I Inhaltsverzeichnis
1. Anlass und Zielsetzung der Untersuchung... 1
2. Ablauf der Potenzialstudie ... 2
3. Bestandsaufnahme ... 3
3.1 Kurzbeschreibung der Kläranlage ... 3
3.2 Beschreibung der Verfahrenstechnik ... 5
3.2.1 Mechanische Reinigung ... 5
3.2.2 Biologische Reinigung ... 5
3.2.3 Phosphorelimination ... 6
3.2.4 Schlammbehandlung ... 6
3.2.5 Klärgasverwertung ... 6
3.3 Sensor- und Messtechnik und Kontrolle der Abwasserqualität ... 7
3.4 Betriebsdaten ... 9
3.4.1 Derzeitige Belastung der Kläranlage ... 9
3.4.2 Ablaufwerte ... 9
3.5 Personalsituation ...10
3.5.1 Weiterbildungsbedarf ...10
3.5.2 Teilnahme an Benchmarks der Verbände ...10
4. Energie- und CO2-Bilanz ...11
4.1 Gesamtstromverbrauch der Kläranlage...11
4.1.1 Stromverbrauch nach Anlagenteilen ...12
4.2 Wärmeverbrauch ...17
4.3 CO2-Äquivalente ...17
5. Analyse des Energieverbrauchs ...18
5.1 Energiecheck ...18
5.2 Anlagenspezifische Idealwerte der Kläranlage Lechfeld ...19
II
5.2.1 Idealwerte für den Stromverbrauch ...19
5.2.2 Idealwerte für den Wärmebedarf ...22
5.2.3 Idealwerte für die Strom- und Wärmeerzeugung ...23
6. Potenzialanalyse ...24
6.1 Gegenüberstellung des IST-Zustands mit den anlagenspezifischen Idealwerten ...24
6.1.1 Elektrische Energie ...24
6.1.2 Thermische Energie ...25
6.1.3 Strom- und Wärmeerzeugung ...25
6.2 Ermittlung von Energieeinsparpotenzialen ...26
6.3 Ermittlung von Energieeffizienzpotenzialen – Faulgaserzeugung und -verwertung 28 6.3.1 Grundlagen ...28
6.3.2 Belastung ...28
6.3.3 Kennwerte ...31
6.3.4 Faulgasproduktion ...32
6.3.5 Umwälzung ...34
6.3.6 Steigerung der Gasproduktion durch Einbau eines Schraubenschauflers ...35
6.3.7 Faulgasverwertung ...36
6.3.8 Potenzial der Faulgasverwertung ...36
7. Ableitung von Optimierungsmaßnahmen und Fahrplan zur Umsetzung ...37
7.1 Retrospektive – Zusammenstellung bereits umgesetzter Maßnahmen ...37
7.2 Beschreibung der Energieeinspar- und Energieeffizienzmaßnahmen ...37
7.2.1 Erneuerung der Belüftung ...38
7.2.2 Erneuerung der Rührwerke im Belebungsbecken ...40
7.2.3 Erneuerung der Motoren der Rücklaufschlammpumpen ...42
7.2.4 Erneuerung der Schlammentwässerung ...43
7.2.5 Sanierung Faulturm und Erneuerung BHKW-Anlage ...44
III
7.2.6 Zusammenfassung der Energieeinspar- und Energieeffizienzmaßnahmen ...46
7.3 Energie- und CO2-Bilanz nach Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen ...46
7.3.1 Energiebilanz ...46
7.3.2 CO2-Bilanz ...49
7.4 Priorisierung der Maßnahmen und Umsetzungsfahrplan ...50
7.4.1 Kurzfristige Maßnahmen ...50
7.4.2 Mittelfristige Maßnahmen ...50
7.4.3 Langfristige Maßnahmen ...50
7.4.4 Umsetzungsfahrplan ...50
8. Überwachung des Energieverbrauchs (Controlling) ...52
8.1 Installation von Messgeräten ...52
8.2 Stromzähler ...52
8.3 Aufnahme der Messdaten ...52
8.4 Kalibrierung der Messgeräte ...53
8.5 Bewertung der Messdaten ...53
9. Prüfung der Sicherstellung der Mindestziele ...54
9.1 Deckungsquote des Energiebedarfs für Strom und Wärme...54
9.2 Spezifischer jährlicher Strombedarf der gesamten Anlage (inkl. lokal umgewandelter Energie) ...54
IV Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Luftbild der KA Lechfeld ... 4
Abbildung 2: Jahresstromverbrauch 2019 ...11
Abbildung 3: Jahresstromverbrauch nach Anlagenteilen ...15
Abbildung 4: Stromverbrauch pro Tag nach Anlagenteilen ...16
Abbildung 5: Strömungssimulation mit gegenüberliegenden Rührwerken ...27
Abbildung 6: Strömungssimulation mit auf einer Seite liegenden Rührwerken ...27
Abbildung 7: Retrospektive Stromverbrauch und -bezug sowie Strom- und Faulgaserzeugung ...37
Abbildung 8: Amortisation Erneuerung der Belüftung ...40
Abbildung 9: Amortsiation Erneuerung der Rührwerke ...41
Abbildung 10: Amortisation Erneuerung der Motoren der Rücklaufschlammpumpen ...42
Abbildung 11: Amortisation Erneuerung Dekanter ...44
Abbildung 12: Amortisation Sanierung Faulturm und Erneuerung BHKW ...45
Abbildung 13: Anteile der Einsparung am Gesamtstromverbrauch ...47
Abbildung 14: Stromverbrauch, -produktion und -bezug nach Umsetzung der Maßnahmen .48 Abbildung 15: Einsparung CO2-Emmissionen ...49
V Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Zulaufbelastung der KA Lechfeld 2019 (gemäß DWA-M 260) ... 9
Tabelle 2: Ablaufwerte der KA Lechfeld für das Jahr 2019 ... 9
Tabelle 3: Gesamtstromverbrauch 2019 ...11
Tabelle 4: Aufgezeichneter Stromverbrauch nach Anlagenteilen 2019 ...12
Tabelle 5: Zuordnung der Aggregate ...13
Tabelle 6: Stromverbrauch 2019 gemäß Leistungsmessung vom 26.05.2020 ...14
Tabelle 7: Stromverbrauch der einzelnen Anlagenteile der „Gebläsestation“ ...14
Tabelle 8: Daten für den Energiecheck, 2019 ...18
Tabelle 9: Kennwerte des Energiechecks und Einordnung nach DWA-A 216 (Stand 2015) .19 Tabelle 10: Idealwerte, Räumer ...21
Tabelle 11: Idealwertvergleich Stromverbrauch ...24
Tabelle 12: Idealwertvergleich Wärmebedarf ...25
Tabelle 13: Idealwertvergleich Strom- und Wärmeerzeugung ...25
Tabelle 14: Durchschnittlicher Schlammanfall 2019 ...29
Tabelle 15: Maximaler Schlammanfall 2019 ...29
Tabelle 16: Empfohlene Faulzeit sowie Schlamm- und Raumbelastung nach Anlagengröße (nach DWA-M 368) ...29
Tabelle 17: Derzeitige Belastung des Faulbehälters de KA Lechfeld ...30
Tabelle 18: Kennwerte der Faulung anhand des maximalen Schlammanfalls ...31
Tabelle 19: Faulgasanfall und -qualität laut Betriebstagebuch ...33
Tabelle 20: Faulgasqualität laut Gasanalysen ...33
Tabelle 21: Steigerung der Gasproduktion durch Einbau eines Schraubenschauflers ...35
Tabelle 22: Zusammenfassung der Energieeinspar- und Energieeffizienzmaßnahmen ...46
Tabelle 23: Energieeinsparpotenziale der Maßnahmen zur Reduktion des Stromverbrauchs ...46
Tabelle 24: Anteile der Einsparpotenziale am Gesamtstromverbrauch ...47
Tabelle 25: Einsparpotenzial der Maßnahme zur Steigerung der Stromproduktion ...48
Tabelle 26: Einsparung CO2-Emissionen ...49
Tabelle 27: Priorisierung der Energieeinspar- und Energieeffizienzmaßnahmen ...51
Tabelle 28: Umsetzungsfahrplan ...51
1 1. Anlass und Zielsetzung der Untersuchung
Die Anlagen zur Abwasserreinigung zählen zu den größten Energieverbrauchern im kommu- nalen Bereich. Somit lässt sich hier durch die Optimierung der Energiebilanz der Ausstoß kli- marelevanter Emissionen mindern und folglich ein großer Beitrag zum Klima- und Umwelt- schutz leisten.
Die Energieeffizienz einer Kläranlage kann sowohl durch Senkung des Energieverbrauchs als auch durch verstärkte Eigenenergieproduktion gesteigert werden. Maßnahmen auf der Ver- braucherseite betreffen hauptsächlich den Sauerstoffeintrag in die Belebung und die Energie- effizienz der Pumpwerke. Die Steigerung der Energieerzeugung setzt vor Allem bei der Opti- mierung der Faulgasproduktion und -verwertung an. Zusätzlich kommt hier die Nutzung von Solarenergie in Frage.
Im Folgenden wird die derzeitige energetische Situation der Kläranlage Lechfeld anhand von Betriebs- und Messdaten analysiert und auf dieser Grundlage Vorschläge für die Optimierung ineffizienter Prozesse dargestellt. Die Maßnahmen werden auf der Grundlage eines Vergleichs von Kosteneinsparung und Kostenaufwand nach ihrer Durchführbarkeit bewertet. Abschlie- ßend wird angegeben, welche Reduktion an CO2-Emission durch die Umsetzung der vorge- schlagenen Maßnahmen erreicht wird.
Das Projekt wird im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative durch das Bundesministe- rium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit über den Projektträger Jülich zu 50%
gefördert.
2 2. Ablauf der Potenzialstudie
Es wurden Betriebsdaten aus dem Betriebstagebuch 2019 ausgewertet und die Verbraucher anhand der Betriebsstunden und der Leistung erfasst.
Zur Feststellung der Energieeffizienz der Gesamtanlage wurden zunächst die aus den Be- triebsdaten ermittelten Daten zum Energieverbrauch und zur Energieerzeugung dem Energie- check nach DWA-A 216 unterzogen. Anhand von Kennzahlen und Häufigkeitsverteilungen ergibt sich ein grober Überblick über die Energieeffizienz der KA Lechfeld.
Anschließend wurden für die einzelnen Verbrauchergruppen die aus den Betriebsdaten und Messungen ermittelten Verbrauchswerte mit den anlagenspezifischen Idealwerten nach DWA- A 216 und dem Energiehandbuch NRW verglichen, um Energieeinsparpotential in Bezug auf Betriebsweise und Technik festzustellen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Faul- gaserzeugung und -verstromung gelegt, da durch Optimierungen in diesem Bereich die Eigen- energieproduktion deutlich gesteigert werden kann.
Für die möglichen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, die sich aus den oben beschriebenen Untersuchungen ergeben haben, wurden die erzielbaren Einsparungen mit den Kosten der Maßnahme verglichen und die Amortisationszeit bestimmt. Die Einsparungen wurden auf der Grundlage der derzeitigen Preise für Strom und Heizmaterial mit geringer Preissteigerung berechnet. Bei zukünftigen höheren Preissteigerungen verkürzt sich die Amortisationszeit.
Es erfolgte eine Einteilung der Maßnahmen, die aufgrund geringer Investitionskosten oder ge- ringer Amortisationszeit als sinnvoll bewertet wurden, in Sofortmaßnahmen, kurzfristige, mit- telfristige und langfristige Maßnahmen. Sofortmaßnahmen sind hierbei durch geringe Investi- tionskosten und geringen Aufwand oder außergewöhnlich kurze Amortisationszeit gekenn- zeichnet und sollten innerhalb von zwei Jahren umgesetzt werden. Kurzfristige, mittelfristige und langfristige Maßnahmen bedürfen einer weitergehenden Planung und sind jeweils durch längere Amortisationszeiten gekennzeichnet. Für nahezu alle Maßnahmen ist eine Planungs- leistung erforderlich.
3 3. Bestandsaufnahme
3.1 Kurzbeschreibung der Kläranlage
Die Kläranlage wird Abwasserzweckverband Lechfeld betrieben. Zum Abwasserzweckver- band gehören die Gemeinden Hurlach, Obermeitingen, Graben, Untermeitingen, Klosterlech- feld, Kleinaitingen und Oberottmarshausen sowie der Bundeswehrstandort Lagerlechfeld. Zu- sätzlich sind der Bundeswehrstandort Lagerlechfeld und die Gemeinden Prittriching und Scheuring an die Kläranlage angeschlossen.
Die Kläranlage aus dem Baujahr 1987 wurde 2002 für die Behandlung von 48.000 EW erwei- tert und zählt somit zur Größenklasse 4. Sie umfasst die mechanische, biologische und che- mische Reinigung. Die biologische Abwasserreinigung erfolgt in einer Belebungsanlage, die mit intermittierender Nitrifikation/Denitrifikation betrieben wird. Der anfallende Primär- und Se- kundärschlamm werden in einem Faulbehälter einer anaeroben Stabilisierung unterzogen.
Das im Rahmen der anaeroben Schlammstabilisierung anfallende Klärgas wird in einem Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmerzeugung genutzt.
Um einen besseren Überblick sind im nachfolgenden Luftbild der Kläranlage die wesentlichen Anlagenkomponenten dargestellt:
1 Zulauf
2 Sand- und Fettfang
3 Vorklärbecken mit BioP-Becken 4 Belebungsbecken I – IV (je 2.600 m³) 5 Nachklärbecken 3 (2.600 m³)
6 Alte Belebungsbecken (aktuelle Nutzung als Havariebecken, je 793 m³) 7 Nachklärbecken 1 + 2 (je 967 m³)
8 Rücklaufschlammpumpwerk, Gebläsehaus und Schlammeindickung 9 Schlammentwässerung
10 Faulbehälter (1.100 m³) 11 Gasspeicher (400 m³)
12 Schlammstapelbehälter 1 – 3 (je 654 m³)
13 Betriebsgebäude (mit Rechen und Zulaufpumpwerk)
4 Abbildung 1: Luftbild der KA Lechfeld
5 3.2 Beschreibung der Verfahrenstechnik 3.2.1 Mechanische Reinigung
Die mechanische Reinigung des Abwassers auf der Kläranlage Lechfeld beginnt mit einer Re- chenanlage, die aus zwei parallel beschickten Feinsiebrechen (Stababstand 4 mm) inkl.
Waschpresse besteht. Die maximale Durchsatzleistung je Rechen liegt bei 300 l/s.
Über das Zulaufhebewerk mit 4 Zulaufpumpen wird das Abwasser mit einer Gesamtleistung von 1.584 m³/h – aufgeteilt auf je zwei Trocken- und Regenwetterpumpen – um ca. 5 m zum belüfteten Sandfang mit Leichtstoffabscheider mit einem Volumen von 150 m³ gehoben. Vom einstraßigen Sand- und Fettfang gelangt es dann im Freispiegel in die zweistraßige Grobent- schlammung (107 m³ Gesamtnutzvolumen und 45 m² Oberfläche) mit anschließenden Bio-P- Becken (393 m³ Nutzvolumen). Aktuell wird die Grobentschlammung und die biologische Phosphorelimination einstraßig betrieben. Bei maximalem Mischwasserdurchfluss gemäß Wasserrechtsbescheid von 1.076 m³/h beträgt die Aufenthaltszeit in der Grobentschlammung bei zweistraßigem Betrieb knapp 6 Minuten. Der eingedickte Primärschlamm wird zur weiteren Schlammbehandlung in den Rohschlammschacht und von hier in den Faulturm gepumpt.
3.2.2 Biologische Reinigung
Die einstufige Belebungsanlage der Kläranlage Lechfeld setzt sich aus vier Belebungsbecken (Rundbecken) mit einem Gesamtvolumen von rund 10.400 m³ (2.600 m³ pro Becken) und einer Wassertiefe von 4,50 m und drei Nachklärbecken (Rundbecken) mit einer Gesamtoberfläche von 1.520 m³ und einer Wassertiefe von 4,90 m zusammen.
Die vier Belebungsbecken werden intermittierend (Zeit-Pausen-Steuerung) betrieben, wobei durch die Online-Messung der O2- und der NO3-Konzentration die Dauer der Belüftungspha- sen geregelt wird. Die Belüftung erfolgt über sternförmig auf der Beckensohle angeordnete Belüfterelemente. Die Umwälzung erfolgt mit zwei Rührwerken je Becken im Dauerbetrieb.
Die Nachklärung besteht aus drei Nachklärbecken mit einer Gesamtoberfläche von 1.520 m².
Die hydraulische Oberflächenbeschickung errechnet sich somit bei maximalem Mischwasser- zufluss gemäß Wasserrechtsbescheid von 1.076 m³/h zu 0,7 m/h. Beim tatsächlich gemesse- nen maximalen Mischwasserzufluss von 1.574 m³/h liegt die Oberflächenbeschickung bei 1,0 m/h. Beide Werte liegen unter dem von der DWA genannten Maximalwert von 1,6 m/h. Für die gleichmäßige Beaufschlagung der Nachklärbecken ist ein Verteilerbauwerk vorgeschalten.
Die drei Rücklaufschlammschnecken sind jeweils einem Nachklärbecken zugeordnet und ha- ben eine Kapazität von zweimal 63 l/s und einmal 174 l/s bei einer Förderhöhe von ungefähr 3,0 m. Sie fördern den Rücklaufschlamm aus den Nachklärbecken in einen Vorlageschacht, aus dem der Überschussschlamm zur Schlammeindickung abgezogen wird und der Rücklauf- schlamm im freien Gefälle in die Bio-P-Becken fließt.
6 3.2.3 Phosphorelimination
Die Phosphorelimination erfolgt in den Bio-P-Becken biologisch, zusätzlich wird das Phosphat durch Dosierung einer Aluminium-Eisen-Chlorid-Lösung (Südflock K2) in das Verteilerbauwerk zur Nachklärung chemisch gefällt.
3.2.4 Schlammbehandlung
Der anfallende Primärschlamm fließt über Schieber aus den Trichtern der Grobentschlam- mung in den Rohschlammschacht. Hier wird er mit dem im Bandeindicker auf ca. 7 % einge- dickten Überschussschlamm vermischt. Der Rohschlammschacht dient als Vorlage für die Be- schickung des Faulturms.
Der Faulbehälter mit einem Volumen von 1.100 m³ wird durch ein Umwälzpumpwerk kontinu- ierlich umgewälzt. Die Faulzeit beträgt durchschnittlich 33 Tage.
Der ausgefaulte Schlamm mit ca. 2,8 % TR wird der in der Zentrifuge zur maschinellen Schlammentwässerung zugeführt und auf einen durchschnittlichen TS-Gehalt von ca. 22 % entwässert und zur thermischen Verwertung abgegeben.
Das bei der Eindickung anfallende Filtratwasser und das Zentratwasser der Entwässerung werden hinter dem Rechen wieder der Kläranlage zugeführt.
3.2.5 Klärgasverwertung
Das anfallende Klärgas wird in einem Blockheizkraftwerk elektrisch und thermisch genutzt.
Der in der Gasmotormaschine mit einer elektrischen Leistung von 80 kW (Baujahr 2010, Mo- tortausch 2018) erzeugte Strom wird ausschließlich zur Eigennutzung verwendet und nicht in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Die anfallende Wärme wird zur Beheizung des Faulbe- hälters und der Betriebsgebäude, sowie zur Warmwasserversorgung genutzt. Zum Ausgleich von Leitungsverlusten sind dem BHKW zwei Druckerhöhungsgebläse vorgeschalten.
Um eine Überhitzung des BHKWs bei Wärmeüberschuss zu verhindern ist eine Notkühlung installiert.
Zur Speicherung des Klärgases wird ein Niederdruckgasspeicher mit einem Nutzvolumen von 400 m³ verwendet. Bei Ausfall des BHKW wird das Gas über die Gasfackel verbrannt.
7
3.3 Sensor- und Messtechnik und Kontrolle der Abwasserqualität
Auf der Kläranlage Lechfeld ist in den Anlagenteilen die folgende Sensor- und Messtechnik zur Steuerung des Betriebsablaufs installiert:
Zulauf:
• 3 pH-Messungen
• 3 Temperaturmessungen
• 3 Durchflussmessungen Rechen:
• 3 Ultraschall-Niveau-Messungen Zulaufpumpwerk:
• Füllstandsmessung
• Drucksonde Belebungsbecken:
• O2-Messung in jedem Becken
• NO3-N-Messung in jedem Becken
• NH4-N-Messung im Verteilerbauwerk zur Nachklärung
• Druckmessung Gebläseleitung Chemische Phosphor-Elimination:
• 2 Durchflussmessungen Rohschlammschacht:
• Durchflussmessung
• Füllstandsmessung Rücklaufschlammpumpwerk:
• 3 Durchflussmessungen Faulung:
• Füllstandsmessung
• pH- und Temperaturmessung in der Umwälzleitung
• Temperaturmessung oben und unten im Faulturm
8 Faulgas:
• Gasmengenmessung Faulgaserzeugung
• Gasmengenmessung Faulgasverbrauch Gasbehälter:
• Füllstandsmessung Schlammentwässerung:
• Durchflussmessung zur Zentrifuge Zulauf:
• pH-Messung
• Temperaturmessung
• Leitfähigkeitsmessung
• Durchflussmessung
Die Kontrolle der Abwasserqualität erfolgt gemäß der Bayerischen Eigenüberwachungsver- ordnung. Zusätzlich wird eine behördliche Überwachung der Einleitung durchgeführt.
9 3.4 Betriebsdaten
3.4.1 Derzeitige Belastung der Kläranlage
Aus dem Betriebstagebuch der Kläranlage Lechfeld wurde die aktuelle Belastung der Kläran- lage ermittelt. Dazu wurden die Monatsberichte von Januar bis Dezember 2019 herangezo- gen. Die Berechnung der Tagesfrachten erfolgte nach DWA-M 260 über das frachtgewichtete Konzentrationsmittel und die Jahresabwassermenge gemäß Jahresbericht.
In der folgenden Tabelle sind die bemessungsrelevanten Zuflüsse sowie die Frachten im Zu- lauf zur Kläranlage zusammengefasst:
Tabelle 1: Zulaufbelastung der KA Lechfeld 2019 (gemäß DWA-M 260)
Parameter Derzeitige Belastung
Jahresabwassermenge m³/a 1.275.788
Mittlerer Trockenwetterzulauf QT,d m3/d 3.201
Maximaler stündlicher Trockenwetterzulauf m3/h 685
Maximaler Mischwasserzulauf QM m3/h 1.547
Mittlere Tagesfracht BSB5 Bd,BSB,ZB kg/d 1.928
Mittlere Tagesfracht CSB Bd,CSB,ZB kg/d 3.148
Mittlere Tagesfracht Gesamtstickstoff Bd,GesN,ZB kg/d 361 Mittlere Tagesfracht Gesamtphosphor Bd,Pges,ZB kg/d 44
Anhand der mittleren CSB-Tagesfracht wird die aktuelle Belastung der KA Lechfeld für die Bestimmung der spezifischen Kennzahlen zu 26.233 EW120 ermittelt.
3.4.2 Ablaufwerte
Tabelle 2: Ablaufwerte der KA Lechfeld für das Jahr 2019
Parameter Bescheidswert Maximalwert Mittelwert
Chemischer Sauerstoffbedarf mg/l 35 36 24,9
Biochemischer Sauerstoff-bedarf mg/l 20 8 3,0
Anorganischer Gesamt-
Stickstoff* mg/l 12 15,5 9,45
Ammoniumstickstoff* mg/l 10 2,7 0,41
Gesamtphosphor mg/l 1,2 1,6 0,75
* vom 01.05. bis 31.10.
10 3.5 Personalsituation
Der Betrieb der KA Lechfeld erfolgt durch 3 Mitarbeiter. Diese haben folgende Qualifikationen:
1 Abwassermeister
2 Facharbeiter (Elektriker und Fachkräfte für Abwassertechnik)
Zusätzlich wird auf der KA Lechfeld ein Lehrling zur Fachkraft für Abwassertechnik ausgebil- det.
3.5.1 Weiterbildungsbedarf
Die Mitarbeiter nehmen regelmäßig an Schulungsveranstaltungen und den Treffen der Klär- anlagennachbarschaften teil. Ebenso werden regelmäßig Weiterbildungen und Anwender- schulungen besucht.
3.5.2 Teilnahme an Benchmarks der Verbände
Der Abwasserzweckverband Lechfeld ist Mitglied der DWA und regelmäßiger Besucher der angebotenen Seminare.
11 4. Energie- und CO2-Bilanz
4.1 Gesamtstromverbrauch der Kläranlage
Die Kläranlage Lechfeld bezieht den Strom tagsüber zum Hochtarif (HT) und nachts zum Nie- dertarif (NT). Zusätzlich wird durch das BHKW Strom produziert. Die Summe der drei Werte ergibt den Gesamtstromverbrauch der Kläranlage. Aus den Monatsberichten gehen folgende Messwerte hervor:
Tabelle 3: Gesamtstromverbrauch 2019
Messung Einheit Wert Anteil am
Gesamtstromverbrauch
Strombezug HT kWh/a 220.443 28,2%
Strombezug NT kWh/a 208.741 26,7%
Stromerzeugung BHKW kWh/a 353.453 45,2%
Summe kWh/a 782.637 100,0%
Abbildung 2: Jahresstromverbrauch 2019 Netzbezug HT;
220.443 kWh/a;
28,2%
Netzbezug NT;
208.741 kWh/a;
26,7%
Erzeugung BHKW;
353.453 kWh/a;
45,2%
12 4.1.1 Stromverbrauch nach Anlagenteilen
Die Anzahl der Strommessungen zu den Anlagenteilen bzw. Reinigungsstufen, welche in den Monatsberichten dokumentiert sind, ist auf drei Summenwerte und acht Einzelwerte be- schränkt. Verbrauchsmessungen einzelner Aggregate sind nicht vorhanden. Folgende Tabelle fasst die Aufzeichnungen der Monatsberichte 2019 zusammen:
Tabelle 4: Aufgezeichneter Stromverbrauch nach Anlagenteilen 2019
Anlagenteil Einheit Wert Anteil
Innerhalb
Anteil am Gesamtstrom-
verbrauch Mechanische Reinigung kWh/a 80.014 100,0% 10,2%
Betriebsgebäude kWh/a 24.786 31,0% 3,2%
Zulaufpumpwerk kWh/a 50.042 62,5% 6,4%
Rechenanlage kWh/a 5.186 6,5% 0,7%
Biologie gesamt kWh/a 463.962 100,0% 59,3%
Gebläsestation kWh/a 460.087 99,2% 58,8%
Betriebsgebäude kWh/a 3.875 0,8% 0,5%
Schlamm gesamt kWh/a 151.846 100,0% 19,4%
Überschussschlamm kWh/a 20.884 13,8% 2,7%
Faulanlage kWh/a 94.060 61,9% 12,0%
Schlammentwässerung kWh/a 36.902 24,3% 4,7%
Summe kWh/a 695.822 100,0% 88,9 %
13
Nachfolgend ist die Zuordnung der Aggregate zu den gemessenen Anlagenteilen dargestellt:
Tabelle 5: Zuordnung der Aggregate
Anlagenteil Aggregate
Zulaufpumpwerk Zulaufhebepumpen 1-4
Rechenanlage
Rechen 1+2 Waschpresse 1+2
Mechanische Reinigung Betriebsgebäude
Sandfanggebläse Sandfangräumer Sandaustragsschnecke
Gebläsestation
Gebläse 1-3 Rührwerke 1-8 RLS-Pumpen 1-3 Rührwerke BioP 1-4 Räumer NKB 3
Rührwerk Rohschlammschacht Biologie Betriebsgebäude Räumer NKB 1 + 2
ÜS-Schlammeindickung
Schlammeindickung Dünnschlammpumpe Dickschlammpumpe
Faulanlage
Rohschlammpumpen Umwälzpumpen
Schlammstapelbehälter Pumpen 1+2 Schlammstapelbehälter Rührwerk 1-3 Schlammentwässerung
Für die Anlagenteile Mechanische Reinigung Betriebsgebäude, Zulaufpumpwerk, Gebläsesta- tion, Biologie Betriebsgebäude sowie Schlammentwässerung sind Energiemessgeräte instal- liert, die die Leistungsaufnahme und den Stromverbrauch dokumentieren. Die Stromver- brauchszahlen für die Anlagenteile Rechenanlage und ÜSS-Eindickung verfügen lediglich über eine Messung der aufgenommenen Stromstärke, über die der Stromverbrauch abge- schätzt wird.
14
Die Strommessung für das Anlagenteil „Gebläsestation“ umfasst neben den Gebläsen die ge- samte biologische Reinigungsstufe. Einzig die Aggregate der beiden alten Nachklärbecken werden gesondert im Messwert „Biologie Betriebsgebäude“ erfasst. Da erwartungsgemäß die biologische Reinigungsstufe den größten Energieverbrauch und somit auch das größte Ein- sparpotenzial aufweist, wurde an den Aggregaten der „Gebläsestation“ eine Leistungsmes- sung durchgeführt, um den Stromverbrauch der einzelnen Aggregate über die geförderte Ab- wassermenge bzw. die Betriebsstunden berechnen zu können.
Tabelle 6: Stromverbrauch 2019 gemäß Leistungsmessung vom 26.05.2020
Aggregat Leistung Bezugswert 2019 Stromverbrauch 2019
Rücklaufschlammpumpe 1 0,039 kWh/m³ 80.014 m³/a 11.103 kWh/a Rücklaufschlammpumpe 2 0,029 kWh/m³ 24.786 m³/a 8.206 kWh/a Rücklaufschlammpumpe 3 0,019 kWh/m³ 50.042 m³/a 15.542 kWh/a Rührwerke Belebungsbecken 2,36 kW 5.186 h/a 165.064 kWh/a
Rührwerke BioP 0,36 kW 463.962 h/a 8.500 kWh/a
Rührwerk Rohschlammschacht 3,0 kW 460.087 h/a 3.574 kWh/a
Tabelle 7: Stromverbrauch der einzelnen Anlagenteile der „Gebläsestation“
Aggregat Einheit Wert
Rücklaufschlammpumpen 1-3 kWh/a 34.8511
Gebläse 1-3 kWh/a 244.8602
Rührwerke Belebungsbecken kWh/a 165.0641
Rührwerke BioP kWh/a 8.5001
Rührwerk Rohschlammschacht kWh/a 3.5741
Räumer NKB 3 kWh/a 3.2382
Summe kWh/a 460.087
1 gemessen
2 berechnet
15
Der Gesamtstromverbrauch der Kläranlage von 782.637 kWh/a ist um 86.815 kWh/a höher als die Summe der gemessenen Anlagenteile von 695.822 kWh/a. Die Differenz entspricht ca.
11,1 % des Gesamtstromverbrauchs.
Abbildung 3: Jahresstromverbrauch nach Anlagenteilen
Zur weiteren Veranschaulichung des Stromverbrauchs der Anlagenteile werden die Tages- summen aus den Monatsberichten vom 01.01.2019 bis zum 31.12.2019 aufgetragen:
Mechanische Reinigung;
80.014 kWh/a; 10,2%
Biologie gesamt;
463.962kWh/a;
59,3%
Schlamm gesamt;
151.846 kWh/a;
19,4%
Rest; 86.815 kWh/a;
11,1%
16
Abbildung 4: Stromverbrauch pro Tag nach Anlagenteilen
Erwartungsgemäß ist der Stromverbrauch der Biologie am höchsten (gelb). Darin sind neben den Gebläsen, die Rührwerke im Belebungsbecken, die Rücklaufschlammpumpen, die Rühr- werke der BioP-Becken, das Rührwerk im Rohschlammschacht und die Räumer der Nachklär- becken enthalten. An zweiter Stelle liegt die Faulanlage (dunkelblau). Nach dem Zulaufpump- werk (hellblau) und der Schlammentwässerung (braun) erreicht der Stromverbrauch des Be- triebsgebäudes zur mechanischen Reinigung den fünften Platz. Das Überschussschlamm- pumpwerk (grün) befindet sich sechster Stelle.
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000
Stromverbrauch in kWh/d
Zeit
Biologie Gebläsestation Biologie Betriebsgebäude Zulaufpumpwerk
Überschußschlamm Faulanlage Schlammentwässerung
Rechenanlage Mechanische Reinigung BG
17
Die Rechenanlage und das Betriebsgebäude der Biologie weisen den geringsten aufgezeich- neten Energieverbrauch auf.
Bereits hier lässt sich erkennen, in welchen Anlagenteilen energetische Einsparpotentiale zu suchen sind. Demzufolge liegt das Hauptaugenmerk auf dem Belebungsbecken und den zu- gehörigen Anlagenteilen. Aus verfahrenstechnischer Sicht und zur Eigenstromproduktion wird die Faulung betrachtet.
4.2 Wärmeverbrauch
Der Wärmebedarf der KA Lechfeld wird hauptsächlich über die Abwärme des BHKWs gedeckt.
Zusätzlich steht ein Heizölbrenner zur Verfügung. Dieser verbrauchte 2019 ca. 5.000 l Heizöl.
Bei einem Heizwert von 9,8 kWh/l und einem Wirkungsgrad von 70 % ergibt sich eine Wärme- menge von 34.300 kWh/a.
Für die genutzte Abwärme des BHKWs ist kein Zähler vorhanden, so dass die Wärmeenergie nur über die verstromte Gasmenge, den Heizwert (über Methangehalt bestimmt) und den ther- mischen Wirkungsgrad abgeschätzt werden kann.
207.760 m³/a x 6,0 kWh/m³ x 51,6 % = 643.225 kWh/a
Insgesamt errechnet sich somit ein Jahreswärmebedarf von 677.525 kWh/a.
4.3 CO2-Äquivalente
Nach Angaben des Umweltbundesamtes werden in Deutschland im Jahr 2019 pro verbrauch- ter kWh elektrischer Energie durchschnittlich 427 g CO2 /kWh (Stand: September 2020) aus- gestoßen. Damit entspricht der gesamte Stromverbrauch der Kläranlage im Jahr 2019 einem CO2-Ausstoß von:
CO2-Ausstoß: 427 g/kWh x 782.637 kWh/a = 334,2 t/a
18 5. Analyse des Energieverbrauchs 5.1 Energiecheck
Der Energiecheck nach DWA-A 216 liefert erste Auskünfte über den Energieverbrauch und die Energieerzeugung der Kläranlage Lechfeld. Er gibt anhand von Kennzahlen, die über Häu- figkeitsverteilungen des DWA-Leistungsvergleichs eingeordnet werden können, Erkenntnisse über offenkundige Defizite der Anlage. Dabei werden jedoch keine quantitativen Aussagen getroffen und die Aussagekraft der Häufigkeitsverteilungen schwankt, je nachdem wie viele Kläranlagen zur Bestimmung berücksichtigt wurden.
Zur eigenen Positionsbestimmung wird im DWA-A 216 die Durchführung eines jährlichen Energiechecks empfohlen. Die Ermittlung der folgenden Daten erfolgte anhand der Monats- berichte 2019.
Tabelle 8: Daten für den Energiecheck, 2019
Parameter Formel-
zeichen Einheit Derzeitige Belastung Einwohner (mittlere Belastung gemäß
CSB-Fracht) E EW120 26.233
Gesamtstromverbrauch Eges kWh/a 782.637
Stromverbrauch Belüftung
Belebungsbecken EBel kWh/a 244.860
Jahresmittelwert der
Faulgasproduktion QFG,d,aM Nm³/d 611
Jahressumme des Faulgasanfalls QFG,a Nm³/a 223.052
Volumenanteil des Methans am
Faulgasvolumen gCH4 - 0,60
Jahresmittelwert der dem Faulbehälter zu-
geführten Trockenmasse Bd,oTM,aM kg/d 1.284
Jahresproduktion Strom aus
Faulgasumwandlung EKWK,el kWh/a 353.453
Extern zugeführte Energie zur
Wärmeversorgung Eth,ext kWh/a 34.300
19
Tabelle 9: Kennwerte des Energiechecks und Einordnung nach DWA-A 216 (Stand 2015)
Kennwert Formel-
zeichen Einheit Derzeitige Belastung
Median nach DWA-A 216
Beste 10 % nach DWA-A 216 Spezifischer Gesamt-
stromverbrauch eges kWh/EW120*a 29,8 33,51 22
Spezifischer Stromver-
brauch der Belüftung eBel kWh/EW120*a 9,3 17 10
Spezifische Faulgaspro-
duktion pro Einwohner eFG Nl/EW120*d 23,3 26 41
Spezifische Faulgaspro- duktion pro zugeführte oTM-Fracht
YFG Nl/kg 476 460 700
Grad der Faulgasum-
wandlung in Elektrizität NFG % 26,4 26 34
Eigenversorgungsgrad
Elektrizität EVel % 45,2 44 80
Spezifischer externer Wärmebezug
eth,ext
kWh/E W120*a 1,3 0,0 0,0
1 für KA der GK 3, 4 und 5 mit anaerober Schlammstabilisierung
5.2 Anlagenspezifische Idealwerte der Kläranlage Lechfeld 5.2.1 Idealwerte für den Stromverbrauch
Mit den in der Bestandsaufnahme gewonnenen Informationen kann der Stromverbrauch der Kläranlage unter optimalen theoretischen Randbedingungen berechnet werden. Bei der Er- mittlung der anlagenspezifischen Idealwerte werden die Angaben aus dem Arbeitsblatt DWA- A 216 und dem Energiehandbuch NRW berücksichtigt. Der Ermittlung von einwohnerspezifi- schen Werten werden die Einwohnerwerte auf Basis der mittleren CSB-Fracht von 26.233 EW (siehe Tabelle 8) zugrunde gelegt. Bei mit Frequenzumrichter betriebenen Aggregaten wird ein FU-Wirkungsgrad von 0,95 berücksichtigt und in die Berechnung mitaufgenommen.
Rechen
Mit einem einwohnerspezifischen Idealwert von 0,1 kWh/EW*a nach DWA-A 216 ergibt sich ein anlagenspezifischer Idealwert von 2.623 kWh/a für den Rechen inklusive Waschpresse.
Zulaufpumpwerk
Es wurden 2019 1.275.788 m³/a Abwasser über eine Förderhöhe von 6,8 m gefördert. Mit einem Wirkungsgrad von 0,55 nach DWA-A 216 und einem FU-Wirkungsgrad von 0,95 ergibt sich für das Zwischenhebewerk ein Idealwert von 44.830 kWh/a.
Sandfang
Der Sandfang hat im Jahr 2019 1.275.788 m³/a Abwasser behandelt. Mit einem spezifischen Stromverbrauch von 5,5 Wh/m³ gemäß Energiehandbuch NRW ergibt sich ein Idealwert von 13.117 kWh/a.
20 Belüftung der Belebung
Der anlagenspezifische Idealwert der Druckbelüftung wird über den mittleren stündlichen Sau- erstoffbedarf, die Standard-Sauerstoffzufuhr (SOTR) bzw. die spezifische Sauerstoffzufuhr (SSOTE), die Dauer der belüfteten Phasen, die Einblastiefe, den Wirkungsgrad der Gebläse und die Druckdifferenz am Gebläse ermittelt.
Der mittlere stündliche Sauerstoffbedarf wird gemäß DWA-A 131 (2016) für die Mittelwerte der Zulauffrachten bei der mittleren Jahrestemperatur ermittelt. Aus dem Sauerstoffverbrauch für die Kohlenstoffelimination und dem Bedarf für die Nitrifikation sowie der Einsparung an Sau- erstoff aus der Denitrifikation wird der Sauerstoffbedarf berechnet.
Aufgrund des ungünstigen C/N-Verhältnisses ergibt die Bemessung mit dem BelebungsExpert 3.00 der DWA hohe Nitratablaufwerte und somit einen hohen Sauerstoffbedarf, da die Sauer- stoffeinsparung aus der Denitrifikation dementsprechend nur gering ist. Die tatsächlichen Nit- ratablaufwerte sind jedoch deutlich geringer, so dass die Sauerstoffeinsparung aus der Denit- rifikation mit dem Mittelwert von 10,8 mg/l berechnet wurde. Somit ergibt sich ein mittlerer stündlicher Sauerstoffbedarf OVh von 77,2 kg O2/h.
Aus diesem ein mittleren stündlichen Sauerstoffbedarf ergibt sich mit einem α-Wert von 0,65 und einem Erhöhungsfaktor fint von 2,0 für die intermittierende Belüftung die Standard-Sauer- stoffzufuhr zu 286,9 kg O2/h.
Mit einer Dauer der belüfteten Phasen von 4.380 h, einer spezifische Sauerstoffzufuhr SSOTE von 9 %/m gemäß Auslegung Fa. RMU, einer Druckdifferenz am Gebläse von 5,3 m, einem Wirkungsgrad des Schraubengebläse von 75 % (FU 98 %) gemäß Fa. Kaeser Kompressoren und einer Einblastiefe von 4,4 m ergibt sich ein Idealwert des Jahresenergieverbrauchs für die Belüftung der vier Belebungsbecken von 207.442 kWh/a.
Umwälzung im Belebungsbecken
Für Belebungsbecken mit einem Volumen von über 2.000 m³ gilt nach DWA-A 216 espez = 1,5 W/m³. Mit VBB = 2.600 m³ je Belebungsbecken und der Laufzeit der Rührwerke pro Bele- bungsbecken von 8.743 h/a ergibt sich pro Belebungsbecken ein Idealwert von 34.098 kWh/a.
In Summe ergibt sich somit ein Idealwert für die Umwälzung der vier Belebungsbecken von 136.391 kWh/a.
Rücklaufschlammpumpwerk
Mit einer Rücklaufschlammmenge von 562.950 m³/a, einer Förderhöhe von 1,9 m, einem Pum- penwirkungsgrad von 0,65 nach DWA-A 216 und einem FU-Wirkungsgrad von 0,95 ergibt sich für die Rücklaufschlammpumpen 1 und 2 ein Idealwert von 4.677 kWh/a. Für Rücklauf- schlammpumpe 3 ergibt sich mit einer geförderten Rücklaufschlammmenge von 811.001 m³/a ein Idealwert von 4.965 kWh/a. Insgesamt liegt der Idealwert für das Rücklaufschlammpump- werk bei 9.612 kWh/a.
Überschussschlammpumpwerk
Mit einer Überschussschlammmenge von 54.525 m³/a und einem spezifischen Stromver- brauch von 18 Wh/m³ nach Energiehandbuch NRW ergibt sich ein Idealwert von 981 kWh/a.
21 Überschussschlammeindickung
Mit espez = 0,2 kWh/m³ für die Überschussschlammeindickung nach DWA-A 216 und einer Überschussschlammenge von 54.525 m³/a ergibt sich für die Überschussschlammeindickung ein Idealwert von 10.905 kWh/a.
Dickschlammpumpwerk
Mit einer aus der Überschussschlammmenge und dem Eindickgrad von 7 % berechneten Dick- schlammmenge von 7.789 m³/a, einer Förderhöhe von 2 m aufgrund der Reibungsverluste durch polymereingedickten Schlamm, einem Wirkungsgrad von 0,6 nach DWA-A 216 und ei- nem FU-Wirkungsgrad von 0,95 ergibt sich ein Idealwert von 74 kWh/a.
Räumer
Die optimale elektrische Leistung für einen Räumer liegt nach DWA-A 216 bei 0,3 - 1,0 kW/Be- cken. Mit den jeweiligen Betriebsstunden errechnen sich dann die Idealwerte für die Jahres- energieverbräuche.
Tabelle 10: Idealwerte, Räumer Anlagenteil Leistung
kW
Laufzeit h/a
Jahresenergiever- brauch
kWh/a
NKB 1 0,25 8.710 2.178
NKB 2 0,25 8.691 2.173
NKB 3 0,3 8.750 2.625
Rohschlammpumpwerk
Mit einer geförderten Rohschlammmenge von 12.154 m³/a, einer Förderhöhe von ca. 13,5 m, einem Pumpenwirkungsgrad von 0,6 nach DWA-A 216 und einem FU-Wirkungsgrad von 0,95 ergibt sich für die Rohschlammpumpen 1 und 2 ein Idealwert von 777 kWh/a.
Umwälzung im Faulbehälter (außenliegend)
Mit einer spezifischen Leistungsdichte von 6 W/m³ nach DWA-A 216, einem Faulbehältervo- lumen von 1.100 m³ und einer Laufzeit der Durchmischung von 8.729 h/a ergibt sich ein Ide- alwert des Jahresstromverbrauchs von 57.611 kWh/a.
Faulschlammentwässerung
Mit einem spezifischen Energiebedarf von 1,6 kWh/m³ für die Zentrifuge inklusive Beschi- ckungspumpe und Konditionierung nach DWA-A 216 und einer entwässerten Faulschlamm- menge von 12.154 m³/a errechnet sich ein Idealwert des Jahresstromverbrauchs von 19.446 kWh/a.
Umwälzung Schlammspeicher
Die drei vorhandenen Schlammstapelbehälter waren 2019 kaum in Betrieb. Das Rührwerk in Schlammstapelbehälter 2 war 146 Stunden, das in Schlammstapelbehälter 3 230 Stunden in Betrieb. Mit einem Volumen von ja 654 m³ und einem spezifischen Energiebedarf von 2,5 W/m³
22
gemäß DWA-A 216 ergibt sich ein Idealwert für den Jahresenergieverbrauch von 615 kWh/a für die Umwälzung der Schlammstapelbehälter.
5.2.2 Idealwerte für den Wärmebedarf
Neben dem Stromverbrauch wird auch der Wärmebedarf der Kläranlage bewertet. Dabei sind vor allem der Wärmebedarf der Rohschlammaufheizung, die Transmissionsverluste des Faul- behälters und der Betriebsgebäude sowie die Wärmeabgabe über die BHKW-Notkühlung zu berücksichtigen. Der Ermittlung der anlagenspezifischen Idealwerte für den Wärmebedarf sind die Angaben aus dem Arbeitsblatt DWA-A 216 zugrunde gelegt.
Wärmebedarf zur Rohschlammerwärmung
Für die Berechnung des Wärmebedarfs für die Rohschlammaufheizung werden die jährliche Rohschlammmenge und ihre Durchschnittstemperatur sowie die durchschnittliche Faulraum- temperatur aus den Betriebstagebüchern jeweils nach Sommer- und Wintermonaten getrennt herangezogen. Der Rohschlamm setzt sich aus dem Primärschlamm aus der Vorklärung und dem eingedickten Überschussschlamm zusammen. Die Faulung wird mesophil betrieben, die Durchschnittstemperatur liegt bei ca. 39 °C.
Da der Rohschlamm zu 95 % aus Wasser besteht, kann nach DWA-A 216 mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser (1,16 kWh/m³*K) gerechnet werden. Mit einer halbjährlichen Rohschlammmenge von 6.077 m³ und einer Durchschnittstemperatur des Rohschlamms im Sommer von 15,7 °C und einer Aufheizung des Rohschlamms auf 41,0 °C ergibt sich ein Wär- mebedarf im Sommerhalbjahr von 178.536 kWh/a.
Mit einer Durchschnittstemperatur des Rohschlamms im Winter von 11,0 °C und einer Aufhei- zung des Rohschlamms auf 41,2 °C ergibt sich ein Wärmebedarf im Winterhalbjahr von 212.940 kWh/a.
Der Gesamtwärmebedarf für die Rohschlammaufheizung liegt somit bei 391.476 kWh/a.
Transmissionsverluste des Faulbehälters
Zusätzlich zur Rohschlammerwärmung müssen die Verluste durch Wärmeabstrahlung (Trans- missionsverluste) des Faulbehälters ausgeglichen werden. Zur Berechnung werden die Flä- che des Faulbehälters sowie die Außentemperatur und die Faulraumtemperatur im Durch- schnitt für die Sommer- und Wintermonate herangezogen. Der optimale Wärmedurchgangs- koeffizient beträgt nach DWA-A 216 0,3 - 0,5 W/m²*K.
Die Außenfläche des Faulbehälters wurde aus den Abmessungen aus den Bestandsplänen zum Betriebsgebäude von 1995 auf ca. 660 m² berechnet.
Mit einer durchschnittlichen Außentemperatur von 18,3 °C im Sommer, einer Faulraumtempe- ratur von 39,2 °C und einem Wärmedurchgangskoeffizient von 0,5 W/m²*K ergeben sich Transmissionsverluste im Sommerhalbjahr von 63.377 kWh/a.
23
Mit einer durchschnittlichen Außentemperatur von 6,4 °C im Winter, einer Faulraumtemperatur von 38,5 °C und einem Wärmedurchgangskoeffizient von 0,5 W/m²*K ergeben sich Transmis- sionsverluste im Winterhalbjahr von 97.514 kWh/a.
Der Idealwert der jährlichen Transmissionsverluste des Faulbehälters liegt somit bei 160.891 kWh/a.
Wärmebedarf zur Beheizung der Betriebsgebäude
Zur Ermittlung des Wärmebedarfs zur Beheizung der Betriebsgebäude werden der spezifische Wärmebedarf und die Nutzfläche der Betriebsgebäude zugrunde gelegt. Der spezifische Wär- mebedarf wird nach DWA-A 216 mit 60-80 kWh/m²*a angenommen. Mit einer Nutzfläche von ca. 300 m² im Erdgeschoss, jeweils 163 m² im 1. Und 2. Obergeschoss und weitere ca. 300 m² im 1. Untergeschoss ergibt sich eine Gesamtfläche von ca. 927 m² und somit ein Bedarf zwischen 55.649 bis 74.198 kWh/a.
5.2.3 Idealwerte für die Strom- und Wärmeerzeugung
Die anlagenspezifischen Idealwerte für die Strom- und Wärmeerzeugung wurden unter Be- rücksichtigung der Angaben aus dem Arbeitsblatt DWA-A 216 ermittelt.
Stromerzeugung
Mit einem optimalen elektrischen Wirkungsgrad nach DWA-A 216 von 0,39 für BHKWs zwi- schen 50 und 100 kWel, einem jährlichen Faulgasanfall von 223.052 Nm³/a, einem Heizwert des Faulgases von 6,0 kWh/m³ und einem Anteil des verstromten Faulgases von 100 % ergibt sich ein Idealwert für die Stromerzeugung von 521.942 kWh/a.
Wärmeerzeugung
Mit einem optimalen thermischen Wirkungsgrad nach DWA-A 216 von 0,55 für BHKWs zwi- schen 50 und 100 kWel, einem jährlichen Faulgasanfall von 223.052 Nm³/a, einem Heizwert des Faulgases von 6,0 kWh/m³ und einem Anteil des verstromten Faulgases von 100 % ergibt sich ein Idealwert für die Wärmeerzeugung von 736.072 kWh/a.
Ein Idealwert für den Ölbrenner wird im DWA-Arbeitsblatt A 216 nicht genannt.
24 6. Potenzialanalyse
6.1 Gegenüberstellung des IST-Zustands mit den anlagenspezifischen Idealwerten 6.1.1 Elektrische Energie
Die Gegenüberstellung des Ist-Zustands mit den berechneten anlagenspezifischen Idealwer- ten erfolgt nach DWA-A 216 Anhang C. Anhand dieses Vergleichs kann das theoretische Ein- sparpotential aufgedeckt werden. Dabei ist zu beachten, dass die anlagenspezifischen Ideal- werte auf theoretischen Berechnungen basieren, die nicht alle örtlichen Randbedingungen der Anlage sowie deren Anforderungen berücksichtigen.
Tabelle 11: Idealwertvergleich Stromverbrauch Verfahrensstufe und
Anlagenteile
IST ab- solut [kWh/a]
IST spezifisch [kWh/EW*a]
Ideal- wert absolut [kWh/a]
Idealwert spezifisch [kWh/EW*a]
Differenz spezifisch [kWh/EW*a]
Mechanische Reinigungsstufe
Rechenanlage 5.186 0,20 2.623 0,10 0,10
Sandfang 24.786 0,94 13.117 0,50 0,44
Zulaufhebewerk 50.042 1,91 44.830 1,71 0,20
Biologische Reinigungsstufe
Belüftung Belebungsbecken 244.860 9,33 207.442 7,91 1,43 Rührwerke Belebungsbecken 165.064 6,29 136.391 5,20 1,09
Rührwerke BioP-Becken 8.500 0,32 9.303 0,35 -0,03
Rücklaufschlammpumpen 34.851 1,33 9.642 0,37 0,96
Räumer Nachklärung 7.113 0,27 6.975 0,27 0,00
Schlammbehandlung
ÜSS-Eindickung inkl. ÜSS- und
Dickschlammpumpen 20.884 0,80 11.960 0,46 0,34
Rührwerk Rohschlammschacht 3.574 0,14 298 0,01 0,12
Schlammentwässerung 36.902 1,41 19.446 0,74 0,67
Faulanlage (Umwälzpumpen, Roh- schlammpumpen, Beschickung und Durchmischung Stapelbehälter)
94.060 3,59 59.314 2,26 1,32
Spezifische Differenz > 0,40 kWh/EW*a 0,01 < spezifische Differenz < 0,40 kWh/EW*a Spezifische Differenz < 0,00 kWh/EW*a
25
Da auf der Kläranlage Lechfeld nur wenige Einzelmessungen des Stromverbrauchs installiert sind, kann der Idealwertvergleich nach DWA-A 216 teilweise nur für die Summenwerte durch- geführt werden. Um die Einsparpotenziale einzelnen Aggregaten zuordnen zu können, wird empfohlen Strommessgeräte an den Anlagenteilen zu installieren und den Stromverbrauch zu dokumentieren. Die Ausgabe soll über das Prozessleitsystem der Kläranlage erfolgen. Weitere Angaben zum Controlling sind in Kapitel 8 zu finden.
6.1.2 Thermische Energie
Das Einsparpotential für die thermische Energie kann nur für die Summe des Wärmebedarfs angegeben werden, da für den tatsächlichen Wärmeverbrauch keine Verbrauchszahlen für die einzelnen Anlagenteile zur Verfügung stehen. Der Wärmebedarf wurde über die gesamte Wär- meerzeugung auf der Kläranlage (BHKW und Heizung) berechnet. Deswegen ist es nicht mög- lich das Einsparpotenzial auf die Anlagenteile aufzuteilen. Naheliegend ist jedoch, dass ein großes Einsparpotenzial bei den Transmissionsverlusten des Faulbehälters besteht, da die Isolierung des Faulturms seit dem Bau im Jahre 1987 nicht erneuert wurde.
Tabelle 12: Idealwertvergleich Wärmebedarf
Wärmebedarf absolut [kWh/a]
Anlagenbezoge- ner Idealwert
[kWh/a]
Einsparpotenzial [kWh/a]
Rohschlammaufheizung k.A. 359.754 k.A.
Transmissionsverluste Faulbehälter k.A. 92.521 k.A.
Beheizung Betriebsgebäude k.A. 74.198 k.A.
Summe 677.525 526.473 151.052
6.1.3 Strom- und Wärmeerzeugung
Hinsichtlich der Strom- und Wärmeerzeugung durch das BHKW besteht ein großes Potenzial, das zu Einsparungen im externen Strombezug und bei der zusätzlichen Nutzung der Heizun- gen führt.
Tabelle 13: Idealwertvergleich Strom- und Wärmeerzeugung Energieerzeugung
absolut [kWh/a]
Anlagenbezogener Idealwert
[kWh/a]
Einsparpotenzial [kWh/a]
Strom 353.453 521.942 168.489
Wärme 677.525 k.A. k.A.
BHKW 643.225 736.072 92.847
Ölheizung 34.300 k.A. k.A.
26 6.2 Ermittlung von Energieeinsparpotenzialen
Die Gegenüberstellung der IST-Werte des Stromverbrauchs mit den anlagenspezifischen Ide- alwerten zeigt, dass in nahezu allen Verfahrensstufen ein Potenzial zur Verminderung des Stromverbrauchs vorhanden ist (siehe Tabelle 11).
Die größten spezifischen Einsparpotenziale werden beim Sandfang, bei der Belüftung und der Durchmischung der Belebungsbecken, den Rücklaufschlammpumpen, der Schlammentwäs- serung und der Faulanlage mit spezifischen Abweichungen von über 0,40 kWh/EW*a gefun- den. Die Anlagenteile, die eine geringere Abweichung des spezifischen Idealwerts vom spezi- fischen Stromverbrauch aufweisen, wurden bei der Ausarbeitung von Energieeinsparpotenzi- alen nicht berücksichtigt.
Sandfang
Nach Auswertung des Idealwertvergleichs ist beim Sandfang ein Einsparpotenzial vorhanden.
Da die Stromverbrauchsmessung nur den Summenwert der Aggregate darstellt, können keine konkreten Energieeinsparmaßnahmen entwickelt werden. Es ist jedoch das Augenmerk auf die Sandfanggebläse zu legen, da diese als Dauerläufer einen hohen Stromverbrauch aufwei- sen.
Belüftung der Belebungsbecken
Das Potenzial ergibt sich aus dem Austausch der Belüfterelemente, der altersbedingt (Baujahr 2001/2002, teilweiser Austausch 2012) ohnehin ansteht, und der Verbesserung der Sauer- stoffzufuhr durch Erhöhung der Belegungsdichte. Dadurch und durch den Einsatz hocheffizi- enter Belüfterplatten kann der Stromverbrauch der Gebläse deutlich gesenkt werden. Nur ei- nen geringen Anteil am Einsparpotenzial macht der Austausch der bestehenden Drehkolben- gebläse gegen Schraubengebläse aus, da der Großteil des Sauerstoffeintrags mit dem 2018 erneuerten Schraubengebläse erfolgt. Allerdings spricht die fehlende Redundanz für den Aus- tausch, da durch die bestehenden Drehkolbengebläse bezüglich des Stromverbrauchs keine gleichwertige Ausfallsicherung besteht. Außerdem kann durch Erweiterung der Messtechnik in den Belebungsbecken (NH4-Messung für jedes Becken) der Sauerstoffbedarf der einzelnen Becken genauer ermittelt werden und so Energie eingespart werden.
Durchmischung der Belebungsbecken
Bei den Rührwerken im Belebungsbecken besteht das Einsparpotenzial in einer Änderung der Ausrichtung der Rührwerke und der damit einhergehenden Verringerung der benötigten Leis- tung. Mit der Ausrichtung der bestehenden Rührwerke an den gegenüberliegenden Becken- rändern ist gemäß Strömungssimulation keine gute Durchmischung des Belebungsvolumens zu erreichen, so dass sich in der Beckenmitte Ablagerungen bilden (siehe Abb. 5). Zur Ver- besserung der Durchmischung können die beiden Rührwerke an einer Seite angeordnet wer- den. Dafür ist der Bau einer Brücke und eines Mittelbauwerks notwendig (siehe Abb. 6).
27 Abbildung 5: Strömungssimulation mit gegenüberliegenden Rührwerken
Abbildung 6: Strömungssimulation mit auf einer Seite liegenden Rührwerken
Alternativ wäre auch der komplette Verzicht auf Rührwerke möglich. Dazu werden die Bele- bungsbecken durch den Einbau einer Trennwand zwischen Zu- und Ablauf von volldurch- mischten Becken zu Becken mit Rohrströmung umgebaut. Zusätzlich wird die gesamte Fläche der Belebungsbecken mit Belüfterelementen belegt. Die Durchmischung der Belebungsbe- cken erfolgt dann während der unbelüfteten Phasen (Denitrifikation) mittels Stoßbelüftung. Die erzielbare Energieeinsparung ist bei dieser Variante größer, da komplett auf die Rührwerke verzichtet wird, die momentan im Dauerbetrieb sind. Aber auch die Investitionskosten für die Belüfterelemente sind höher, da durch die vollflächige Belegung deutlich mehr Belüfterele- mente benötigt werden und zusätzlich eine Trennwand eingezogen werden muss. Es werden aber verfahrenstechnische Nachteile durch die Bildung von Totzonen aufgrund der Beckenge- ometrie (Rundbecken) und die Einblasung von Sauerstoff während der Denitrifikationsphase erwartet.
Rücklaufschlammpumpen
Der Rücklaufschlamm der Kläranlage Lechfeld wird aus den drei Nachklärbecken abgezogen und über das Rücklaufschlammpumpwerk wieder der Belebung zugeführt. Dabei ist jedem Nachklärbecken eine Hebeschnecke zugeordnet. Die maximale Förderleistung der beiden kleineren Pumpen (RLS 1 + 2) beträgt 227 m³/h, die größere Pumpe (RLS 3) kann maximal 626 m³/h fördern. Durch die in der Steuerung festgelegten maximalen Gesamtfördermenge des Pumpwerks von 500 m³/h, das im Verhältnis 3:2 auf die größere und die beiden kleineren Pumpen aufgeteilt ist, wird die Maximalfördermenge der einzelnen Pumpen nie erreicht. Viel- mehr werden alle drei Pumpen sehr stark in Teillast betrieben.
Im Idealwertvergleich ergibt sich aufgrund des sehr geringen Wirkungsgrads von 17,3 % ein großes Einsparpotenzial für das Rücklaufschlammpumpwerk. Durch den Einsatz energieeffi- zienter Motoren kann das Optimierungspotenzial genutzt werden.
Schlammentwässerung
Durch die Erneuerung des Dekanters zur Schlammentwässerung kann Energie eingespart werden, da moderne Dekanter weniger Strom verbrauchen. Aufgrund des hohen Alters des bestehenden Dekanters (Baujahr 2003, 17 Jahre alt) wird ein Austausch ohnehin bald notwen- dig sein. Durch den Einsatz einer Bandfilterpresse lässt sich noch mehr Energie einsparen, da diese noch effizienter arbeiten, sie sind jedoch auch deutlich teurer in der Anschaffung.
28 Faulanlage
Bei der Faulanlage besteht gemäß des Idealwertvergleichs ein sehr großes Energieeinspar- potenzial. Da es sich hier aber beim Stromverbrauch um den Summenwert mehrerer Anlagen- teile und Aggregate handelt, können keine konkreten Energieeinsparmaßnahmen abgeleitet werden.
6.3 Ermittlung von Energieeffizienzpotenzialen – Faulgaserzeugung und -verwertung 6.3.1 Grundlagen
Sowohl Primär- als auch Sekundärschlämme sind aufgrund ihres hohen Anteils an organischer Substanz faulfähig. Bei Lagerung erfolgt daher ein weiterer Abbau, der mit starker Geruchs- entwicklung einhergeht. Folglich ist eine Stabilisierung des Schlammes, d. h. die Reduktion der enthaltenen organischen Substanz, notwendig, bevor der Schlamm weiteren Behand- lungsschritten zugeführt werden kann. Die gebräuchlichsten Verfahren sind hierbei bei kleinen Anlagen die simultane aerobe Stabilisierung und bei großen Anlagen die anaerobe mesophile Schlammfaulung.
Die simultane aerobe Stabilisierung erfolgt in der Belebungsstufe durch die Einhaltung eines hohen Schlammalters. Die Menge an Überschussschlamm ist vergleichsweise gering, jedoch ist der Schlamm sehr schlecht entwässerbar. Auch ist der Energiebedarf für die Belüftung des Belebungsbeckens bei diesem Verfahren sehr hoch.
Bei der mesophilen anaeroben Schlammstabilisierung wird die organische Substanz in den vier Schritten der Hydrolyse, der Versäuerung, der Acetogenese sowie der Methanogenese von unterschiedlichen Mikroorganismengruppen verstoffwechselt. Der letzte und ausschlag- gebende Prozess besteht in der Bildung von Methan durch methanogene Archaeen. Der we- sentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Produktion von Faulgas, das energetisch ge- nutzt werden kann. Zusätzlich erfolgt im Rahmen der Faulung eine deutliche Reduzierung des Trockenrückstands im Vergleich zum nicht stabilisierten Rohschlamm.
Der anfallende Faulschlamm ist deutlich besser entwässerbar als aerob stabilisierter Über- schussschlamm. Bei der Entwässerung des ausgefaulten Schlamms fällt Filtrat bzw. Zentrat an, das mit Ammonium und Phosphat belastet ist. Daraus ergibt sich einerseits eine Rückbe- lastung der Belebung und andererseits die Gefahr der Bildung von Inkrustationen im Filtrat- wasserspeicher und den Dosierleitungen und -aggregaten.
6.3.2 Belastung
Aus den Aufzeichnungen des Betriebspersonals der Kläranlage Lechfeld aus dem Jahr 2019 wurde die anfallende Menge an Rohschlamm bestimmt sowie die Mittelwerte des TR-Gehalts und des organischen Anteils (Glühverlust) ermittelt. Bei den vorliegenden TR-Gehalten kann die Schlammdichte näherungsweise mit 1 angenommen werden.
29
Im Durchschnitt fallen täglich 33 m³ Rohschlamm mit einem mittleren TR-Gehalt von 5,2 % an.
Darin enthalten sind der Primärschlamm und der auf ca. 7 % eingedickte Überschussschlamm.
Der oTM-Anteil des Rohschlamms liegt im Mittel bei ca. 75 %.
Der durchschnittliche Schlammanfall vor und nach der Faulung kann der folgenden Tabelle entnommen werden:
Tabelle 14: Durchschnittlicher Schlammanfall 2019 Schlammart Organische
Trockenmasse [kg oTM/d]
Trockenmasse [kg TM/d]
oTM/TM [%]
TR-Gehalt [%]
Schlamm- volumen [m3/d]
Rohschlamm 1.284 1.716 74,8 5,2 33
Faulschlamm 591 924 64,0 2,8 33
Da gemäß DWA-M 368 für die Bemessung des Faulraumvolumens von bestehenden Kläran- lagen das Maximum des gleitenden 2-Wochenmittels des Schlammanfalls maßgebend ist, wurdes dieses ebenfalls bestimmt:
Tabelle 15: Maximaler Schlammanfall 2019 Schlammart Organische
Trockenmasse [kg oTM/d]
Trockenmasse [kg TM/d]
oTM/TM [%]
TR-Gehalt [%]
Schlamm- volumen [m3/d]
Rohschlamm 1.894 2.532 74,8 5,2 49
Faulschlamm 873 1.364 64,0 2,8 49
Die Richtwerte für die Bemessung des Faulraumes bei mesophiler Faulung richten sich nach der Anlagengröße. Empfohlen werden gemäß DWA-M 368 in Abhängigkeit von der Anlagen- größe folgende Werte:
Tabelle 16: Empfohlene Faulzeit sowie Schlamm- und Raumbelastung nach Anlagengröße (nach DWA-M 368)
Anlagengröße in EW Einheit < 50.000 50.000 – 100.000 > 100.000
Faulzeit tR d 20 – 28 18 – 25 16 – 22
Organische Schlammbelas- tung durch leicht abbaubare Stoffe BS,oTMabb
kg oTMabb/(kg oTM*d) 0,05 – 0,06 0,05 – 0,07 0,06 – 0,07 Organische Raumbelastung
durch leicht abbaubare Stoffe BR,oTMabb
kg oTMabb/(m3*d) 1,0 – 1,4 1,1 – 1,5 1,2 – 1,7
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Bei den derzeitigen Schlammmengen maximal ergeben sich folgende Belastung und freie Ka- pazitäten für den Faulbehälter der KA Lechfeld:
Tabelle 17: Derzeitige Belastung des Faulbehälters de KA Lechfeld
Parameter Mittelwerte 2019 Höchstwerte 2019
Faulbehältervolumen 1.100 m3 1.100 m3
Schlammvolumen QRohschlamm 33 m3/d 49 m³/d
Organische Trockenmasse
Bd,oTM 1.284 kg/d 1.894 kg/d
Leicht abbaubare organische
Trockenmasse Bd,oTMabb 732 kg/d 1.080 kg/d
Belastung
Faulzeit tR 33,3 d 22,6 d
Organische Schlammbelastung durch leicht abbaubare Stoffe BS,oTMabb
0,037 0,055
Organische Raumbelastung durch leicht abbaubare Stoffe BR,oTMabb
0,67 0,98
Freie Kapazitäten
Schlammvolumen Q 22 m3/d (tR = 20 Tage) 6 m³/d (tR = 20 Tage) Organische Trockenmasse
Bd,oTM
791 kg oTM/d (BS,oTMabb = 0,06) 1.418 kg oTM/d (BR,oTMabb = 1,4)
181 kg oTM/d (BS,oTMabb = 0,06) 807 kg oTM/d (BR,oTMabb = 1,4)
