Steigerung der Gewinnung erneuerbarer Energien im Bereich der Abwasserreinigung

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1 Steigerung der Gewinnung erneuerbarer Energien im Bereich der Abwasserreinigung (Kurzfassung) Ihr Zeichen: Unser Zeichen: BM/ File: WCF-S02_ Kurz.docx Seitenzahl: 7 Graz, 20. April 2012 im Auftrag von Stadtgemeinde Weiz Bauamt Hauptplatz Weiz Ansprechpartner: Ing. Walter Ederer Land Steiermark Fachabteilung 17A Energiewirtschaft 8010 Graz, Landhausgasse 7 Tel: +43 (316) fa17a@stmk.gv.at Ansprechpartner: DI Alfred Hammler mit Förderung durch LandesEnergieVerein Steiermark 8010 Graz, Burggasse 9/II Tel.: office@lev.at Ansprechpartner: DI Christian Sakulin erstellt von EnviCare Engineering GmbH Subauftragnehmer: Ingenieurbüro für Verfahrenstechnik Eisteichgasse 20/ Graz Tel.: office@envicare.at Ansprechpartner: DI Dr. Bernhard Mayr Lokale Energie Agentur Oststeiermark Karl Puchas - Energieberatung Auersbach Feldbach Tel.: office@lea.at Ansprechpartner: Ing. Karl Puchas Ausfertigung: A 1 im Juni2011 GZ.:

2 Datum: 20. April 2012 Seite 2/7 1 Aufgabenstellung In der Steiermark sind derzeit ca. 40 Biogasanlagen in Betrieb. Die installierte elektrische Leistung der Biogas BHKWs beträgt 17 MW el. Der Großteil (80%) der Biogasanlagen wird von Landwirten betrieben. Das hauptsächlich eingesetzte Substrat sind Energiepflanzen (Mais-Ganzpflanzensilage) in Kombination mit landwirtschaftlicher Gülle. Damit wird jedoch nur ein geringer Teil der verfügbaren Kapazität an erneuerbarer Energie in diesem Bereich eingesetzt: In einer Studie des LandesEnergieVereins ( Biogaspotenziale Steiermark") wird das jährlich verfügbare Biogaspotenzial auf etwa GWh eingeschätzt. Das entspricht einer vergleichbaren Biogasanlagenkapazität von etwa 380 Biogasanlagen mit einer elektrischen Leistung von 500 kw bzw. insgesamt 190 MW el. Im Rahmen der Studie an der Kläranlage für den Standort Weiz werden folgende Erhebungen durchgeführt: Abklärung der freien Faulturmkapazität und Optimierung des BHKW Betriebs Anhand der Betriebsdaten der Kläranlage soll die freie Faulturmkapazität ermittelt werden. Ein Projektsziel liegt in der Vollauslastung des Blockheizkraftwerks, indem die dafür notwendige Biogasmenge aus der Vergärung von Co-Substraten erzeugt werden soll. Erhebung des regional verfügbaren Potenzials an Co-Substraten Als Substrate kommen regionale organische Gewerbeabfälle wie z.b. Fettabscheiderinhalte, Altspeisefette und öle und Speisereste in Frage. Mehrere Gewerbebetriebe leiten heute ihre Abwässer in die Kanalisation der Stadt Weiz ein. Die direkte Verarbeitung dieser Co-Substrate im Faulturm von Kläranlagen führt im Regelfall nicht nur zu einer beträchtlichen Steigerung der Biogasproduktion, sondern entlastet oft auch das Kanalisationssystem und bewirkt letztlich auch eine wesentliche Einsparung an elektrischer Energie im aeroben Teil der Kläranlage. Vorschlag zur technischen Umsetzung der Co-Substratübernahme Die Anlage soll modular aufgebaut werden und sich harmonisch in das bestehende Umfeld eingliedern, so dass die Anlagenteile für die unterschiedlichen Einsatzstoffe je nach tatsächlichem Bedarf errichtet und erweitert werden können. Wirtschaftlichkeitsrechnung und Abschätzung des Risikos Beurteilung des gesamten energietechnischen Optimierungspotenzials der Kläranlage Im Zuge der oben angeführten Tätigkeitsbereiche wird auch das mögliche Einsparpotenzial der Kläranlage hinsichtlich Optimierung des Energiebedarfs und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kläranlagenbetriebes dargestellt.

3 Datum: 20. April 2012 Seite 3/7 2 Zusammenfassung Die Studie Steigerung der Gewinnung erneuerbarer Energien im Bereich der Abwasserreinigung wurde von der Stadt Weiz im Juli 2010 beauftragt und die Erstellung wird von Seiten des Landes Steiermark, FA 17A und durch das NOEST Netzwerk Öko-Energie Steiermark finanziell unterstützt. Die Stadt Weiz ist schon lange für ihre Pionierrolle im Bereich des Umweltschutzes und der erneuerbaren Energien national und international bekannt, oftmals ausgezeichnet und viel beachtet. Auch im Bereich der Abwasserreinigung sind schon zahlreiche umweltbezogene Investitionen und Forschungsprojekte getätigt worden. So ist die Kläranlage im Jahr 2003 an den Stand der Technik angepasst worden und im Jahr 2009 ist eine Wärmerückgewinnungsanlage installiert worden, die die Abwärme des Kläranlagenablaufs über ein Wärmepumpensystem für die Gebäudeheizung nutzbar macht. Abbildung 1: Kläranlage der Stadtgemeinde Weiz Die moderne Kläranlage der Stadt Weiz und ihr Einzugsgebiet können zudem als weitgehend exemplarisch für zahlreiche Bezirksstädte des Landes Steiermark angesehen werden. Aus diesen Gründen sollte an diesem Modell untersucht werden, welches Potenzial zur Steigerung der Gewinnung erneuerbarer Energien trotz der bereits getätigten Maßnahmen wirtschaftlich vorhanden ist.

4 Datum: 20. April 2012 Seite 4/7 Die Basis der Analyse bildet die existierende gute Datenlage. Nicht nur die Kläranlagenprotokolle der Jahre 2008 und 2009 liegen vollständig vor, auch auf einem aktuellen Indirekteinleiterkataster und einem ausgezeichneten Zugang der Umweltbeauftragten der Stadt Weiz zu den ortsansässigen Gewerbebetrieben und Gaststätten konnte aufgebaut werden. In einem ersten Schritt wurde die freie Kapazität des Faulturms berechnet. Es stellte sich heraus, dass der Betrieb des vorhandenen BHKW mit einer installierten elektrischen Leistung von 53 kw über Volllaststunden pro Jahr möglich sein würde. Bei dieser Jahreslaufzeit würden kwh/a oder ca. 67 % des Strombedarfs erzeugt werden. Dafür müssten max t FS /a bzw. max. 5,0 m³/d geeignete organische Co- Substrate mit einem mittleren ots Gehalt von ca. 30 Gew% zusätzlich zum Klärschlamm im Faulturm verarbeitet werden. Ob diese Menge an organischen Abfällen im Siedlungsgebiet der Kläranlage verfügbar ist, wurde im nächsten Schritt abgeklärt, indem etwa 20 relevante Weizer Gewerbebetriebe gezielt befragt wurden. Die Erhebung führte zu einem ausreichenden Gesamtpotenzial von ca t FS /a mit einem Energiepotenzial von MWh/a. Abbildung 2: Zusammensetzung der verfügbaren organischen Abfälle Leider bedingt ein Großteil dieser Abfälle (Gras- und Strauchschnitt, Bioabfälle, Speiserste) eine aufwändige und teure mechanische Vorhandlung, damit ihr organi-

5 Datum: 20. April 2012 Seite 5/7 scher Anteil in einem konventionellen Faulturm einer Kläranlage verarbeitet werden kann. Eine Kostenbetrachtung zeigte, dass diese Aufbereitungstechnik nicht wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Werden jene Co-Substrate, die einer teuren Aufbereitung bedürfen, ausgeklammert, reduziert sich das Potenzial auf etwa 600 t FS /a mit einem Energiegehalt von 370 MWh/a. Wird dieses Potenzial im BHKW der Kläranlage Weiz verstromt, kann mit einem Zugewinn von etwa 15 kw el gerechnet werden. Zusammen mit den 8,9 kw el aus der Vergärung der Klärschlämme ergibt sich eine Leistung von 24 kw el, sodass das vorhandene BHKW (53 kwel) zu annähernd 50% ausgelastet werden kann. Dies entspricht einer Eigenabdeckung des Strombedarf von 33 %. Abbildung 3: 3D Darstellung der Abfallübernahmestation In Folge wurde eine Co-Substratübernahmestation planlich entworfen. Das Konzept sieht eine getrennte Übernahme für feste und flüssige Abfälle direkt neben dem Betriebsgebäude vor. Die genehmigungstechnischen und betriebstechnischen Anforderungen wurden bei den Entwürfen beachtet und Invest- und Betriebskosten wurden anhand von vergleichbaren realisierten Projekten abgeschätzt. Die Berechnung der Wirtschaftlichkeit zeigt deutlich, dass ein wirtschaftlicher Betrieb einer Aufbereitungslinie für feste Abfälle nicht ökonomisch darstellbar ist, während eine Übernahmestation für flüssige Abfälle ökonomisch sinnvoll umgesetzt

6 Datum: 20. April 2012 Seite 6/7 werden kann. Hier kann das regional jährlich verfügbare Potenzial von 600 t geeigneter organischer Abfälle energetisch sinnvoll verwertet werden und gleichzeitig ist eine Entlastung der Kanalisation zu erwarten. Zusätzlich können geeignete pumpfähige organische Co-Substrate übernommen werden, wobei die Übernahmeerlöse je nach Biogaspotenzial der Substrate gestaffelt werden müssen, da unterschiedliche zusätzliche Klärschlammentsorgungskosten einzurechnen sind. Beispielsweise können Speisereste bereits dezentral direkt am Anfallsort in der Restaurantküche hygienisch einwandfrei zerkleinert und pumpfähig gemacht werden und können dann von dort regelmäßig mit Saugtankwägen zur Kläranlage transportiert werden. Die heute oft praktizierte und hygienisch bedenkliche Entsorgung der tierischen Speisereste mit den kommunalen Bioabfällen wird damit obsolet. Die ökologische Sinnhaftigkeit der regionalen und direkten Entsorgung von Speiseabfällen lässt sich am folgenden Beispiel belegen: Abbildung 4: Stoffströme und CO 2 Emissionen der heute üblichen Entsorgung von Speiseresten Abbildung 5: Stoffströme und CO 2 Emissionen bei energetischen Verwertung von Speiseresten

7 Datum: 20. April 2012 Seite 7/7 Aus den obigen Abbildungen ist ersichtlich, dass alleine durch die energetische Nutzung der Speisereste im direkten Einzugsgebiet der Kläranlage jährlich die Emission von kg CO2 eingespart werden kann. Die Bereitstellung von Verarbeitungskapazität für aufbereitete organische Abfälle bei Kläranlagen mit Faulturm erscheint daher jedenfalls sinnvoll, da diese Abfälle bisher zumeist in Kompostierungsanlagen entsorgt werden, wobei dort keine Energiegewinnung stattfindet. Andererseits ist die Entsorgung in abfallrechtlich genehmigten Abfallbiogasanlagen wesentlich kostspieliger als in Kläranlagen mit Faulturm. Aus diesen Gründen empfehlen die Verfasser die Errichtung einer Co- Substratübernahmestation für flüssige bis pastöse organische Abfälle und die entsprechende technische Anpassung der Klärschlammlinie. In einem weiteren Schritt wurde die Machbarkeit einer separaten Trübwasserbehandlung untersucht, da dieser hoch belastete Teilstrom, der aus der Klärschlammbehandlung stammt und eine hohe Rückbelastung für die Abwasserreinigung darstellt, in Hinsicht auf den Gesamtwirkungsgrad der Stickstoffentnahme und auf den Energiebedarf nicht zu vernachlässigen ist. Als Ergebnis der Detailprüfung ist festzuhalten, dass mit einer biologischen Teilstrombehandlung zwar der Stockstoffeliminationswirkungsgrad um 5 15% verbessert werden kann, dass aber der Energiebedarf der Gesamtanlage mit diesem Verfahrensschritt nicht relevant gesenkt werden kann. Abschließend wurde eine detaillierte Energieanalyse der Kläranlage durchgeführt. Auf Basis einer Energiebilanz wurden spezifische Kennzahlen abgeleitet, die dann mit Normalbereichen kommunaler Kläranlagen mit Faulung verglichen wurden. Eine Abweichungsanalyse führte schließlich das Optimierungspotenzial deutlich vor Augen. In Hinsicht auf die Übertragung dieser Ergebnisse auf vergleichbare kommunale Kläranlagen mit anaerober Klärschlammbehandlung sind die ausgearbeiteten Methoden zur Ermittlung der freien Faulturmkapazität und zur Beurteilung der Energieeffizienz anwendbar. Diese Untersuchung und auch zahlreiche andere aktuelle Veröffentlichungen belegen eindrucksvoll, dass im Bereich des Energiemanagements, der Belüftungs- und Pumpsysteme im Regelfall Einsparungspotenziale zwischen % zu finden sind. Die Nachrüstung dieser Kläranlagen mit einfachen Annahmestationen für geeignete flüssige organische Abfälle wird in den meisten Fällen sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll sein, muss aber selbstverständlich im Einzelfall überprüft, angepasst und abfallrechtlich genehmigt werden.