Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz Universität für Bodenkultur Wien

Energie aus Abwasser

811.300 – Technologien der Abwasserwirtschaft

F. Kretschmer, T. Ertl

Energie aus Abwasser ???

Möglichem Klimawandel entgegenwirken.

Abhängigkeit von Öl-/Gasimporten reduzieren.

Reduktion der Treibhausgasemissionen um

mindestens 20 % (verglichen Stand von 1990).

Senkung des Energieverbrauchs

(Primärenergieeinsatz) um 20 %.

Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen

auf 20 % (8,5 % im Jahr 2005).

Klimaschutzpolitik der EU bis 2020

Abwasser gerät ins Blickfeld.

In mehreren Ländern bereits Anlagen zur thermischen AW-Nutzung umgesetzt (Schweiz, Deutschland, Norwegen, Kanada, Österreich).

DWA-M 114 (2009): 10 % der Gebäude in Deutschland mit AW-Wärme beheizbar.

Suche nach neuen Energiequellen

Aktuelle Forschung in Österreich

Forschungsprojekt „Abwasserwärme- und -kältenutzung mittels hocheffizienter Großwärmepumpen“

Projektlaufzeit: • 01.11.2009 bis 30.11.2012

Projektpartner: • Ochsner Wärmepumpen • Österreichische Energieagentur • Universität für Bodenkultur Wien • Institut Energie in Infrastrukturanlagen • Fernwärme Wien

Aktuelle Forschung in Österreich

Projektinhalte (Auszug): • Ermittlung Stand der Technik • Erhebung der rechtlichen Situation • Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und

Kläranlagenbetriebs • Potenzialabschätzung • Durchführung von Machbarkeitsstudien • Verbreitung der Projektergebnisse

Abbildung: Konzept der Abwasserwärmenutzung (Müller et al., 2005)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Abbildung: Standorte der Energienutzung (Müller et al., 2005)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Einbauvoraussetzungen:

• Mindestdurchfluss des Trockenwetters von 15 l/s.

• Vorhandensein entsprechender Abnehmer in vertretbarer

Entfernung.

• Fehlen von „konkurrierenden“ Energieträgern.

• Entsprechendes Wärmepotenzial im Kanal

(Abwassertemperatur).

• Ausreichende hydraulische Reserven im Kanal.

• Ausschluss negativer Auswirkungen auf Kanalisation und

Kläranlage.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Ziele von Entwässerungssystemen:

• Öffentliche Gesundheit und Sicherheit (Siedlungshygiene

und Schutz vor Überflutungen im urbanen Bereich)

• Gesundheit und Sicherheit des Betriebspersonals

• Umweltschutz (Gewässerschutz, etc.)

• Nachhaltige Entwicklung (u. a. Minimierung des

betrieblichen Energieaufwandes)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Abbildung: nachträglicher Einbau des Wärmetauschers (Uhrig in Müller, 2010)

Abbildung: Kanalrohr mit integriertem Wärmetauscher (Rabtherm in Glasner, 2004)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Aspekte des Kanalbetriebs:

• Hauptgerinne/Bypass, integrierter WT

• Hydraulische Kapazität

• Kanalwartung: TV-Inspektion, HD-Reinigung

• Einbau und Wartung der WT: Wasserhaltung,

Arbeitssicherheit, Montageöffnungen

• Kanalsanierung: Mehraufwand durch WT

• Ablagerungen beim WT (Geruch, Arbeitssicherheit)

• Kühlen mit AW: Erwärmung, biologische Aktivitäten,

Sauerstoffzehrung, Geruchsbildung

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Aspekte des Kläranlagenbetriebs: • Biologische Prozesse in der ARA sind temperaturabhängig.

• Abwassertemperatur ist täglichen Schwankungen

unterworfen.

• Kurzfristige Abkühlung kann gedämpft werden

(Aufenthaltszeit, Durchmischung).

• Bei längerfristige Abkühlungen (NS, FW, AW-Nutzung)

stellt sich niedrigeres Temperaturniveau ein).

• Aufwärmung des AW weniger kritisch.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Nutzung vor der Kläranlage:

• Energiewirtschaftlich sinnvoll (Nähe zum Abnehmer)

• Aus SWW Sicht problematisch (1. AEVkA)

• TNb ist um mindestens 70 % zu verringern

(Abwassertemperatur größer als 12 °C).

• Emissionsbegrenzung für NH4-N gilt bei einer

Abwassertemperatur größer als 8 °C.

• Thermische Abwassernutzung kann zu einer

„frühzeitigen“ Unterschreitung der Temperaturen führen

Gewässerschutz

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Nutzung vor der Kläranlage:

• EU RL 91/271/EWG (Behandlung von kommunalem

Abwasser)

• Österreich will flächendeckend hohes Reinigungsniveau

gewährleisten.

• Anforderungen bzgl. Phosphor- und Stickstoffentfernung

werden im gesamten Staatsgebiet umgesetzt.

• Erhöhte Reinigungsanstrengungen keine Ausweisung

empfindlicher Gebiete.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Abbildung: Reinigungsleistung der kommunalen Kläranlagen für Österreich im Jahr 2006 für einzelne Parameter (BMLFUW, 2008)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Abbildung: Reinigungsleistung der kommunalen Kläranlagen für Österreich im Jahr 2010 für einzelne Parameter (BMLFUW, 2012)

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Nutzung vor der Kläranlage:

• Österreichische Situation „vor der ARA“ daher anders als

in ansonsten vergleichbaren Ländern.

• Anwendung von Bagatellgrenzen aus der internationalen

Literatur in Österreich nicht direkt anwendbar.

• In jedem konkreten Fall die Auswirkungen auf die

Reinigungsleistung der ARA überprüfen.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Nutzung nach der Kläranlage:

• Energiewirtschaftlich Vorteile (konstante AW-Mengen,

gereinigtes AW) und Nachteile (Entfernung zu Abnehmern).

• Aus SWW Sicht weniger problematisch da

Reinigungsleistung der ARA nicht beeinträchtigt wird.

• Negative Auswirkungen auf die Vorflut sind zu vermeiden

(QZV Ökologie OW).

• Im Wesentlichen sind die maximale zulässige

Temperaturänderung sowie Maximaltemperatur der

Fließgewässer nach Fischregionen geregelt.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Nutzung im Gebäude:

• Energiewirtschaftlich Vorteile (hohe AW-Temperaturen,

kurze Wege) und Nachteile (geringer und diskontinuierlicher

AW-Anfall).

• Aus SWW Sicht im weiteren Sinne Nutzung vor der ARA.

• Wenn keine individuellen Anschlussverträge geschlossen

wurden, hat der Betreiber keinerlei Einfluss auf eine

derartige Nutzung.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Fazit:

• Aus ökologischer Sicht erscheint thermische AW-Nutzung

sinnvoll. Wirtschaftlichkeit muss in jedem Einzelfall geprüft

werden.

• Keine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit von Kanal

und ARA durch thermische AW-Nutzung (Hauptziele von

Kanal und ARA).

• Durch die flächendeckend erhöhten Reinigungs-

anstrengungen (EU AW-RL) spezielle Situation der

thermischen Abwassernutzung in Österreich.

• Zusammenspiel aller Akteure wesentlich.

Abwasserenergienutzung aus Sicht des Kanal- und Kläranlagenbetriebs

Aktuelle Forschung in Österreich

Forschungsprojekt „Abwasserwärme- und -kältenutzung mittels hocheffizienter Großwärmepumpen“

Projektergebnisse (Auszug): • Eine Machbarkeitsstudie wurde praktisch umgesetzt.

• Nutzung nach der Kläranlage oftmals vorteilhafter

• Großes thermisches Potenzial (theoretisch rund 0,5 Mio. Wohnungen in Österreich beheizbar)

• Gereinigtes Abwasser, etc.

• Verfügbarkeit von geeigneten Abnehmern im Nahbereich der Kläranlagen entscheidende Randbedingung.

Aktuelle Forschung in Österreich

Abbildung: Thermische Abwassernutzung in Amstetten

Aktuelle Forschung in Österreich

Aktuelle Forschung in Österreich

Forschungsprojekt „Einbindung der abwassertechnischen Infrastruktur in regionale Energieversorgungskonzepte“

Kläranlagen als regionale Energiezellen

Projektlaufzeit: • 01.04.2013 bis 31.03.2016

Projektpartner: • Österreichische Energieagentur • Universität für Bodenkultur Wien (SIG & IRUB) • Technische Universität Graz • Austrian Institute of Technology • InfraWatt • Ochsner Wärmepumpen

Aktuelle Forschung in Österreich

Projektinhalte (Auszug): • Weiterführende Potenzialabschätzung inkl. Raumplanung

• Darstellung der internen und externen Nutzungsmöglich-

keiten der auf Kläranlagen produzierten Ressourcen • Erstellung eines Planungs- bzw. Entscheidungswerkzeuges

für die Einbindung von Kläranlagen in regionale Energie-versorgungskonzepte (Energieraumplanung, Prozess-Netzwerk-Synthese PNS, ökologischer Fußabdruck SPI)

• Durchführung von Machbarkeitsstudien (Fallbeispiele)

Ressourcenverbrauch und -produktion auf Kläranlagen

Abbildung: Ressourcenverbrauch und -produktion auf Kläranlagen sowie Nutzungsmöglichkeiten

ABWASSERZULAUFENERGIE-

VERSORGUNGABFALL-

VERWERTUNG

KLÄRANLAGE MIT ANAEROBER STABILISIERUNG

KLÄRANLAGE MIT AEROBER STABILISIERUNG

GEREINIGTES ABWASSER

STAB. KLÄRSCHLAMM

KLÄR-/BIOGAS

HEIZEN KÜHLEN BRAUCHWASSER STROMVERSORGUNG

SOLARENERGIE

ERDGASERSATZKLÄRSCHLAMM-VERWERTUNG

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Energieverbrauch und -produktion auf Kläranlagen

Table Standard ranges of energy consumption and production at Austrian WWTPs (Lindner, 2008)

Energieverbrauch und -produktion auf Kläranlagen

Table Estimated energy consumption and production of WWTPs including digestion towers (Kretschmer et al., 2014)

Table Degree of self-sufficiency regarding electrical and thermal energy ((Kretschmer et al., 2014)

Abbildung: Aggregierte Flächenwidmungen im Umfeld einer Kläranlage (ARA)

Energetische Nutzung außerhalb der ARA

Optimierung der Energieströme in Klär-anlagen (Prozess-Netzwerk-Synthese PNS)

Maximalstruktur Optimalstruktur

Abbildung: Maximal- und Optimalstruktur eines (Technologie-) Netzwerks (Friedler et al., 1995, adaptiert)

Entwurf der PNS-Maximalstruktur

Abbildung: Aktueller Entwurf der PNS-Maximalstruktur für Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung

Aktueller Projektstand (Auszug)

Aufbau von PNS-Maximalstrukturen für Kläranlagen mit und ohne Faulung (jeweils 3 Größenklassen)

Österreichweite Analyse von Landnutzungs- und Flächenwidmungsdaten im Umkreis von Kläranlagen größer 2.000 EW

3 Fallstudien gestartet • 2 Anlagen mit Faulung • 1 Anlage ohne Faulung • Beurteilung der aktuellen Betriebsdaten (Optimierungs-

potenzial) • Beurteilung des (energie-) raumplanerischen Kläranlagen-

umfeldes (potenzielle Abnehmer)

www.abwasserenergie.at

Aktuelle Forschung in Österreich