LoadshiftARA Lastverschiebung in der Abwasserreinigung – Kommunale Kläranlagen als Bestandteil smarter Energiesysteme

Projektverlauf

Zur Erarbeitung aller relevanten Rahmenbedingungen hinsichtlich der Lastverschiebung auf Kläranlagen bzw. der Erhebung der Anforderungen der Akteure wurde zunächst eine umfassende Literaturrecherche zum Status Quo, einerseits hinsichtlich bereits erhobener Lastverschiebungspotenziale bei kommunalen Kläranlagen, als auch insbesondere hinsichtlich der rechtlichen und regulatorischen Gegebenheiten, durchgeführt. Die Arbeiten gliederten sich dabei einerseits in:

Die Erhebung der Rahmenbedingungen und Anforderungen bzgl. der Prozesse in kommunalen Kläranlagen sowie relevanter dezentraler Erzeugungsanlagen: Das Hauptaugenmerk der Arbeiten lag in der Erhebung der Anforderungen der Kläranlagenbetreiber. Dazu wurden zwei Workshops mit Kläranlagenbetreibern hinsichtlich der grundsätzlichen Möglichkeiten der Variabilität bzw. Abschaltung einzelner Anlagenteile / Aggregate auf Kläranlagen durchgeführt. Es wurde sowohl räumlich als auch hinsichtlich der Anlagengröße die gesamte Palette der kommunalen Abwasserreinigung in Österreich erfasst.

Die Erhebung der Rahmenbedingungen und Anforderungen bzgl. der Anbindung an das Stromnetz: Ergänzend zur Recherche bisheriger Arbeiten zum Thema Lastverschiebung und Netze, wurden die Anforderungen und Interessen der Stromnetzbetreiber und Energielieferanten in persönlichen Gesprächen anhand eines erarbeiteten Interviewleitfadens abgefragt. Weiters wurde in diesem Task die rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen erarbeitet.

Der erste Arbeitsschritt bzgl. der Analyse der Prozesstechnik inkl. Strombedarf beinhaltete die Besichtigung der für die weiteren Untersuchungen in Frage kommenden Kläranlagen. Diese Anlagen wurden hinsichtlich ihrer Eignung für das Projekt analysiert und beurteilt. Durch Gespräche mit den Betreibern konnten schließlich vier Referenz-Kläranlagen für das Projekt identifiziert werden, die für weitere detaillierte Untersuchungen in Frage kamen. Zwei der vier Kläranlagen, die näher untersucht wurden, werden mit simultaner anaerober Schlammstabilisierung, die beiden anderen mit Vorklärung und Schlammfaulung betrieben.

Für die Klärtechnische Analyse erfolgte eine Begehung der Anlagen mit dem Betriebspersonal. Dabei galt es die Verfahrenstechnik kennenzulernen, sowie die Hintergründe der oft im Laufe der Jahre gewachsenen Anlagen nachzuvollziehen. Aufbauend auf der detaillierten Besichtigung der vier ausgewählten Kläranlagen, erfolgte eine Auswertung der zur Verfügung gestellten Unterlagen. Der klärtechnischen Analyse der Prozesse und Aggregate liegen Messwerten und Aufzeichnungen der einzelnen Anlagen zugrunde. Es wurden zunächst die Belastungsdaten mittels Bilanzierung verifiziert. Danach wurden die einzelnen Teilprozesse in Hinblick auf ihren Stromverbrauch eingehend analysiert. In einem nächsten Arbeitsschritt wurde überlegt, welche Aggregate (Verbraucher) kontinuierlich, also 24 h am Tag, durchlaufen müssen bzw. welche Verbraucher nur über wenige Stunden betrieben werden, oder betrieben werden können und inwieweit deren Energieverbrauch dementsprechend in Zeiten mit höherem Stromdargebot verschoben werden kann.

Für die energetische Analyse wurde einerseits der Energieverbrauch der einzelnen Anlagenteile bzw. Aggregate-Cluster (Belüftung, Rührwerke, usw.) ausgewertet. Andererseits wurde der Energiebedarf von maschinellen Einrichtungen (Prozessen), die nicht kontinuierlich betrieben werden müssen und deren Stromverbrauch dementsprechend zeitlich verschoben werden kann, zusammengefasst. Anhand der Energieanalyse wurde der spezifische Stromverbrauch der einzelnen Anlagenteile bzw. Prozesse identifiziert und zur Verifizierung mit gängigen Literaturwerten verglichen.

Zur Simulation der Prozesstechnik inkl. E-Versorgung wurde ein geeignetes Simulationstool ausgewählt, wobei die Entscheidung hinsichtlich des zugrunde liegenden Modells auf das „Activated Sludge Model No. 1“ (ASM1) fiel. Mit Basis dessen und mit Hilfe eines entsprechenden Simulationsprogramms wurden für die einzelnen im Detail analysierten Kläranlagen dynamische Simulationsmodelle erarbeitet um festzustellen, in welchem Ausmaß sich der Energieverbrauch der Belüftung von Belebungsbecken verschieben lässt, ohne dass Ablaufgrenzwerte überschritten werden. Um dieses Modell sinnvoll anwenden zu können, mussten zuvor typische Tagesganglinien des Abwasserzuflusses, sowie der Zulaufwerte für die relevanten Abwasserparameter erhoben werden. Diese Untersuchungen werden auf kommunalen Kläranlagen in aller Regel nicht im Rahmen der routinemäßigen Eigenüberwachung durchgeführt. Daher wurden die Betreiber der Kläranlagen, die hinsichtlich möglicher Lastverschiebungen näher analysiert werden sollten, ersucht an drei hintereinander folgenden Werktagen mit Trockenwetterbedingungen aus 4-Stunden-Mischproben die CSB-, die Gesamt-N-, die NH4-N- und allenfalls auch die NO3-N-Zulaufkonzentration zu analysieren.

Die Untersuchungen hinsichtlich der möglichen Dauer des Abschaltens der Belüftungssysteme mit Hilfe der dynamischen Simulation der biologischen Reinigungsstufe wurden sowohl für die Tageszeiten mit hoher Belastung (in der Regel nach dem Einsetzen der Morgenspitze) als auch für Zeiten mit niedriger Belastung (in den Nachtstunden bzw. etwa ab Mitternacht, je nach Fließzeit im vorgelagerten Kanalnetz) durchgeführt.

Es wurde aufbauend auf den Ergebnissen der Simulation und den Erkenntnissen aus den Workshops versucht, den Stromverbrauch der Anlage an den Lastgang einer fiktiven Photovoltaikanlage am jeweiligen Standort anzupassen. Die installierte Leistung der PV-Anlage wurde mit der daraus zu erwartenden Stromproduktion für die Monate Jänner und Juli dem idealisierten Energieverbrauch nach Lastverschiebung aus der Modellrechnung angepasst.

In einem nächsten Arbeitsschritt wurden untersucht, wie die Teilprozesse der Klärtechnik sowie der Erzeugeranlagen technisch adaptiert, sowie die Betriebsweise von Erzeugeranlagen angepasst werden könnten um die Lastverschiebungspotenziale zu heben bzw. zu vergrößern.

Hinsichtlich der Analyse der Stromversorgung erfolgte eine Recherche zu allgemein am Markt befindlichen Technologien intelligenter Managementsysteme. Anhand der Rechercheergebnisse und den Erkenntnissen aus den Gesprächen mit den Stromnetzbetreibern konnten Aussagen hinsichtlich der Anforderungen an die Kommunikations­infrastruktur zwischen Stromnetz und Managementsystemen in Kläranlagen erarbeitet werden. Es wurden demnach Lösungsvorschläge für die Adaption der MSR-Technik ausgearbeitet.

In einem weiteren Arbeitsschritt wurden mögliche betriebseigene elektrische Erzeuger, wie z.B. Photovoltaikanlagen und BHKWs hinsichtlich der optimalen Einbindung (möglichst hohe Eigenstromabdeckung) in den Kläranlagenbetrieb analysiert.

Es wurden Lösungsansätze erarbeitet, die zur Steigerung von Lastverschiebungs­potenzialen einzelner Teilprozesse bzw. gesamter Abwasserreinigungsprozesse sowie relevanter Erzeugeranlagen unterschiedlicher Kläranlagentypen beitragen können. Diese Lösungsansätze wurden hinsichtlich ihrer technischen Machbarkeit evaluiert. Hinsichtlich der ökonomischen Beurteilung wurden für eine Beispiel-Kläranlage die Kosten für die Einbindung von Online-Messungen des Stromverbrauchs aller Aggregate bzw. Aggregatgruppen und der entsprechenden Einbindung der Messungen in das Prozessleitsystem erhoben. 

Basierend auf den Interviews mit den Netzbetreibern / EVUs und den durchgeführten Recherchen wurden Handlungsempfehlungen abgeleitet, wie ökonomische Anreize für Lastverschiebungen im Bereich der Kläranlageninfrastruktur, im Rahmen der aktuellen regulatorischen/rechtlichen Vorgaben, geschaffen werden können und welche Änderungen in Hinblick auf die Schaffung von Anreizen sinnvoll wären.

Anhand der durchgeführten Arbeiten konnten für die Sondierung einerseits spezifische Schlussfolgerungen für die betrachteten Referenzanlagen abgeleitet und andererseits darauf aufbauende allgemeine Aussagen hinsichtlich des Lastverschiebungspotenzials bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen getroffen werden.

Ergebnisse

Die wichtigste Erkenntnis des Projektes ist, dass

Lastverschiebungen auf Kläranlagen möglich sind und auch quantitativ einen nennenswerten Beitrag für (zukünftige) smarte / intelligente Stromnetze liefern können.

Weitere Schlussfolgerungen sind:

• Für einen Zeitraum von 15 bis 30 Minuten können nahezu alle Aggregate einer Kläranlage abgestellt werden.
• Anhand der Simulation konnte gezeigt werden, dass die Belüftung der biologischen Stufe zur Versorgung der aeroben Prozesse mit Sauerstoff das größte Lastverschiebungspotenzial aufweist. Die Belüftung der Belebungsbecken ist nicht nur entscheidend für das Lastverschiebungspotenzial einer Kläranlage, sondern auch für dessen Reinigungsleistung und demzufolge für die Einhaltung der Ablaufgrenzwerte. Somit kann man es als erwiesen betrachten, dass es unumgänglich ist die dynamische Belebtschlammsimulation anzuwenden um das Ausmaß möglicher Lastverschiebungen auf Kläranlagen auszuloten.
• Mit Lastverschiebung können keine Energieeinsparungen erzielt werden. Vielmehr ist davon ausgehen, dass die Lastverschiebung – insbesondere im Bereich der biologischen Abwasserreinigung (Belüftung) – zu einem gewissen Mehrverbrauch von Energie führen kann. Es muss daher für die Kläranlagenbetreiber ein ausreichender finanzieller Anreiz gegeben sein die vorhandenen Lastverschiebungspotenziale auch zu nutzen. Diesen Anreiz gibt es unter den derzeitigen regulatorischen Bedingungen nicht!
• Der Betrieb von Faulgas-BHKWs, die Bewirtschaftung des Gasspeichers und der Eigenstromerzeugung insgesamt sollte in den Händen der Kläranlagenbetreiber bleiben. Es darf nicht übersehen werden, dass nicht nur die biologische Abwasserreinigung, sondern auch die Schlammfaulung biologische Prozesse sind. Wieviel Faulgas für die Energienutzung zur Verfügung steht und wie dieses bewirtschaftet werden kann, ist abhängig von den vorgelagerten Prozessen und kann folglich nicht alleine von außen gesteuert werden.
• Die Mehrzahl der befragten Netzbetreiber hat aktuell kaum Interesse am Thema Lastverschiebung und sieht auch kurz- bis mittelfristig keinen Bedarf für eine Forcierung der Aktivitäten in diesem Zusammenhang. Es sei allerdings festgehalten, dass sich einige (wenige) Netzbetreiber aus strategischen Gründen bereits mit diesem Thema beschäftigen.
• Etwas anders stellt sich die Situation bei den Stromlieferanten dar. Diese wären aus ökonomischen bzw. aus Marketing-Gründen zumindest teilweise am Thema Lastmanagement interessiert. Aber auch den Stromlieferanten sind durch die regulativen Rahmenbedingungen weitgehend die Hände gebunden.
• In Hinblick auf die technischen Lösungsansätze konnte gezeigt werden, dass es nicht sinnvoll ist, Investitionen in die maschinelle Ausrüstung von Kläranlagen zum Zwecke des Hebens von Lastverschiebungspotenzialen zu tätigen. In der Praxis werden vor allem Investitionen im Bereich der Mess- und Regeltechnik erforderlich sein, da eine genaue Erfassung des Stromverbrauchs bei allen relevanten Aggregaten, sowie online-Messungen des NH₄-N- und NO₃-N-Gehalt im Ablaufbereich der Belebungsbecken erforderlich sind.
• Für die Hebung der Lastverschiebungspotenziale ist die Entwicklung eines Reglers erforderlich, der sowohl den klärtechnischen Anforderungen gerecht wird, als auch eine Datenbereitstellung, wie sie von Seiten des Netzbetreibers erforderlich ist bzw. gewünscht wird, ermöglicht.
• Allgemein gültige Aussagen hinsichtlich eines gesamtösterreichischen Potenzials der Lastverschiebung bei Abwasserreinigungsanlagen sind nur sehr eingeschränkt möglich.

Downloads

• 843860-LoadshiftARA-Endbericht.pdf