Angewandte Methodik

Die in der Einleitung angesprochene Ausgangssituation für diese Studie ist charakte-risiert durch folgende Punkte, die die gewählte Methodik bestimmt haben:

Es gibt relativ umfangreiches Datenmaterial in der Fachliteratur zur Ist-Situation der Energieeffizienz auf Kläranlagen in Deutschland und dem

deutschsprachigen Ausland, die jedoch ganz überwiegend aus den Neunziger Jahren stammt. Neuere Untersuchungen liegen nur punktuell vor (s. Kap. 2.2).

Das bedeutet, dass neuere technologische Entwicklungen (wie z. B. Memb-rananlagen, Phosphor-Rückgewinnung, Klärschlammdesintegration oder Brennstoffzellen) und Trends bei der Abwasserbehandlung (wie z. B. zuneh-mende Klärschlammverbrennung) in den Standardwerken zur Energieeffizienz nicht systematisch berücksichtigt sind.

Beim (Einwohner- oder Fracht-)spezifischen Energieverbrauch weisen die vor-liegenden Untersuchungen zwar relativ homogene Durchschnittswerte, aber vor allem in der Einzelbetrachtung von Anlagenteilen auch große Streubreiten auf. Außerdem ergeben sich signifikante Unterschiede bei den spezifischen Werten sowie den dominanten Kläranlagenkonzeptionen einzelner Bundes-länder (z.B. Einsatz von Sandfiltern, Verteilung von Größenklassen oder Grad der Faulgasverstromung in NRW i. V. zu Baden-Württemberg).

Eine genauere bundesweite Energiebilanz von Kläranlagen, die diesen Differenzierungen Rechnung trägt, existiert bisher nicht.

Trotz vielfältiger Bemühungen der Kläranlagenbetreiber in den letzten Jahren gibt es eine unverändert starke Diskrepanz zwischen theoretisch möglichen

„optimalen“ Energieverbrauchswerten und den tatsächlich vorhandenen. Da-bei ist unklar, ob dies nur auf ein sehr hohes (theoretisches) Einsparpotenzial hinweist oder auf die mangelnde Übertragbarkeit eines Optimums auf den je-weiligen Einzelfall.

Die Anwendung pauschaler Zielwerte für den spezifischen Energieverbrauch scheitert möglicherweise auch an den unterschiedlichen Standortvorausset-zungen wie Einleitbedingungen, topographische Randbedingungen, unter-schiedliche Abwassermenge und –zusammensetzung, Bestandsschutz für Al-tanlagen etc. Es muss daher ein Kompromiss zwischen einheitlicher Definition des Standes der Technik und Berücksichtigung örtlicher Besonderheiten ge-funden werden.

Die Energieoptimierung ist nicht primäres Ziel der Abwasserreinigung. Die Gewährleistung einer sicheren Einhaltung von Grenzwerten im Kläranlagenab-lauf und die Aufrechterhaltung eines geordneten Betriebes hat eindeutig Vor-rang.

Aufgrund der genannten Punkte wurde für die vom Auftraggeber vorgegebene Auf-gabenstellung folgende Vorgehensweise abgeleitet:

Auswertung der Ist-Situation auf Kläranlagen

1. Auswertung der verfügbaren statistischen Daten zur derzeitigen Häufigkeits-verteilung von Verfahren und Anlagenteilen der Abwasser- und Klärschlamm-behandlung sowie ihrer Verteilung auf verschiedene Größenklassen von Klär-anlagen. Ausgewertet wurden vor allem Daten der statistischen Bundes- und Landesämter sowie der DWA (die wichtigsten Fundstellen werden im Kapitel 2.2 näher vorgestellt).

2. Auswertung der verfügbaren Daten zum spezifischen Energieverbrauch dieser Verfahren und Anlagengruppen: Grundlage waren vor allem vier größere Auswertungen von Umfragen und Energieanalysen, die ihren Niederschlag in einschlägigen Handbüchern gefunden haben (s. Kap.2.2). Auf eine erneute Beschreibung von Standardverfahren im Hinblick auf den Energieverbrauch wurde verzichtet, da die Darstellung in den Handbüchern überwiegend noch aktuell ist. Deren Daten wurden lediglich einer Plausibilitätsanalyse unterwor-fen und teilweise ergänzt und fortentwickelt unter Berücksichtigung neuerer Trends und Technologien. Dazu wurde eine umfangreiche Literaturrecherche

durchgeführt und die Ergebnisse abgeglichen mit den Erfahrungswerten der Experten aus der begleitenden Fachgruppe bzw. von DWA-Fachgremien.

3. Festlegung relevanter Verfahren und Anlagen(-gruppen) und Definition von spezifischen Energie-Kennwerten für diese Verfahren; Festlegung von Sys-temgrenzen der Betrachtung (s. Kap. 2.4). Bei der Einteilung der betrachteten Größenklassen von Kläranlagen wurden aus pragmatischen Gründen die Grenzen der Abwasserverordnung übernommen. Die Sinnhaftigkeit der Gren-zen für die Größenklasse 4 sollte aber im Hinblick auf den Übergang zwischen simultaner aerober Schlammstabilisierung und Anlagen mit Schlammfaulung überprüft werden (Grenze bei etwa 20- bis 40.000 EW). Bei der Betrachtung der energierelevanten Verfahren wurde in Größenklasse 4 und 5 im Hinblick auf die Eigenstromerzeugung vor allem differenziert zwischen Stabilisierungs-anlagen und Anlagen mit Schlammfaulung.

4. Hochrechnung der Energiebilanz auf Kläranlagen auf der Basis der spezifi-schen Kennwerte und der statistispezifi-schen Daten (Ist-Situation für Strom-verbrauch, Eigenerzeugung und Bezug in Kap. 3.3).

5. Beschreibung neuer Techniken: Seit der Herausgabe der einschlägigen Ener-gie-Handbücher („Energie in Kläranlagen“ etc.) haben sich „neue Techniken“

entwickelt und teilweise auch bereits etabliert, für die noch keine fundierten Herleitungen von Kennwerten vorlagen. Diese neuen Techniken wurden kurz beschrieben und im Hinblick auf die Energieeffizienz untersucht. Dabei wurde unterschieden zwischen Verfahren, für die bereits großtechnische Erfahrun-gen mit entsprechenden Daten zum Energieverbrauch vorlieErfahrun-gen und Verfah-ren, die sich erst in der Pilotphase befinden. Außerdem wurden nur solche Verfahren näher betrachtet, für die eine gewisse Verbreitung in der Zukunft zumindest absehbar ist und die außerdem energierelevant sind. Die Auswahl der Verfahren und ihre Beschreibung wird im Kap. 4 näher dargestellt.

6. Szenarien für künftige Trends: Um den subjektiven Charakter der Auswahl neuer Techniken und deren Einfluss auf die Energiebilanz zumindest transpa-rent zu machen, wurden verschiedene Szenarien für die Ausbreitung dieser

Techniken entwickelt. Ebenso wurden Szenarien beschrieben für mögliche Ansätze von Energieoptimierungen. Diese Szenarien erlauben zumindest eine Einschätzung des größenordnungsmäßigen Potenzials verschiedener Maß-nahmen für jeweils eine minimale und maximale Extremposition sowie eine

„realistische“ Variante. Für diese Szenarien wurden aufgrund der o. g. Daten zum Bestand Energiebilanzen für alle Kläranlagen in Deutschland erstellt und entsprechende Minderungspotenziale für CO2-Äquivalente ermittelt. Diese Szenarien erlauben auch die Eingrenzung von relevanten Verfahren und An-lagenteilen, für die eine besondere Definition zum Stand der Technik sinnvoll ist.

7. Wechselwirkungen zwischen Energieoptimierung und Kläranlagenbetrieb:

Aufgrund der o. g. Schwierigkeiten bei der Umsetzung der Energiesparmaß-nahmen im praktischen Betrieb und zur Beschreibung möglicher Interessens-konflikte zwischen den verschiedenen Kriterien des Anhangs 2 zum § 7a Abs.5 des WHG (Vorgaben IVU-Richtlinie) werden wichtige Wechselwirkun-gen dargestellt zwischen Energieoptimierung einerseits und ausgewählten sonstigen Anforderungen (z. B. Klärschlammanfall, Nährstoffrückgewinnung, Betriebsstabilität etc., s. Kap. 5)

8. Definition eines Standes der Technik: Unter Berücksichtigung des technisch Machbaren hinsichtlich Energieeffizienz einerseits und der Einschränkungen durch o. g. Wechselwirkungen und Sachzwänge im Bestand andererseits wird ein Stand der Technik bzgl. Energieeffizienz definiert. Bei der Auswahl spezifi-scher Kennwerte wurde so stark vereinfacht wie möglich und so stark differen-ziert wie nötig. Maßstab dafür waren vor allem die Häufigkeit verschiedener Verfahrens(-schritte) und deren Relevanz für die bundesweite Energiebilanz (entsprechend der Szenarien).

9. Fallbeispiele: Im letzten Schritt werden anhand von Fallbeispielen typische Ansatzpunkte, Vorgehensweisen und Ergebnisse von Energieoptimierungen dargestellt. Durch Vergleich von Ist-Situation mit den Zielvorgaben und in Ver-bindung mit den Ergebnissen der Szenarien werden die Möglichkeiten aber auch Grenzen der technisch und wirtschaftlich machbaren Energieeinsparung

aufgezeigt und im Hinblick auf ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz be-wertet. Daraus können Prioritäten für das politische Handeln abgeleitet wer-den.

Im zeitlichen Ablauf wurde das Projekt in folgende Teilschritte untergliedert, die je-weils in ca. drei Monaten bearbeitet und abschließend von der begleitenden Fach-gruppe diskutiert wurden:

1. Phase: Definition von Größenklassen und Anlagenkonzeptionen für Kläranlagen (Auswertung von Häufigkeitsverteilungen für Kläranlagentypen und -größen, angewandte Verfahren, Systemgrenzen etc.)

2. Phase: Definition des fortschrittlichen Standes der Technik (Zusammen-stellung energierelevanter Verfahrenschritte, Auswertung vorhandener Daten über Ist- und Soll-Verbrauch, Auswahl geeigneter Kennwerte, Ableitung von technisch-wirtschaftlich machbaren Standards)

3. Phase: Soll-Ist-Vergleich für KA und Verfahrensstufen sowie Erstellung einer Matrix der Querverbindungen (Gegenüberstellung der Ist- und Soll-kennwerte, Abschätzung des theoretischen und technisch-wirtschaftlich machbaren Einsparpotenzials, qualitative Bewertung der Wechselwirkungen zwischen Energieoptimierung und Kläranlagenbetrieb)

4. Phase: Erstellung des Schlussberichtes mit Dokumentation von Referen-zen für die Energieoptimierung (Fallbeispiele und methodische Hinweise zur Vorgehensweise bei der Energieoptimierung)