"In Klärwerken geht der Strom den Bach runter"

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so titelten die VDI-Nachrichten, Nr. 30/97 vom 25.7.1997 auf S. 9. Diese für Kläranlagen wenig schmeichelhafte These wurde mit Untersuchungsergebnissen aus Hessen belegt, wonach Klärwerke "…mit 30% bis 60% weniger Energie auskommen und so die Umwelt und die Gebührenzahler beträchtlich entlasten könnten". Wenngleich seit 1997 auf diesem Gebiet einiges geschehen ist, gilt die Grundaussage auch noch heute. Die Kläranlage ist meist der größte kommunale Stromverbraucher.

SEIBERT-ERLING, 2007 nennt als typischen Anteil 31% am Stromverbrauch einer Kommune, also mehr noch als Straßenbeleuchtung (25%) und Schulen (24%). Und, durch entsprechende Optimierung lassen sich auch heute 40 bis 60% des Strombezugs einer Kläranlage einsparen MITSDOERFFER & CHRIST, 2008.

Die Energieeinsparpotenziale einer Kläranlage liegen vor allem in der Biologie, der Schlammbehandlung und der Eigenstromerzeugung. Allein auf die Belebungsstufe entfallen 50 bis 70% des Energieverbrauchs in Kläranlagen.

Der schnellste Weg zur Verbesserung der Energieeffizienz führt hier über sparsame Gebläse (Sauerstoffertrag ≥ 2,5 kg O₂/kWh) und Rührwerke (ausreichende Sohlgeschwindigkeit des Abwassers mit Energieeintrag ≤ 2 W/m³ Beckenvolumen), siehe z.B. WAGNER, 2001, CORNEL et al., 2006, WAGNER et al., 2007.

Kommen dabei noch intelligente Regelstrategien zum Einsatz, können deutliche Energieeinsparungen erzielt werden. PATT & SÖHNGEN, 2003 berichten über Energieeinsparungen von bis zu 40% erzielen, wobei oft sogar noch eine Verbesserung der Ablaufwerte eintritt (MARTENS et al., 2005).

Auch die Entkoppelung von Sauerstoffeintrag und Umwälzung des belebten Schlamms führt in aller Regel zu Energieeinsparungen. Auf einer von der EnviaTec GmbH untersuchten Kläranlage wird die erforderliche Sohlgeschwindigkeit zur Vermeidung des Absetzens des Belebtschlamms durch Energieeintrag über die Belüftung aufrechterhalten. Damit müssen die Belüftungseinrichtungen rund um die Uhr, also auch bei zulaufbedingt geringem Sauerstoffbedarf mit voller Leistung arbeiten. Die Konzentration des Gelöstsauerstoffs im Belebungsbecken steigt weit über den Sollwert; es wird Sauerstoff eingetragen, der von den Mikroorganismen nicht benötigt wird.Weil die Belüftungseinrichtungen von den Herstellern auf optimalen Sauerstoffertrag "getrimmt" sind, wird der belebte Schlamm mit den Belüftern keineswegs mit besonderer Energieeffizienz in der Schwebe gehalten.

Werden dagegen Sauerstoffeintrag und Umwälzung des belebten Schlamms entkoppelt, könnten die Belüfter dem realen Sauerstoffbedarf angepasst, d.h. ohne Gefahr des Absetzens des Belebtschlamms abgeschaltet werden. Allein damit wäre eine Energieeinsparung von rund 900 MWh/a möglich.

Abwasser enthält wertvolle Energie, die mit Hilfe einer Abwasserwärmenutzung erschlossen werden kann. Diese Erkenntnis beginnt sich inzwischen in Lösungen umzusetzen, die vor wenigen Jahren in der Fachwelt noch Kopfschütteln hervorgerufen hätten. MERTENS, 2008 berichtet über ein innovatives Konzept der Stadtentwässerung in Ludwigshafen: Die Abwärme des Hauptsammlers heizt das Gebäude der Stadtentwässerung. Installiert wurden ein Wärmetauscher direkt im Abwasserkanal sowie 2 Wärmepumpen und entsprechende Steuerungstechnik. Den Löwenanteil der Kosten von insgesamt 180.000,00 € machten die Kosten für den Wärmetauscher aus (89.000,00 €). Die Wärmepumpen haben eine Leistungszahl zwischen 3,4 und 4,4; das heißt, dass mit 1 kW elektrischer Leistung jeweils 3,4 bis 4,4 kW Heizleistung erzeugt werden. Die Energiekosteneinsparung wird mit rund 35 Prozent im Vergleich zur Situation vor Errichtung des Wärmepumpensystems angegeben. Die Veröffentlichung von CHRIST & MITSDOERFFER, 2008 enthält ähnliche Ansätze. SCHMID, 2006 zeigt an einem Beispiel in der Schweiz wie Abwasserwärme durch Wärmepumpen auf der Kläranlage genutzt werden kann. Dabei wird rund 70% der für die Klärschlammtrocknung benötigten Energie aus gereinigtem Abwasser gewonnen.

Die Schlammbehandlung ist ohnehin ein wichtiger Ansatzpunkt der Energieeinsparung und -gewinnung auf Kläranlagen. Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) hat der Vergärungstechnologie einen Schub verliehen. Neben Klärschlamm werden heute auch Speisereste, Flotatfette und andere Stoffe erfolgreich zu Biogas und in BHKW in Elektroenergie umgewandelt. Für die Vergärung von Abwasser des Süßwarenherstellers STORCK gibt z.B. DRABER, 2005 an, dass aus ca. 6 bis 7 t CSB/d im Mittel etwa 3000 m³/d Biogas erzeugt werden, mit denen wiederum täglich etwa 8000 kWh elektrische Energie erzeugt werden. Weitere lesenswerte Beiträge hierzu sind HELM, 2005, DICHTL, 2006, LANGHANS, 2000, NUMRICH, 2006, PANTHER, 2008 oder WEWELER, 2008.

TUVESSON & GUNNARSSON, 2008 berichten über die energetische Ertüchtigung einer Kläranlage in Schweden: Ein Belüfter wurde auf Biogasantrieb umgerüstet, dessen Abwärme zu Heizzwecken genutzt. Der Trockensubstanzgehalt des Rohschlamms wird mittels Zentrifugen von 6% auf 12% verdoppelt, damit halbiert sich der Bedarf an Wärmeenergie zur Heizung der Faulbehälter. Überschüssiges Biogas wird verkauft.

Selbst der Einsatz von Photovoltaik ist inzwischen auf Kläranlagen etabliert: Auf der Kläranlage Dresden-Kaditz wurden Solarzellen mit einer Fläche von 1900 m² auf der Abdeckung von Rückhaltebecken angebracht. Diese Anlage ist mit einer installierten Spitzenleistung von 190 kWp seit April 2004 in Betrieb. Auch auf der Kläranlage Balingen wurde eine Photovoltaikanlage mit einer Spitzenleistung von 20 kW elektrisch installiert (HABERKERN et al., 2008).

In Einzelfällen werden sogar bereits Brennstoffzellen auf Kläranlagen eingesetzt. Mit Brennstoffzellen können deutlich höhere elektrische Wirkungsgrade als mit Blockheizkraftwerken (35 bis 40%) bei etwa vergleichbaren Gesamtwirkungsgraden erreicht werden. Darauf weisen SCHMID-SCHMIEDER, 2008 und SEIBERT-ERLING, 2008 hin. Die chemische Energie des Brennstoffs Biogas kann direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne den Umweg über die thermische Energie nehmen zu müssen. Als Vorzugslösung wird nach gegenwärtigem Stand die Phosphorsäurebrennstoffzelle PAFC empfohlen.

Neben der Belüftung und den Abwasser- und Schlammpumpwerken sollten auch Heizung/Kühlung sowie Stromliefervertrag und Abrechnung unter die Lupe genommen werden (SEIBERT-ERLING/ETGES, 2007).

Das Thema Energieeffizienz von Kläranlagen bleibt spannend. Ständig werden neue Erkenntnisse und Erfahrungen veröffentlicht, in jüngster Zeit z.B. BEIER et al., 2008, LEHMANN et al., 2008, THÖLE et al., 2008. Dies zu verfolgen und auf der eigenen Anlage anzuwenden lohnt sich nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den Geldbeutel.