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 Maßnahmenumsetzung ergeben sich Stromeinsparungen in Höhe von jährlich 283 MWh. Dies entspricht einer Reduktion der CO2 Emissionen von rund 152 t CO2 pro Jahr.

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 im BMWi-Wettbewerb Energieeffizienz bis zu 50 % gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Kosten hängt letztlich davon ab, welchen Anteil an den Gesamtinvestitionskosten die effizienzbezogenen Kosten (Investitionsmehrkosten und -nebenkosten) aufweisen.

Ausführliche Hinweise zur Berechnung der effizienzbezogenen Kosten finden sich im Merkblatt "Allgemeine Hinweise zur Antragstellung", welches unter "Mitmachen" und "Antragsstellung" auf im Webauftritt des BMWi-Wettbewerbs Energieeffizienz abrufbar ist.

Grundlegendes Kriterium für die Zulassung zum Wettbewerb ist, dass die Amortisationszeit des Projektes, berechnet aus den effizienzbezogenen Investitionskosten und der Summe der eingesparten Energiekosten, mindestens vier Jahre beträgt.

Im Projektbeispiel können durch die hocheffiziente Drucklufterzeugung und Belüftungstechnik jährlich 283 MWh an elektrischer Energie eingespart werden. Bei einem Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach gut fünf Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach 2,6 Jahren.

Das zentrale Kriterium für die Förderentscheidung im Wettbewerb ist die je Fördereuro erreichte CO2-Einsparung pro Jahr ("Fördereffizienz"). Diese liegt im beschriebenen Projekt bei der maximal möglichen Fördersumme von 108.500 € (50 % Förderquote) und einer erwarteten Einsparung von 152 t CO2 pro Jahr bei etwa 714 € pro t CO2 und Jahr. Der Antragsteller kann aber selbst entscheiden, ob er eine geringere Förderquote wählt, somit seine Fördereffizienz verbessert und dadurch die Chancen im Wettbewerb um die Fördermittel erhöht.