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23.08.2017 14:02

Klärwerk.info / Fachwissen / Energie- und E-Technik / Energieanalysen als Instrumente zur Prozessoptimierung

Energieanalysen als Instrumente zur Prozessoptimierung

In (Ab-)Wasser steckt unendlich viel Energie

Dr.-Ing. G. Seibert-Erling

Beitrag zur Fachtagung „Ökoeffizienz in der Wasserwirtschaft - Schwerpunkt Energieoptimierung von Kläranlagen"
(Kaiserslautern, 19.11.2007) 

1 Einleitung und aktuelle Situation

Die Leistungsfähigkeit der Kläranlagen lässt sich durch Optimierungsmaßnahmen noch beträchtlich
steigern. Die Schaffung zusätzlicher Kapazitäten gelingt heute oft ohne größere
bauliche Erweiterungen allein durch den Einsatz neuer Verfahrens- oder Anlagentechniken.
Aber auch wenn keine Erweiterungen anstehen, ist eine Prozessoptimierung angezeigt um
einerseits die Reinigungsleistung weiter zu steigern und andererseits die Wirtschaftlichkeit
der Anlage zu verbessern.

Die früher oft angeführte Behauptung, dass eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs
nur unter Inkaufnahme einer schlechteren Reinigungsleistung zu erreichen ist, wurde zwischenzeitlich
durch viele Projektbeispiele widerlegt. Eine unabdingbare Voraussetzung für
den Erfolg einer energetischen Optimierung ist allerdings eine interdisziplinäre Herangehensweise
an die Aufgabe. Im Alleingang der Disziplinen und nur auf der Basis von theoretischen
Berechnungen geht die Optimierung in der einen Disziplin zu Lasten einer anderen.
Am Ende hat das Betriebspersonal das Nachsehen und muss sich für nicht realisierbare
Vorschläge rechtfertigen. Nur wenn elektrotechnischer und verfahrenstechnischer bzw. anlagentechnischer
Sachverstand gemeinsam agieren und zudem das erforderliche betriebstechnische
Verständnis aufbringen, gelingt der Spagat einer umfassenden und nachhaltigen
Verbesserung.

Kläranlagen sind große Stromverbraucher und oft der größte Einzelverbraucher innerhalb
einer Kommune (Bild 1). Außerdem ist die Menge des bei der Schlammfaulung anfallenden
Klärgases nicht unbeträchtlich und kann nach neueren Erkenntnissen durch eine Ausnutzung
der vorhandenen baulichen Kapazitäten noch wesentlich erhöht werden. 

Bild 1: Typische Aufteilung des Stromverbrauchs einer Kommune
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse2a.jpg

Mit der in den 90er Jahren eingeleiteten Liberalisierung des Energiemarktes und den in den
nächsten Jahren anstehenden weitreichenden Maßnahmen zur Erreichung der politisch abgesteckten
Klimaziele ergeben sich zukünftig wesentlich veränderte Randbedingungen. Für
die Kläranlagen sind dabei neben den drastisch steigenden Stromkosten vor allem die zu
erwartenden Verpflichtungen zu einer möglichst hochwertigen Nutzung des anfallenden
Klärgases (Primärenergie!) wichtige Eckpfeiler für die Erstellung von Energiekonzepten und
die energetische Optimierung. Die bisherigen Energiekonzepte für Kläranlagen basieren
meist auf einer Nutzung des anfallenden Klärgases zur Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-
Wärme-Kopplung mittels BHKW) mit dem Ziel, den hohen Stromverbrauch möglichst vollständig
durch Eigenerzeugung zu decken. Diese in der Abwasserbranche schon seit etwa 25
Jahren kursierende Idealvorstellung einer energieautarken Kläranlage umfasst allerdings nur
den Strom. Bezieht man die für den Klimaschutz ebenfalls relevante Wärmesituation ein und
verlangt zudem eine möglichst hohe Primärenergieausnutzung, dann ergeben sich unter
Berücksichtigung des Trends zu dezentralen Energieversorgungsstrukturen alternative Möglichkeiten,
die den neuen Anforderungen besser gerecht werden und eine deutlich höhere
Flexibilität bei der Gestaltung von Energiekonzepten zulassen.

Für die Energieoptimierung im Abwasserbereich haben sich unterschiedliche Methoden und
Instrumente etabliert und in der Praxis bewährt, u. a. das Benchmarking, um aus dem Vergleich
mit anderen Anlagen und Betreibern Hinweise auf Verbesserungsmöglichkeiten abzuleiten,
die Simulation als Ergänzung zur konventionellen Bemessung und zur verfahrenstechnischen
und betrieblichen Optimierung oder der Vergleich von spezifischen Kennzahlen
für einzelne Aggregate oder Verfahrensstufen. An vorderster Stelle dürfte allerdings die sog.
Energieanalyse stehen, die speziell auf die verfahrens- und prozesstechnischen Belange der
Kläranlagen zugeschnitten ist mit dem Ziel einer wirtschaftlichen und effizienten Energienutzung.

2 Das Instrumentarium der Energieanalyse

Entwicklung der Instrumente
Die Methode der systematischen Energieoptimierung wurde ursprünglich vor ca. 15 Jahren
in der Schweiz entwickelt und in den folgenden an vielen schweizerischen Kläranlagen erprobt
und verfeinert. In diesem Zuge entstand das erste Handbuch „Energie in Abwasserreinigungsanlagen".

Beeindruckt von Veröffentlichungen und Vorträge über die großen Potenziale durchgeführter
Analysen beauftragte das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und
Verbraucherschutz (MUNLV) des Landes Nordrhein-Westfahlen (früher: MURL = Ministerium
für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft) Mitte der 90er Jahre den schweizerischen
Initiator Ernst A. Müller mit der Entwicklung eines Instrumentariums, mit dem die Energiesituation
der kommunalen Kläranlagen landesweit überprüft und verbessert werden sollte.

Wichtigstes Element war das auf der schweizerischen Vorlage aufbauende Handbuch Energie
in Kläranlagen NRW [1], das von einer interdisziplinär zusammengesetzten Autorengruppe
aus Abwasser- und Energiefachleuten erstellt und dabei von einer Arbeitsgruppe aus
Wissenschaftlern, Ingenieuren und Betreibern unter Leitung des Landesumweltamtes begleitet
wurde. Es enthält als Nachschlagewerk die grundlegenden Zusammenhänge über den
Energiehaushalt von Kläranlagen, gibt Hinweise auf mögliche Einsparungen und vermittelt
die systematische Vorgehensweise zur Durchführung von Energieanalysen. Es wird ergänzt
durch eine Broschüre mit bereits durchgeführten Musterenergieanalysen [2] und ein EDVProgramm
zur Durchführung der notwendigen Berechnungen und zur einheitlichen Darstellung
der Ergebnisse. Es war vorgesehen, dass die Energieanalysen von auf diesem Fach gebiet tätigen Ingenieurbüros durchgeführt werden, wobei die entsprechende Zusatzqualifikation
durch Schulungen oder gleichwertige Nachweise belegt sein sollte.

Als Anreiz für die Durchführung einer Energieanalyse wurde vom MUNLV die Erstellung eines
entsprechenden Gutachtens im Rahmen der „Initiative ökologische und nachhaltige
Wasserwirtschaft" mit bis zu 70% der Kosten des Gutachtens gefördert. Dies hat dazu geführt,
dass in den Jahren 1999 - 2005 eine fast flächendeckende Verbreitung erzielt wurde;
über die großen ermittelten Potenziale wurde bereits mehrfach berichtet [3], [4]. Zu beklagen
bleibt allerdings, dass die Umsetzung der Maßnahmen selbst bei hoher gegebener Rentabilität
nur schleppend verläuft. Das erklärt sich möglicherweise durch die zeitgleich mit dem
Förderprogramm einhergegangenen Strompreissenkungen etwa um 2001. Durch die danach
einsetzende Preisspirale der Stromkosten, deren Ende heute kaum noch absehbar ist, landen
viele zunächst in der Schublade verschwundene Analysen jetzt wieder auf den Schreibtischen.

Der Bedarf an einer Fortsetzung der insgesamt erfolgreichen Aktion wird auch dadurch bestätigt,
dass vom Umweltministerium das ursprüngliche Förderprogramm in modifizierter Fassung
neu aufgelegt wurde. Der Fördersatz liegt weiterhin bei 70% der Kosten des Gutachtens.
Der Umfang der Analysen wurde über die Kläranlage hinaus auf sämtliche Abwasseranlagen
einschließlich Kanalnetz und Pumpwerke ausgedehnt. Als durchaus sinnvolle Bedingung
für die Förderung wird allerdings gefordert, dass die Umsetzung der sog. Sofortmaßnahmen
nachzuweisen ist.

Vorgehensweise und Leistungsumfang einer Energieanalyse
Nach dem Handbuch gliedert sich die Vorgehensweise bei der Energieanalyse einer Kläranlage
in 4 Schritte (Bild 2):

- Mit der Grobanalyse wird die Kläranlage zunächst anhand weniger und einfach zu ermittelnder
Betriebswerte energetisch eingeordnet.

- Bei der Feinanalyse werden die Verbrauchswerte nach Teilanlagen differenziert und mit
theoretischen berechneten Werten gemäß Handbuch verglichen. Soweit sich dabei Abweichungen
nach oben ergeben, muss untersucht werden, mit welchen technischen oder
organisatorischen Maßnahmen eine Verbrauchssenkung möglich ist. Zur Bewertung
der Wirtschaftlichkeit werden die dafür erforderlichen Aufwendungen dem resultierenden
Nutzen gegenübergestellt.

- Die Umsetzung erfolgt nur dann, wenn die einzelnen Maßnahmen oder Maßnahmenpakete
wirtschaftlich sind und sich für den Betreiber rechnen.

- Mit der Erfolgskontrolle wird die Einsparung nachgewiesen; ggf. werden korrigierende
Maßnahmen veranlasst, um ein optimales Ergebnis zu erhalten.

Der Leistungsumfang für die Grob- und Feinanalyse ist in Form eines Pflichtenheftes im
Handbuch detailliert festgelegt. Dadurch wird die für eine Gesamtbewertung der Aktion notwendige
Einheitlichkeit gewährleistet. 

Bild 2: Vorgehensweise bei einer Energieanalyse gem. Handbuch Energie auf Kläranlagen
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse3.jpg

Vergleichbare Aktivitäten in anderen Bundesländern und den europäischen Nachbarländern
Für das Land Baden-Württemberg hat die Universität Stuttgart aufgrund von Umfragen die
energetische Situation auf den Kläranlagen des Landes beleuchtet [5]. Die dabei gewonnenen
Erkenntnisse wurden nach Verfahrensstufen katalogisiert und als Leitfaden für das Betriebspersonal
herausgegeben [6].

Die Abwassertechnische Vereinigung (ATV) hat zum Thema die Broschüre Energiebilanzierung
auf Kläranlagen [7] herausgegeben, die sich allerdings auf die Problematik des Energieverbrauchs
für die Belüftung auf der Basis der CSB-Bilanz beschränkt.

Nach dem Schema des Handbuchs Energie in Kläranlagen NRW wurden seit etwa 2002
auch vermehrt außerhalb von NRW Energieanalysen durchgeführt. Da bei diesen Projekten
in der Regel keine finanzielle Förderung erfolgte, war hier erstaunlicherweise oft sogar eine
noch höhere Motivation für die Durchführung der Analysen und die nachfolgende Umsetzung
der Maßnahmen vorhanden. Untersucht wurden u. a. die Kläranlagen Ahrensburg, Bremen-
Seehausen und Nürnberg.

In Österreich wurde eine flächendeckende zeitgleiche Untersuchung an rd. 20 Kläranlagen
vorgenommen. Die Ergebnisse sind in einem gemeinsamen Abschlussbericht zusammengefasst.
Dieser ist allerdings bisher nicht veröffentlicht, liegt dem Verfasser allerdings vor.

In der Schweiz wurde die Methodik aufgrund der erfolgreichen Ergebnisse im Abwasserbereich
zwischenzeitlich auch für die Wasserversorgung eingeführt. Hierzu existiert seit 2005
ein Handbuch, und es liegen die Ergebnisse der ersten Musteranalysen vor [8]. Mit der Erkenntnis,
dass das Instrumentarium der Energieanalysen universell anwendbar ist, wurden die kommunalen Anlagen zu einem neuen Bereich „Infrastrukturanlagen" zusammengefasst.
Ausführliche und aktuelle Informationen dazu sind über die entsprechende Homepage einzusehen
http://www.infrastrukturanlagen.ch.

Energieanalysen haben auch Eingang in den industriellen Bereich gefunden, hier zunächst
für die Werkskläranlagen. Untersuchungen wurden u. a. durchgeführt für die Gemeinschaftskläranlage
Wupperverband/BAYER-Werk in Leverkusen sowie für die Infraserv am Standort
Wiesbaden. Weiterhin wurden in modifizierter Form branchenspezifische Untersuchungen
für Brauereien, Molkereien, Bäckereien, Hotels und Flughäfen durchgeführt.

Kurzum gibt es kaum noch Bereiche, verfahrenstechnische Anlagen oder Produktionsstätten,
für die nicht in irgendeiner Form Energieanalysen durchgeführt wurden, aus denen Vergleichs-
oder Referenzwerte für weitere Untersuchungen herangezogen werden können.
Diese Entwicklung ist insgesamt erfreulich. Dass dabei die Feinanalyse häufig Pate gestanden
hat, bestätigt die universelle Anwendbarkeit dieser Methode. Das sollte aber keinesfalls
dazu führen, diese als Standard festzuschreiben. Vielmehr muss die Methode aufgrund der
Erfahrungen aus den zuletzt durchgeführten Projekten und mit Blick auf die sich ändernden
Strukturen im Energiebereich in den nächsten Jahren an die zukünftigen Anforderungen angepasst
werden. Das betrifft u. a. die Differenzierung des Energiepreises, die stärkere Berücksichtigung
der Wärme, den Nachweis der Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung der
Lebenszykluskosten der Aggregate, die Dezentralisierung der Energieversorgung und vor
allem die Wertigkeiten der einzelnen Energieformen (fossil, erneuerbar, Klima schädigend,
transportierbar, etc.)

3 Zur Motivation der Betreiber und zu den Aktivitäten in der Abwasserbranche

In den ersten Jahren nach Anlaufen des Untersuchungsprogramms in NRW wurden von der
DWA (früher ATV-DVWK) Schulungen, Seminare und Tagungen veranstaltet. Die erste größere
überregionale Veranstaltung waren im Jahr 2000 die Energietage in Bielefeld.

Bedauerlicherweise ließ dann das Interesse in Erwartung noch weiter sinkender Strompreise
(Bild 3) nach. Dies änderte sich auch nach der erkennbaren Trendumkehr in der Preisentwicklung
um 2001 nicht sonderlich, obwohl zu diesem Zeitpunkt auch schon erkennbar war,
dass der Anteil an Steuern um Umlagen (Ökosteuer, EEG- und KWK-Umlage) absehbar zu
einer merklichen Preissteigerung beitragen würde. Rückblickend wäre es möglicherweise
wirkungsvoller gewesen, die Ökosteuer nicht „schleichend" mit jährlicher Steigerung, sondern
sofort mit dem vollen Betrag von 2 Ct./kWh einzuführen. Mit der dadurch verursachten
„Schockwirkung" hätte man möglicherweise die politisch angestrebte Änderung des
Verbrauchsverhaltens erreicht. Die schrittweise Erhöhung hat hingegen außer den alljährlichen
Unmutsäußerungen kaum konkrete Änderungen auf der Verbraucherseite hervorgerufen.

Bild 3: Preisentwicklung und energetische Einflussfaktoren
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse4.jpg

Das böse Erwachen ist somit eigentlich erst eingetreten, nachdem in den letzten beiden Jahren
die Strompreise von den Energieversorgern teilweise drastisch erhöht wurden (Bild 4). In
Verbindung mit den steigenden Umlagen EEG und KWK sowie der Mehrwertsteuererhöhung
zum Jahreswechsel 2006/2007 standen viele Betreiber am Ende vor einer „saftigen" Erhöhung
der Energiekosten von etwa 30%. Mit der zeitgleich entfachten Diskussion um den Klimawandel
und die seitdem gesammelten Erfahrungen mit den der Menschheit ganz offensichtlich
bevorstehenden Veränderungen in Form bisher nicht gekannter Wetterkapriolen und
Naturkatastrophen ist das Thema Energie jetzt Chefsache. 

Bild 4: Kostenaufteilung vor und nach der Liberalisierung des Strommarktes
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse5.jpg

Für weiteren Zündstoff sorgt die Diskussion um die Zuverlässigkeit und Versorgungssicherheit
bei der Elektrizität. Die abgeknickten Strommasten im Münsterland haben uns vor Augen
geführt, wie abhängig wir im privaten, gewerblichen und industriellen Bereich von einer gesicherten
Stromversorgung sind. Die Beteuerungen der großen Energieversorger, dass uns
das europäische Verbundnetz als Rückgrat nahezu unverwundbar macht, ist seit dem „Fall
Papenburg" fast ins Gegenteil verkehrt; es hat sich nämlich gezeigt, dass ein einzelner Mitarbeiter
in der Lage ist, in halb Europa den Strom auszuknipsen. Nachdem sich abzeichnet,
dass die Energieversorger für die Folgen solcher Ausfälle nicht in die Haftung genommen
werden können, kommt bei vielen Kläranlagenbetreibern Unruhe auf in Bezug auf die Verantwortung
für die Nichteinhaltung der Reinigungsleistung bei Stromausfällen.

Von den Kläranlagenbetreibern und nahezu der gesamten Abwasserbranche weitgehend
unbemerkt geblieben sind die in den nächsten Jahren zu erwartenden Änderungen im energierechtlichen
Umfeld, welches zwischenzeitlich selbst für Spezialisten eine kaum noch zu
überblickende Komplexität angenommen hat (Bild 5). Die systematische Übersicht soll nicht
darüber hinwegtäuschen, dass es sich um ein Geflecht aus konkurrierenden, nicht aufeinander
abgestimmten und teilweise sogar zueinander widersprüchlichen Einzelgesetzen handelt,
deren Halbwertszeit zuweilen kürzer ist als der Zeitbedarf für die Umsetzung der europäischen
Richtlinien in nationales Recht; überspitzt ausgedrückt sind manche Gesetze schon
am Tage ihrer Verkündigung inhaltlich überholt. 

Bild 5: Energierecht 2007
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse6.jpg

Insofern ist es nicht erstaunlich, dass offenbar nur wenige Fachleute in der Branche darüber
informiert sind, dass nach den letzten vorliegenden Gutachten zur anstehenden Novellierung
des EEG [9], [10] das Klärgas aus der Förderung herausfallen soll. Bei den derzeitigen Vergütungssätzen, die leider so niedrig sind, dass eine Einspeisung kaum noch lohnt, ist das
zwar faktisch ohne Belang. Dass damit aber möglicherweise die Anerkennung der Energie
aus Abwasser als erneuerbare Energie in Frage gestellt ist, dürfte vor dem Hintergrund der
noch weitgehend unerschlossenen Potenziale zur Abwasserwärmenutzung, der Einspeisung
von Biogas oder anderer alternativer Nutzungsmöglichkeiten keinesfalls gleichgültig sein.
Hier besteht kurzfristig ein erheblicher Handlungsbedarf bei der Gestaltung der rechtlichen
und insbesondere der steuerlichen Rahmenbedingungen.

Mit den sog. Meseberger Thesen [11] hat die Bundesregierung die politischen Rahmenbedingungen
für die Erreichung der Klimaziele abgesteckt und zugleich die ministeriellen Zuständigkeiten
für die Umsetzung festgelegt. Nachdem Politik und Wirtschaft erkannt haben,
dass es dabei nicht nur um Klima- und Energieaspekte, sondern auch um die Schaffung von
Arbeitsplätzen und um positive Auswirkungen auf die Wirtschaft geht, darf man davon ausgehen,
dass die betroffenen Branchen bei der Gestaltung der zukünftigen Rahmenbedingungen
ein gewichtiges Wort mitreden werden. Die Abwasserbranche muss erkennen, dass
Sie an dieser Stelle gefordert ist, neue Konzepte zu entwickeln und aktiv in die Diskussion
einzubringen. Derzeit kann man sich des Eindruckes nicht erwehren, dass die Branche darauf
wartet, erst noch entdeckt zu werden. Angesichts der wirtschaftlich und ökologisch äußerst
sinnvollen Energiepotenziale auf Kläranlagen müssen neue und den zukünftigen Anforderungen
entsprechende Konzepte erarbeitet werden, um darauf aufbauend die Anforderungen
für die weitere Umgestaltung der Energieversorgungsstrukturen mit dem Ziel einer
weiteren Dezentralisierung und nachhaltigen Nutzung voranzutreiben.

4 Energieanalysen zur Prozessoptimierung auf der Kläranlage

Nach dem bisherigen Verständnis der Energieanalysen ist als Systemgrenze die Kläranlage
mit Einlaufpumpwerk, den Stufen einer weitergehenden Abwasserreinigung (Filteranlage)
und bei der Schlammbehandlung bis zur Entwässerung festgelegt. Ebenfalls auf dem Gelände
befindliche Bauwerke wie Regenwasserhandlung, Schlammtrocknung und -verbrennung
wurden ausgeklammert, weil sich aus damaliger Sicht die Bearbeitung einer Energieanalyse
unter dem Gesichtspunkt der Standardisierung und Vergleichbarkeit deutlich verkompliziert
hätte. Insofern ist bis heute der Leistungsumfang einer Energieanalyse sehr stark auf die
wesentlichen Verfahrensstufen der Kläranlage fokussiert.

Die Beurteilung der energetischen Situation einer Kläranlage erfolgt durch die Ermittlung
genau festgelegter Kennzahlen und deren Vergleich mit den sog. Richt- und Idealwerten. Bei
den Kennzahlen handelt es sich zunächst um spezifische Energiewerte, die auf die tatsächliche
mittlere Belastung, ausgedrückt in Einwohnerwerten, bezogen sind und im Weiteren um
aus diesen Werten berechneten Kenngrößen zur Beurteilung der Energieeffizienz. Im Einzelnen
dienen folgende Kennwerte zur Beurteilung:

- der spezifische Stromverbrauch der gesamten Kläranlage
- der spezifische Stromverbrauch der Belebungsstufe
- der Grad der Faulgasnutzung
- die spezifische Faulgasproduktion
- der Eigenversorgungsgrad für Wärme und Strom

Für jede dieser Kennzahlen sind im Handbuch Richt- und Idealwerte gestaffelt nach den
Größenklassen der Kläranlagen angegeben. Die Richtwerte wurden aufgrund statistisch
ausgewerteter Umfragen unter den Kläranlagen in NRW empirisch ermittelt und sollten von
jeder Kläranlage mindestens erreicht werden. Die Idealwerte ergeben sich aus technischen
Berechnungen unter möglichst idealen Bedingungen und beim Einsatz von Aggregaten, die
dem Stand der Technik entsprechen. Die vollständige Tabelle ist im Handbuch enthalten.

Ohne im Weiteren auf die Einzelwerte einzugehen, lässt sich aus den bisherigen Erfahrungen
als grobe Einteilung angeben, dass die Mehrzahl der bisher untersuchten Kläranlagen
im Bereich von 30 - 50 kWh/(EW*a) lag und in der Regel etwa 10 - 20 kWh/(EW*a) über
dem Richtwert, was einem realisierbaren Einsparpotenzial von etwa 20 - 30 % entspricht.
Nur wenige Anlagen lagen im vorgefundenen Zustand in der Größenordnung der Richtwerte.
Viele Anlagen, darunter auch teilweise große Anlagen (größer 100.000 EW) liegen bei spezifischen
Werten über 50 kWh/(EW*a). Hier besteht nicht nur aus Kostengründen ein dringender
Handlungsbedarf, sondern angesichts der Klimadiskussion vor allem auch aus ökologischen
Gründen.

„Gesammelte Erfahrungen" aus durchgeführten Analysen
In der Anfangsphase des Untersuchungsprogramms in NRW mit noch wenigen Erfahrungen
im Umgang mit den Instrumenten der Energieanalyse war die Durchführung zunächst stark
formalisiert. Die Untersuchungen wurden streng nach dem vorgegebenen Ablaufplan und
unter Einhaltung des im Pflichtenheft vorgegebenen Leistungsumfangs abgewickelt. Dies
war aus heutiger Sicht insofern auch richtig, weil dadurch einerseits die Vergleichbarkeit der
Ergebnisse gewährleistet war und vom Ministerium aus der Vielzahl der Analysen schnell
und zuverlässig Schlüsse zur energetischen Gesamtsituation der Kläranlagen gezogen werden
konnten.

Die vergleichsweise zügige und formalisierte Abarbeitung des Programms hat aber auf der
anderen Seite dazu geführt, dass die individuelle Situation einer jeden Kläranlage ein wenig
zurückgedrängt wurde. Mit den gewonnenen Erfahrungen aus vielen durchgeführten Analysen
bleibt aus heutiger Sicht festzustellen, dass man sich vielleicht weniger mit den Formalismen
der einheitlichen Bearbeitung hätte beschäftigen sollen. Stattdessen wäre es oft sinnvoller
gewesen, größeren Wert auf die Erkennung der wirklichen „big points" zu legen und
auf Seiten der Betreiber auf eine Entscheidung für die zeitnahe Umsetzung dieser Maßnahmen
zu drängen. Aus der Vielzahl der durchgeführten Analysen und sonstigen Projekten im
Zusammenhang mit der energetischen Optimierung von Kläranlagen sollen die nachfolgenden
Beispiele verdeutlichen, dass auf den Kläranlagen große energetische Potenziale vor handen sind, die vor allem nach dem drastischen Anstieg der Energiekosten zu teilweise
äußerst wirtschaftlichen Konditionen umgesetzt werden können.

Optimierungsbeispiel: Erneuerung eines Turboverdichters auf dem Klärwerk Düsseldorf
Auf dem Klärwerk Düsseldorf-Nord ergaben sich aufgrund detaillierter Wirkleistungsmessungen
an den vorhandenen 4 Turboverdichtern deutliche Unterschiede in der energetischen
Effizienz der Aggregate. Da zudem eine altersbedingte Erneuerung erforderlich war, wurde
2006 zunächst ein neues Aggregat beschafft (Bild 6). Im Vergleich der aufgenommenen
Kennlinien (Bild 7) ergeben sich deutliche Unterschiede, vor allem nach dem Alter der Aggregate.
Legt man bei einer Luftmenge von 20.000 Nm3/h einen Schnitt durch die Kurven,
dann bleibt festzuhalten, dass man diese Luftmenge je nach ausgewählter Maschine mit
einer elektrischen Antriebsleistung von 300, 500 oder 700 kW erzeugen kann. In diesen Werten
spiegelt sich der technische Fortschritt im Bereich der Turboverdichter in den letzten 30
Jahren wieder. Den höchsten Verbrauch weisen die ältesten Aggregate aus dem Jahr 1978
auf. Diese besitzen noch einfache geschweißte Laufräder mit geraden Schaufeln. Die nächste
Generation aus dem Jahr 1990 besitzt bereits strömungstechnisch optimierte gekrümmte
Schaufeln. Bei den Verdichtern der neuesten Generation ist das Turbinenrad nach neusten
strömungstechnischen Erkenntnissen ausgebildet. Es wird für jede Belastungssituation individuell
ausgelegt und unter Anwendung von CAE-Methoden und modernster Fertigungstechnik
aus einem vollen Aluminiumblock gefräst. Berücksichtigt man weiterhin, dass sich ein
solches Laufrad später mit ca. 30.000 U/Min möglichst schwingungsfrei drehen muss, dann
werden insgesamt sehr hohe Qualitätsanforderungen an die Maschine gestellt, die sich natürlich
auch im Preis niederschlagen. Die Gesamtkostenkosten für die Maßnahme lagen im
vorliegenden Fall bei rd. 500.000 EUR. Gerade bei Pumpen und Verdichtern wird aber oft
übersehen, dass die Investitionskosten in der Regel nur 1/10 der sog. Lebenszykluskosten
ausmachen.

Für die neue Maschine kann man ausgehend von einer Antriebsleistung bei Volllast von 600
kW berechnen, dass Sie bei einer Lebensdauer von 100.000 Bh in etwa 10 Jahren rd. 60
Mio. kWh verbraucht. Schon bei einem mittleren Preis von 10 Ct./kWh liegen die Energiekosten
dann bei rd. 6 Mio. EUR. Für die Beschaffung und den Betrieb energieintensiver Maschinen
wird dadurch die Bedeutung einer Betrachtung über den gesamten Lebenszyklus deutlich.
Die auch heute immer noch übliche Entscheidung allein aufgrund der Investitionskosten
ist vor dem Hintergrund der aktuellen Entwicklungen im Energiebereich ein mit allen gebotenen
Mitteln zu beseitigendes Relikt, dem das Vergaberecht und die Vergabepraxis der öffentlichen
Hand leider noch in vielen Punkten entgegenstehen.

Hinsichtlich des Betriebsverhaltens wurde der neue Turboverdichter so in die vorhandene
Regelung integriert, dass er als priorisierte Maschine möglichst alleine den gesamten Luftbedarf
der Anlage abdeckt, während vorher stets zwei Maschinen im Parallelbetrieb arbeiteten.
Daher liegt die erzielte Einsparung noch deutlich höher als es sich zunächst aus der
Differenz von i. M. 300 kW zu den älteren Aggregaten ergeben würde. Aufgrund der
Verbrauchswerte der Kläranlage kann man davon ausgehen, dass durch den Betrieb des
neuen Aggregates jährlich etwa 3 Mio. kWh oder mehr Strom eingespart werden. Die Kosteneinsparung
liegt somit bei etwa 300.000 EUR/a, was am Ende zu einer Amortisierung der
Maßnahme innerhalb von 2 Jahren führt. Gleichwohl sollte bei Investitionen im Energiebereich eine kurze Amortisierungszeit möglichst unter 3 Jahren nicht zur Bedingung gemacht
werden, wie es von Kaufleuten gefordert wird. Häufig wird dabei übersehen, dass der Energieverbrauch
auch nach 3 Jahren unverändert hoch ist und bei steigenden Kosten sich eine
Sanierung umso mehr gerechnet hätte.

Bild 6: Neuer Turboverdichter (Bj. 2006) und Laufrad eines alten Verdichters (Bj. 1978)

Bild FW-Ene-Seibert-Analyse7.jpg
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse8.jpg


Bild 7: Kennlinien der unterschiedlichen Turboverdichtergenerationen (Bj. 1978, 1990 und 2006)
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse9.jpg

Durchführung einer Energieanalyse für die Kläranlage Ahrensburg
Für die Kläranlage Ahrensburg wurde 2003 eine energetische Grob- und Feinanalyse durchgeführt.
Eine besondere Herausforderung bei diesem Projekt war die verfahrenstechnische
Komplexität der Kläranlage, die teilweise daraus entstanden ist, dass die Anforderungen an
die Stickstoff- und Phosphorelimination unter möglichst vollständiger Nutzung der vorhandenen
alten Bausubstanz umgesetzt wurden und die dazu erforderliche Verfahrenstechnik mit
wissenschaftlichen Ansätzen nach und nach entwickelt wurde. Am Ende wurde dieses Ziel
zwar erreicht und die geforderte Reinigungsleistung eingehalten. Die energetischen Aspekte
blieben allerdings weitgehend unberücksichtigt. Folglich ergab sich zunächst eine aus der
Sicht des Betreibers energetisch äußerst ungünstige Ausgangssituation mit einem spezifischen
Verbrauchswert für die Gesamtanlage, der über dem Doppelten des auf die Anlage
angepassten Richtwertes lag. Die Beurteilungskriterien sind in der folgenden Übersicht
(Bild 8) zusammengefasst. 

Bild 8: Beurteilungskriterien der Kläranlage Ahrensburg im Ausgangszustand 

Beurteilungskriterien  IST-Zustand  Richtwert  Idealwert 
gesamter spez. Elektrizitätsverbrauch pro EW BSB  83 kWh/EW a  40 kWh/EW a  33 kWh/EW a 
spez. Elektrizitätsverbrauch Belebung pro EW BSB  36 kWh/EW a  23 kWh/EW a  18 kWh/EW a 
Grad der gesamten Faulgasnutzung  99 %  98 %
99 %
Grad der Faulgasumwandlung
in Kraft/Elektrizität 
31 %  30 %
31 %
spez. Faulgasproduktion pro
kg oTR eingetragen 
712 l/kg oTR  450 l/kg oTR  475 l/kg oTR 
Eigenversorgungsgrad  Wärme  95 %  97 %
98 %
  Elektrizität  44 %
58 %
78 %

Aufgrund umfangreicher Messreihen und Datenauswertungen konnte die für die energetische
Bewertung der einzelnen Stufen erforderliche Verbrauchermatrix mit Unterstützung des
Betriebspersonals sehr zügig und mit vergleichsweise hoher Genauigkeit aufgestellt werden.
Darauf aufbauend wurden dann die Maßnahmen zur Reduzierung des Verbrauchs festgelegt.
Unter Berücksichtigung der in Sofort- (S), kurzfristige (K) und abhängige (A) Maßnahmen
eingeteilten Vorschläge und der für jede Maßnahme zu prognostizierenden Kosten und
der zu erwartenden Einsparungen gelangt man dann zu der insgesamt zu erwartenden Reduzierung
der Verbrauchswerte, der Energiekosten und der Wirtschaftlichkeit (Bild 10).

Das Endergebnis spiegelt sich im Energienachweis nach Umsetzung sämtlicher Maßnahmen
(Bild 9) wieder. Zwar wird der Verbrauch deutlich reduziert, er bleibt aber wegen der technischen
Komplexität und der energetisch teilweise sehr ungünstigen Bausituation immer noch
deutlich über dem Richtwert. 

Bild 9: Energienachweis nach Umsetzung sämtlicher Maßnahmen

  IST-Zustand nach Realisierung
der Maßnahmenpakete 
Richtwert Idealwert
S + K  S + K + A 
gesamter spez. Elektrizitätsverbrauch 83 kWh/EWa 78 kWh/EWa 65 kWh/EWa 56 kWh/EWa 40 kWh/EWa 33 kWh/EWa
spez. Elektrizitätsverbrauch Belebung 36 kWh/EWa 36 kWh/EWa 36 kWh/EWa 36 kWh/EWa 36 kWh/EWa 36 kWh/EWa
Grad der gesamten Faulgasnutzung 99 %  99 %
99 %
99 %
98 %
99 %
Grad der Faulgasumwandlung
in Kraft/Elektrizität
31 %
31 %
31 %
31 %
31 %
32 %
spez. Faulgasproduktion pro
kg oTR eingetragen
712 l/kg oTR  712 l/kg oTR
712 l/kg oTR
712 l/kg oTR
450 l/kg oTR
475 l/kg oTR
Eigenversorgungsgrad Wärme 95%  95%
95%
95%
98%
99%
Eigenversorgungsgrad Elektrizität 40%  42%
51%
59%
68%
90%

Bild 10: Nachweis der Verbrauchs- und Kosteneinsparung und der Wirtschaftlichkeit
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse10.jpg
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse11.jpg
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse12.jpg
Da es sich teilweise um sehr einfache und mit betrieblichen „Bordmitteln" umsetzbare Maßnahmen
handelte, wurden diese von der Betriebsleitung kurz entschlossen schon vor der
Fertigstellung der Analyse in Angriff genommen. Daraus ergab sich die für eine Energieanalyse
zunächst ungewohnte, aber sehr erfreuliche Situation, dass die Verbrauchsreduzierungen
noch im Laufe der Untersuchungen wirksam wurden. Der Gesamtverbrauch der Kläranlage
konnte merklich abgesenkt werden (Bild 11), obwohl gerade in diesem Jahr außergewöhnlich
hohe Niederschlagsmengen zu bewältigen waren. Die Erwartung einer deutlich
niedrigeren Stromrechnung wurde zudem durch eine zwischenzeitliche Preiserhöhung gedämpft.
Dennoch ließ sich am Ende nachweisen, dass die Stromrechnung ohne die Umsetzung
der bis dahin durchgeführten Maßnahmen um knapp 100.000 EUR höher ausgefallen
wäre.

Bild 11: Energieverbrauch und -produktion im Untersuchungsjahr
Bild FW-Ene-Seibert-Analyse13.jpg

5 Ausblick: Möglichkeiten und Potenziale „jenseits des Tellerrandes"

Die energetische Situation auf den Kläranlagen lässt sich mit dem Instrumentarium der Energieanalysen
wirksam beurteilen und technisch-wirtschaftlich optimieren. In den vor uns
liegenden Zeiten mit deutlich veränderten energiepolitischen Zielsetzungen als unmittelbare
Konsequenz aus dem sich abzeichnenden Klimawandel werden sich einschneidende Veränderungen
für die Verbraucher, Verteiler und Erzeuger von Energie ergeben. Auf einzelne die
Abwasserbranche betreffende Aspekte wurde bereits an unterschiedlichen Stellen in diesem
Manuskript eingegangen. Für die Kläranlagen als Großverbraucher und Energieerzeuger
werden vor allem die preislichen Auswirkungen interessant sein, wobei man sicherlich weiterhin
von einer stetigen und nicht zu knappen jährlichen Steigerung ausgehen kann. Unter
diesen Voraussetzungen kann man als betriebliches Ziel möglicherweise formulieren, durch
Effizienzsteigerung und Verbrauchsreduzierung zumindest die Energiebezugskosten auf
dem derzeitigen Niveau zu stabilisieren. Dies ist aber keinesfalls gleichzusetzen mit einer
Deckelung der Ausgaben, sondern die Verbrauchsreduzierung lässt sich in der Regel nur
durch zusätzliche Investitionen erreichen. Zwar ergibt sich unter dem Strich für die Kläranlage
möglicherweise kein finanzieller Vorteil. „Jenseits des Tellerrandes" ergibt sich aber eine
Veränderung dahin gehend, dass die zusätzlichen Mittel nicht wie bisher als Stromkosten an
die großen Energiekonzerne abfließen, sondern in Form von umzusetzenden maschinenoder
elektrotechnischen Maßnahmen für Beschäftigung sorgen, meist sogar in der Region.

Eine bisher noch kaum wahrgenommene Chance ergibt sich, wenn man die Kläranlage nicht
als eigenständiges energetisches Objekt sieht, dass der schon 25 Jahre alten Idealvorstellung
der energieautarken Anlage hinterherläuft. Einerseits ist die Autarkie ohnehin nur auf
die Stromversorgung ausgerichtet und lässt die immer wichtiger werdende Wärmebilanz außer
Acht. Autarkie hat durchaus positive Seiten wie die Unabhängigkeit und eine gewisse
Selbstbestimmung des Geschehens. Auf der anderen Seite beschränkt sie aber auch die
technischen Freiheitsgrade und führt zur Isolation.

Gerade in den letzten Jahren sind auf politischer Ebene die Weichen für eine Dezentralisierung
der Energieversorgung gestellt worden mit dem Ziel einer verbesserten Einbindung der
erneuerbaren Energien und des vereinfachten Austausches der unterschiedlichen Energiearten
Strom, Gas, Wärme und Kälte. Das eigentliche Ziel ist dabei eine möglichst nachhaltige
und effiziente Nutzung der eingesetzten Primärenergie. Die bisherige Energiestruktur mit
zentralen Kraftwerken zur Stromerzeugung nimmt den Verlust der gesamten anfallenden
Wärme in Kauf und erreicht deshalb oft nur Gesamtwirkungsgrade von ca. 40%. Eine dezentrale
Energieversorgung kann zwar nicht mit den spezifisch günstigen Investitionskosten der
Großkraftwerke konkurrieren, sie kann diesen Nachteil aber durch eine möglichst vollständige
Primärenergienutzung und der gleichzeitigen Bereitstellung mehrerer benötigter Energiearten
zu einem großen Teil kompensieren.

Die Kläranlagen kann man insofern als kleine Energiezentralen ansehen, in denen seit jeher
sämtliche Energiearten anfallen, umgewandelt oder verbraucht werden. Es mangelt allerdings
noch deutlich an der effizienten und nachhaltigen Nutzung. Dieser Mangel lässt sich
jedoch durch eine veränderte energetische Einbindung der Kläranlagen in das Umfeld abstellen.
Es geht dabei insbesondere um die Nutzung des anfallenden Klärgases und die in
großer Menge vorhandene Abwasserwärme.

Für eine durchaus realistische Zukunftsperspektive darf man unterstellen, dass sich der
Stromverbrauch der Kläranlagen aufgrund der steigenden Energiekosten in den nächsten
Jahren durch Maßnahmen zur Effizienzsteigerung deutlich reduzieren wird. Ebenfalls wird
der Wärmebedarf durch Verbesserungen der Baukonstruktion und durch die verfahrenstechnische
Optimierung der Schlammbehandlung abnehmen. Wenn sich weiterhin durchsetzt,
die vorhandenen Reservekapazitäten im Bereich der Schlammbehandlung besser zu nutzen,
dann produziert die Kläranlage einen Energieüberschuss, den sie kaum noch selbst sinnvoll
verwerten kann. Die bisherige Nutzung zur Kraft-Wärme-Kopplung ist insofern ineffizient als
die auf hohem Temperaturniveau anfallende Wärme ohne Nutzung abgekühlt und am Ende
lediglich zur Aufheizung des Schlammes auf ein vergleichsweise niedriges Temperaturniveau
von 36 Grad C. verwendet wird. Die dafür benötigte Wärme kann alternativ mittels Wärmepumpen
aus dem ganzjährig warmen Abwasser gewonnen werden.

Eine weitaus sinnvollere Variante ist daher die Abgabe des anfallenden Klärgases, entweder
über eine Direktleitung zu einem nahegelegenen externen Verbraucher oder durch Aufbereitung
und Einspeisung in das Erdgasnetz. Bislang blieb die Kläranlage als Energieversorger
wegen der für eine Fern- oder Nahwärmeversorgung zu großen Entfernung zu Wohn- oder
Gewerbegebieten meist unberücksichtigt. Mit der Liberalisierung des Strom- und Gasmarktes
und den politischen Weichenstellungen für eine dezentrale Energieversorgung ergeben
sich deutlich günstigere Voraussetzungen für die Realisierung solcher Projekte. Es kommt
jetzt darauf an, dass die Kläranlagenbetreiber diese Chancen erkennen und sich mit den
kommunalen Energieversorgern an einen Tisch setzen, die noch vorhandenen Hemmnisse
abbauen und am Ende zu ökologisch sinnvollen und sicherlich auch wirtschaftlichen und
nachhaltigen Lösungen kommen.

Literatur
Auf die Angabe der genannten Literaturstellen [xx] wurde aus Platzgründen verzichtet. Die entsprechende Liste
kann jedoch beim Verfasser angefordert werden.


Anschrift des Verfassers:
Dr.-Ing. G. Seibert-Erling

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