Bundesländerspezifische Potenziale von Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellen auf Kläranlagen in Deutschland

Dr. Markus Blesl, Michael Ohl

Klärgas, ein Nebenprodukt kommunaler Kläranlagen, kann zur Produktion von Strom und Wärme genutzt werden. Derzeit werden dafür deutschlandweit mehr als 700 Blockheizkraftwerke eingesetzt. Im Folgenden wird das technische Potenzial der Klärgasverstromung durch Brennstoffzellen bzw. Blockheizkraftwerke (BHKW) in Deutschland ermittelt. Das technische Potenzial umfasst die bei gegebenem Klärgasaufkommen auf Kläranlagen in Deutschland maximal installierbaren Kapazitäten der verschiedenen Technologien zur Klärgasverstromung und die damit gewinnbaren Strommengen. Beispielsweise können mit dem aktuellen Klärgasaufkommen in Deutschland1 durch den Einsatz von Brennstoffzellen pro Jahr 1,23 TWh Strom erzeugt werden, wodurch die Emissionen um mehr als 700 000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr (CO2/a) gesenkt werden könnten. Die vorliegende Untersuchung ist ein Projekt der Universität Stuttgart, durchgeführt im Statistischen Landesamt Baden-Württemberg im Rahmen des Forschungsdatenzentrums. Klärgasnutzung und Stromerzeugung in Deutschland In über 1 100 kommunalen Kläranlagen in Deutschland fielen im Jahr 2004 insgesamt mehr als 4 400 GWh Klärgas an. Dieses Nebenprodukt der Abwasserreinigung kann zur Produktion von Strom und Wärme genutzt werden, womit der Energiebedarf von Kläranlagen zumindest teilweise gedeckt werden kann. Hierzu werden derzeit auf mehr als 700 Kläranlagen motorische Blockheizkraftwerke (BHKW) eingesetzt, mit denen 2004 eine kumulierte Stromproduktion von 865 GWh ermöglicht wurde. Mit der Brennstoffzelle schickt sich nun eine neue Technologie an, den BHKW Konkurrenz zu machen. Im nachfolgenden Beitrag werden die technischen Potenziale des Brennstoffzelleneinsatzes auf deutschen Kläranlagen für einzelne Bundesländer ermittelt. Gleichzeitig wird auch die Frage behandelt, welche Spielräume der etablierten BHKW-Technologie bleiben bzw. welche Möglichkeiten des BHKW-Einsatzes bisher ungenutzt blieben. Um das vorhandene Potenzial der Nutzung von Klärgas2 in Brennstoffzellen abzuschätzen, werden alle Kläranlagen mit anaerober, das heißt sauerstoffloser, Schlammstabilisierung erfasst, da nur diese Klärgas produzieren. Kläranlagen werden größenmäßig nach Einwohnerwerten (EW) kategorisiert. Die EW-Zahl besteht aus der Einwohnerzahl des Einzugsgebiets und den Einwohnergleichwerten, die unter anderem das Abwasseraufkommen aus der Industrie beziffern. Die Kläranlagen werden in Größenklassen von 1 (unter 1 000 EW) bis 5 (über 100 000 EW) eingeteilt. Zur besseren Einordnung wurde die Größenklasse 4 (10 000 bis 100 000 EW) für die Potenzialbestimmung in die Unterklassen 4a (10 000 bis 50 000 EW) und 4bc (über 50 000 bis 100 000 EW) differenziert. Da kleinere Kläranlagen überwiegend den Schlamm aerob, das heißt unter Sauerstoffeinsatz und damit ohne Klärgasanfall, stabilisieren, kommen in Deutschland nur 1 156 von insgesamt ca. 6 600 Kläranlagen für die Potenzialabschätzung infrage. Auf diesen Kläranlagen werden jährlich rund 4 400 GWh Klärgas produziert (Tabelle 1). Der größte Anteil der Klärgasproduktion (64 %), der installierten BHKW-Leistung und der erzeugten Strommengen entfällt auf die Kläranlagen der Klasse 5. Die Klasse 4a besitzt aufgrund der höheren Anlagenzahl eine höhere kumulierte Klärgasproduktion als Klasse 4bc.

1 Die Werte beziehen sich auf das Jahr 2004.
2 Angaben aus der Klärgasstatistik in Verbindung mit der Statistik der öffentlichen Abwasserbehandlung 2004. Statistische Ämter des Bundes und der Länder; Forschungsdatenzentren, Stuttgart, 2006.

Dr.-Ing. Markus Blesl ist Leiter der Fachgruppe „Energiesystem- und Technikanalyse“ am Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart.
Dipl.-Ing. Michael Ohl ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am gleichen Institut.

Bei den ersten Demonstrationsprojekten mit der neuen Technologie Brennstoffzelle standen noch grundsätzliche technische Fragen im Mittelpunkt. Mittlerweile wurden in diesen Punkten Fortschritte erzielt, sodass nun auch die Nutzung biogener Brennstoffe untersucht wird. Den Anfang machte bereits im Jahr 2000 eine PAFC (phosphoric acid fuel cell, Phosphorsäurebrennstoffzelle), die auf einem Kölner Klärwerk installiert wurde. In den Folgejahren wurden vor allem MCFC (molten carbonate fuel cell, Schmelzkarbonatbrennstoffzelle) zur Nutzung biogener Gase installiert, zuletzt 2007 auf einer Stuttgarter Kläranlage.

Umwelt, Verkehr, Tourismus
Statistisches Monatsheft Baden-Württemberg 3/2008 49 Die Klassen 1 bis 3 spielen wegen der geringen Anzahl an Anlagen und des geringen Klärgasaufkommens keine nennenswerte Rolle bei der Klärgasverstromung. Die sich aus diesen Daten ergebenden Potenziale für den Neubau und die kapazitive Optimierung bereits bestehender Stromerzeugungsanlagen auf Kläranlagen werden in den folgenden Abschnitten thematisiert. Bestimmung des technischen Neubaupotenzials von Anlagen zur Klärgasverstromung Obwohl ein Betrieb von BHKW auf Kläranlagen wirtschaftlich möglich ist, wird heute noch in 430 der betrachteten 1 156 Kläranlagen das Klärgas höchstens zur Wärmeerzeugung in Kesseln genutzt. Bei der Ermittlung des technischen Neubaupotenzials werden alle Kläranlagen ohne eigene Stromerzeugung berücksichtigt. Als Untergrenze für die BHKW-Leistung werden 25 kW zugrunde gelegt. Bei einer entsprechenden Auslegung kann eine Jahresnutzung von 7 500 Volllaststunden erreicht werden. Unter diesen Rahmenbedingungen beträgt das Neubaupotenzial von BHKW 34,8 MW mit einer Stromproduktion von 261 GWh/a (Tabelle 2). Ein besonders hohes technisches Neubaupotenzial für BHKW ergibt sich mit 221 zusätzlichen Anlagen für die Klasse 4a. Trotz der geringeren Anzahl von 33 Anlagen entfällt jedoch das größte Neubaupotenzial auf die Klasse 5 mit einer elektrischen Leistung von 16,6 MW und einer möglichen Stromerzeugung von 122 GWh/a. Brennstoffzellen haben zwar einen höheren elektrischen Wirkungsgrad als BHKW, erreichen aber wegen der höheren Mindestanlagengröße (250 kW) nur ein ähnlich großes Neubaupotenzial wie BHKW-Anlagen. 26 Kläranlagen ohne Kennzahlen klärgasproduzierender Kläranlagen in Deutschland 2004 T1 nach Größenklassen Größenklasse EW-Bereich Ausbau-EW Anlagen Davon mit BHKW Klärgasproduktion Inst. BHKWKapazität.  

http://www.statistik.baden-wuerttemberg.de/Veroeffentl/Monatshefte/PDF/Beitrag08_03_12.pdf#search=%22stromerzeugung%22