Effiziente Wasseraufbereitung Ein Mehr aus Abwasser

Fortschritt braucht Wasser – deshalb steigt mit den Bevölkerungszahlen und dem Lebensstandard auch der Wasserverbrauch. Bis zum Jahr 2050 rechnen die Vereinten Nationen mit einem Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55 Prozent. Das beeinflusst auch den Energieverbrauch: Häufig sind Wasser- und Abwasser­aufbereitungsanlagen die höchsten Einzelenergieverbraucher einer Gemeinde und haben 25 bis 40 Prozent Anteil an deren Stromverbrauch. Grund dafür sind energieintensive Prozesse in Kläranlagen, aber auch ihr kontinuierlicher Dauerbetrieb.

Nicht so die Wasseraufbereitungsanlage im dänischen Marselisborg: Sie erzeugt 130 Prozent Strom sowie einen Wärmeüberschuss von rund 2,5 GWh pro Jahr – und damit mehr Energie, als sie benötigt. „Das zeigt, was innerhalb von Advanced Process Control möglich ist“, kommentiert Mads Warming, Global Director Wasser und Abwasser bei Danfoss, die Zahlen und betont: „Soweit wir wissen, gibt es bislang in keinem anderen Land eine solche Anlage, die tatsächlich so viel zusätzliche Energie aus Haushaltsabwasser produziert.“ Kommunen hätten so die Möglichkeit, den enormen Energieverbrauch von Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungsanlagen zu vermeiden, da diese energieneutrale oder -erzeugende Einrichtung werden könnten. Für die Region Aarhus, in der die Anlage steht, hat diese Effizienz große Bedeutung, zumal die Kapazität der Kläranlage von derzeit 200 000 auf bis zu 500 000 Personeneinheiten (PE) ausgebaut werden soll.

Überschuss als Ziel

In den letzten Jahren konzentrierte sich die Abwasserbranche auf die Entwicklung neuer Prozesse und Regelverfahren, um den Energieverbrauch je behandeltem Liter Wasser zu senken. Gleichzeitig erhöhen aber die steigenden Anforderungen an die Qualität der Abwasseraufbereitung, etwa in Bezug auf die Entfernung von Nährstoffen, den Netto-Energieverbrauch. In der Wasseraufbereitungsanlage in Marselisborg hat sich seit 2010 der Fokus von der Minimierung des Energieverbrauchs hin zu einer Maximierung des Netto-Energieüberschusses verschoben. Heute produziert die Anlage Strom und Wärme und speist damit das örtliche Versorgungsnetz von Aarhus. Die CO₂-Bilanz sank um 35 Prozent. „Schon immer haben wir Danfoss VLT-Frequenzumrichter vorgegeben, weil sie als einzige die von uns benötigten Funktionen bieten“, begründet Flemming Husum, Plant Manager der Anlage Marselisborg, den Einsatz der Frequenzumrichter.

Anders als vor 26 Jahren, als die Anlage in Betrieb ging, laufen die Prozesse heute an ihrer Leistungsgrenze, ohne sie zu überschreiten. „Unsere Ziele könnten wir ohne die präzise Regelung der VLT-Frequenzumrichter nicht erreichen“, betont der Anlagenmanager. Die Wasser- und Abwasseraufbereitung ist von hohen Lastunterschieden innerhalb von 24 Stunden aber auch zu den verschiedenen Jahreszeiten geprägt. Der Einsatz von Frequenzumrichtern hat deshalb stetig zugenommen, um sich dem wechselnden Bedarf anzupassen. In Marselisborg sind an nahezu allen beweglichen Teilen Frequenzumrichter vom Typ VLT Aqua Drive installiert. Sie regeln mehr als 140 Motoren in Gebläsen, Pumpen, Mischern sowie Entwässerungspumpen und erlauben der Anlage damit, flexibel auf Lastunterschiede zu reagieren.

Um die Energiebilanz für die Abwasseraufbereitungsanlage Marselisborg kontinuierlich zu verbessern, arbeitet Aarhus Water seit 2010 intensiv mit Beratern für Wasser- und Umweltfragen zusammen. Die Strategie umfasste vier zentrale Schritte. Zum einen sollte das Verfahren zur Stickstoffentfernung mithilfe einer Online-Sensorsteuerung verbessert werden. Der Frequenzumrichter passt die Stärke der Belüftung exakt an die Anforderungen an und das Steuerungssystem steuert den Energieverbrauch bedarfsgerecht. Gleichzeitig erhöht es den Kohlenstoffgehalt, der in der Anlage zurückbleibt. Außerdem verbessert die Umrüstung auf ein schnelllaufendes Turbogebläse die Gebläsetechnik. Damit sank der Energieverbrauch im Belüftungsprozess. Des Weiteren war geplant, das aerobe Schlammalter in Abhängigkeit von Temperatur und Last der Anlage zu kontrollieren. Auch hier tragen die Frequenzumrichter dazu bei, den Energieverbrauch zu senken und den in der Anlage verbleibenden Kohlenstoffgehalt zu steigern, indem sie die Rücklaufschlammpumpen regeln. Zudem wurde eine hochmoderne Kraft-Wärme-Kopplung für die Energieerzeugung mit einer Energieeffizienz von 90 Prozent umgesetzt und damit alle verfügbaren Möglichkeiten genutzt und miteinander verbunden. Das nötige Methangas liefert die bakterielle Umwandlung des aeroben Schlamms.

Vom Stromfresser zum Energiespender

„Wir versuchen fortlaufend, den idealen Betriebspunkt zu finden“, erklärt Flemming Husum. „Wir haben das Ziel, noch mehr Liter Wasser pro verbrauchter Kilowattstunde aufzubereiten“, blickt er in die Zukunft. Der aktuelle Messwert liege bei 0,32 kWh pro Kubikmeter aufbereitetem Abwasser. Auch die Stadt Aarhus verfolgt Zukunftspläne, die Energie in den Fokus stellen. So ist geplant, die Energieerzeugung auszubauen: Künftig soll der Energieüberschuss, den die Abwasseraufbereitungsanlage erzeugt, auch den Energiebedarf für die Trinkwasserversorgung der Stadt decken. Damit würde aus dem einst größten Stromverbraucher für die Behörden ein Akteur mit neutraler Energiebilanz werden.

Auch global gibt es neben den Einsparungen in den Wasser- und Abwasseranlagen weitere Möglichkeiten, Ressourcen und Energie bei der Wasserversorgung zu sparen: Weltweit versickern durch Leckagen bis zu 50 Prozent des Wassers, das durch die Wasserleitungen der großen Städte fließt. Mit moderner Antriebstechnik und Leckage-Erkennung ließe sich dieser Verlust einfach und kostengünstig verringern. Ebenso lassen sich in energieintensiven Meerwasserentsalzungsanlagen mit geregelter Antriebstechnik bis zu 50 Prozent Energiekosten einsparen, die 70 Prozent der Anlagenkosten ausmachen.