Projekte mit Wärmepumpen und BHKW 12.05.2022, 08:00 Uhr

Biogas und Abwärme: Die Potenziale von Kläranlagen ganz ausschöpfen

Wärmepumpen können die Energiequelle Abwasser erschließen. Auch der Biogasertrag vieler Kläranlagen lässt sich noch steigern. Dafür muss man über Systemgrenzen hinweg denken und etablierte Prozesse neu ordnen. Wie das gehen kann, zeigen die Gemeinden Kapfenberg und Gleisdorf in Österreich.

Luftbild der Abwasserreinigungsanlage in Gleisdorf. Die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach liefert Strom für den Eigenbedarf und zum Betrieb der Wärmepumpe. Foto: Schrotter, Gleisdorf/AWV Gleisdorfer Becken

Luftbild der Abwasserreinigungsanlage in Gleisdorf. Die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach liefert Strom für den Eigenbedarf und zum Betrieb der Wärmepumpe.

Foto: Schrotter, Gleisdorf/AWV Gleisdorfer Becken

Biogas aus den Faultürmen zu nutzen, ist für viele Kläranlagen bereits Standard. Die Niedertemperaturwärme des Abwassers bleibt aber noch oft ungenutzt. Dabei wäre dort durchaus viel zu holen. Eine Absenkung der Abwassertemperatur um 1,5 °C und mehr ist technisch realisierbar. Das heißt, pro Liter Durchfluss kann man 6,3 kW Wärme aus dem Abwasser entnehmen. Die Universität für Bodenkultur Wien hat ausgerechnet, was es heißt, dies in allen größeren Kläranlagen Österreichs mit mindestens 2 000 Einwohner-Gleichwerten umzusetzen. Allein aus dem Abwasser könnten diese Kläranlagen demnach jährlich 3 200 GWh Wärme entnehmen. Rund 160 von ihnen besitzen zudem Faultürme. Nutzt man das darin entstehende Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW), könnte es zusätzlich jährlich gut 231 GWh Wärme liefern. Von den untersuchten 630 Kläranlagen befinden sich 420 in der Nähe von oder in Siedlungen – sie könnten also auch Teil einer Fernwärmeversorgung werden.

Fernwärme aus dem Klärwerk für Kapfenberg

Die Kleinstadt Kapfenberg in der Steiermark zeigt, wie das gehen kann. Am Ufer der Mürz entsteht dort das Projekt „Riverside“ mit 220 Wohnungen, davon 64 in sanierten Altbauten. Rund 850 MWh Wärme werden die neuen Wohnungen pro Jahr brauchen. Die Stadtwerke wollen das neue Viertel mit CO2-freier Fernwärme beliefern. Seit Anfang 2021 stammt diese zum Teil aus einem Biogas-BHKW der Kläranlage, die auf der anderen Seite des Flusses liegt. Mit einigen Änderungen an der Kläranlage soll dieser Teil noch deutlich steigen. Die neue Leitung verbindet nicht nur die Flussufer, sondern bringt auch die Infrastrukturen für Wasser und Energie zusammen. Diese Verzahnung ist zentrales Anliegen mehrerer Forschungsprojekte des AEE – Institut für Nachhaltige Technologien (AEE Intec) aus Gleisdorf.

Abwasser- und Wärmenutzungskonzept für die Kläranlage und das neue Wohnviertel „Riverside“ im österreichischen Kapfenberg. Grafik: Bernd Hrdy

Die Kläranlage in Kapfenberg nutzt das anfallende Biogas bereits seit Langem in einem BHKW. Dieses liefert 60 % des vor Ort benötigten Stroms und 100 % der Wärme. Betrachtet man nur die Kläranlage, scheint das auf den ersten Blick eine gelungene Lösung.

Doch in einer Welt, die als Ganzes klimaneutral werden soll, greift das zu kurz. Biogas ist ein transportabler und speicherbarer Brennstoff. Zudem passen Erzeugung und Verbrauch trotz des 320 m3 fassenden Gasspeichers nicht immer zusammen. Die Kläranlage braucht pro Jahr zusätzlich noch 387 000 kWh Erdgas, während zu anderen Zeiten fast ein Zehntel des Biogases ungenutzt abgefackelt werden muss.

Wärmepumpen-gerechteTemperaturniveaus

Die Projektpartner suchten also nach einer für das Gesamtsystem effizienten Lösung. Dabei sind die Temperaturniveaus ein Knackpunkt. Die Faulprozesse brauchen eine Temperatur von 38 °C. Um diese Temperatur mit dem bestehenden Wärmetauscher im Inneren des Faulturms nachweislich zu erreichen, wurde die bisherige Beheizung mit einer Vorlauftemperatur von 80 °C betrieben. Gleichzeitig hat das Abwasser in der Kläranlage eine durchschnittliche Temperatur von 15 °C. Diese eignet sich sehr gut, um den Temperaturbedarf der Prozesse über eine Wärmepumpe abzudecken. Da mit einer solchen Umstellung eine geringere Versorgungstemperatur einhergeht, wird jedoch eine Anpassung der Faulturmregelung sowie des bestehenden Wärmetauschers nötig, um die Zieltemperatur weiterhin zu erreichen. Durch diese Anpassungen sinkt die notwendige Vorlauftemperatur auf 55 °C. Das erlaubt einen Betrieb der Wärmepumpe bei einer Jahresarbeitszahl von 3,8. Wohn- und Betriebsgebäude werden gedämmt und ebenfalls mit der Wärmepumpe beheizt. Nur für das Warmwasser in den Gebäuden wird auf dem Gelände dann noch Hochtemperaturwärme nötig sein.

Im Sommer deckt das BHKW den gesamten Wärmebedarf der Kläranlage und des Wohngebietes. Im Winter ist dagegen noch zusätzliche Wärme nötig. Sie wird aus einem Biomassekessel stammen. Grafik: Bernd Hrdy

Im Laufe des Jahres 2022 sollen die Detailplanungen für die Wärmepumpe abgeschlossen werden, der Bau ist für 2023 geplant. Pünktlich zur Heizsaison 2023/24 soll die Kläranlage dann etwa die Hälfte der Wärme für das neue Quartier liefern können.

Gleisdorf: Abwasser-Wärme auch fürs Netz

Auch in Gleisdorf soll die Kläranlage künftig Wärme für das Fernwärmenetz liefern. Eine Abwasser-Wärmepumpe und ein BHKW, das mit Biogas aus dem Faulturm läuft, sollen zusammen 750 kW Wärmeleistung beisteuern. Weit mehr als die Hälfte der Wärme im Netz stammt schon heute aus Biomasse, rund 3,5 % aus Sonnenkollektoren.

Im Gegensatz zu Kapfenberg soll in Gleisdorf aber vor allem eine Innovation in der Prozesstechnik das zusätzliche Biogas verfügbar machen. Forschende von AEE Intec wollen aus einem hochkonzentrierten Seitenstrom der Kläranlage per Membrandestillation einen Teil des Stickstoffs dem Abwasser entziehen und daraus den Dünger Ammoniumsulfat herstellen. Auch dieser Aspekt gewinnt an Bedeutung, da zur Herstellung des Ammoniaks für konventionellen Stickstoffdünger Erdgas benötigt wird.

Im Sommer reichen Biogas, Wärmepumpe und Solarthermie

So bleibt für die Mikroorganismen in der biologischen Reinigungsstufe der Kläranlage weniger zu tun. Damit sinkt auch ihr Bedarf an Kohlenstoff – und es bleibt mehr davon für die Biogasproduktion erhalten. Die Membrandestillation bringt also gleich zwei Vorteile: Sie dient als zusätzliche Vorreinigungsstufe und sie steigert die Gasproduktion um 80 %. Das Vorhaben ist Teil des Projekts „ThermaFlex“, das von AEE Intec koordiniert und vom österreichischen Klima- und Energiefonds im Rahmen der Vorzeigeregion „GreenEnergyLab“ gefördert wird.

Um die Wärme aus der Kläranlage zu nutzen, bauen die Stadtwerke Gleisdorf eigens eine etwa 1 km lange Wärmeleitung. In den Sommermonaten werden Biogas und Wärmepumpe zusammen mit der Solarthermie den gesamten Wärmebedarf im Netz liefern. Im Winter wird die Wärmepumpe die Bandlast des Fernwärmenetzes auf niedrigem Temperaturniveau abdecken. Die Errichtung der neuen Energiezentrale und der Wärmeleitung haben bereits begonnen.

Tools erleichtern komplexe Entscheidungen

Wärme, Strom, sauberes Wasser und Nährstoffrückgewinnung – wer ein Gesamtsystem optimieren will, muss viele Faktoren berücksichtigen. Dafür muss man viele Stakeholder an einen Tisch bringen. Doch auch rein technisch ist es schwer, die beste Lösung zu finden. Um die Projekte in Gleisdorf und Kapfenberg zu beurteilen, kam unter anderem das „Decision Support Tool“ aus dem Projekt „AR-HES-B“ (Abwasserreinigung zur hybriden Energiespeicherung, Energiebereitstellung und Wertstoffgewinnung) zum Einsatz.

Mithilfe von Abwasserdaten lassen sich damit Szenarien mit verschiedenen Technologien bewerten. Das Tool bilanziert dabei jeweils Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Biogas, Wärme und Strom und erlaubt eine wirtschaftliche und ökologische Bewertung schon in der Konzeption.

Für das Beispiel Kapfenberg zeigt sich, dass diese vor allem von der Menge der verkauften Wärme abhängt. Gut 46 000 € soll die Fernwärmeleitung von der Kläranlage zum Riverside-Viertel kosten. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung sah schon bei der Investitionsentscheidung im Sommer 2020 gut aus. Der Kläranlagenbetreiber rechnete mit Einnahmen von 5 100 €/a aus dem Wärmeverkauf bei 3 Ct/kWh. So kam man damals auf eine Amortisationszeit von weniger als zehn Jahren. Bezieht man ein, dass der Erdgaspreis seitdem geradezu explodiert ist und dadurch die Fernwärme wiederum mehr Neukundinnen und -kunden gewinnt, lohnt es sich umso mehr.

Attraktiv für neue Verbraucher

Mit der günstigen und sicheren Wärme kann auch die Ansiedlung neuer Verbraucher attraktiv sein. Gewächshäuser, Aquakulturen oder Trocknungsanlagen könnten die Wärme nutzen. Ganzheitlich betrachtet wird auch die Rückgewinnung von Ressourcen wie Stickstoff an Bedeutung gewinnen. So können Kommunen und Wasserbetriebe noch mehr aus dem Abwasser rausholen – nicht nur mehr Energie, sondern auch Rohstoffe und letztlich auch Arbeitsplätze und Steuereinnahmen.

Jürgen Fluch und Wolfgang Gruber-Glatzl, Bereich Industrielle Systeme bei AEE – Institut für Nachhaltige Technologien (AEE Intec).

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