ausgleich zwischen einer relativ konstanten Energieproduktion aus Faulgas und den starken Schwankungen des Energiebedarfs für die Belüftung über den Anschluss an das Stromnetz (Beispiel 3).

17. Resümee aus den Energiebilanzen • Bei kleinen Anlagen (<20.000 EW) ist es nicht wirtschaftlich, den Bedarf an externer Energiezufuhr zu minimieren, weil die Einsparung an Energie zumindest derzeit nicht die erhöhten Investitionskosten für eine Schlammfaulung mit Verstromung des Faulgases wettmachen können. • Die Minimierung des Energiebedarfes ( Maximierung der Stickstoffentfernung) resultiert in schlechterer Stabilisierung des Schlammes (Fallbeispiele 4 und 5).

18. Realer Gesamtenergiebedarf von 47 Anlagen (kommunale Kläranlagen in Österreich von 20.000 bis 1 Mio. EW)

19. Zusammenfassung • Die auf Basis gesicherter theoretischer Grundlagen und Erfahrungswerte berechneten Kennzahlen für den spezifischen Leistungsbedarf je EW stimmen sehr gut mit den Ergebnissen des österreichweit angewendeten Abwasserbenchmarkings überein. • Der Einfluss der Reinigungsleistung auf den Energiebedarf ist zwar vorhanden aber nicht dominant • Den stärksten Einfluss auf den Energiebedarf hat die Größe der Anlage, v.a. wenn gleichzeitig die Minimierung der Gesamtkosten angestrebt wird

20. Zusammenfassung • Für die Herstellung und laufende Instandsetzung der Kläranlagen kann ein mittlerer Leistungsbedarf von ~12 W/E abgeschätzt werden (vorwiegend fossile Energieträger). In elektrische Leistung umgerechnet wären das >4 W/E. • Damit liegt der Energiebedarf für die Errichtung und laufende Instandsetzung von Kläranlagen in der gleichen Größenordnung wie der Energiebedarf für den Betrieb • Einsparungen an Energie dürfen nie zu Lasten der Reinigungsleistung durchgesetzt werden. Insgesamt spielt der Energiebedarf von Kläranlagen auf nationaler Ebene weder für den Energiehaushalt noch für die Volkswirtschaft eine wichtige Rolle.

21. Zusammenfassung • Beim Betrieb von vielen Abwasserreinigungsanlagen ist ein relevantes Einsparungspotenzial an Energie vorhanden. • Wieweit es wirtschaftlich ist dies zu realisieren, muss bei bestehenden Anlagen im Einzelfall entschieden werden. • Energieautarke Kläranlage? Es ist nachweislich möglich große Kläranlagen (>50.000 EW) trotz hoher Anforderungen an die Reinigungsleistung (1.AEVkA) so zu planen und zu betreiben, dass in einer Jahresbilanz keine externe Energiezufuhr benötigt wird. • Ob dies immer erstrebenswert ist, muss unter Berücksichtigung aller spezifischen lokalen Randbedingungen entschieden werden.