Kläranlagen setzen Biogas für erneuerbare Energien ein

Stellen Sie sich eine Kläranlage vor, die nicht nur Abwasser reinigt, sondern auch ihre eigene Energie erzeugt – und sogar zum lokalen Stromversorger wird. Das mag nach Science-Fiction klingen, aber diese Vision wird rasch zur Realität.

Weltweit dominieren mechanische und biologische Verfahren die urbane Abwasserbehandlung. Während moderne Anlagen Schadstoffe effizient entfernen, produzieren sie ein oft übersehenes Nebenprodukt: Klärschlamm. Dieser unscheinbare Rückstand birgt jedoch ein immenses Energie- und Biomassepotenzial. Um seinen Wert zu erschließen, muss der Klärschlamm zunächst behandelt werden, um über 95 % seines Wassergehalts, Schadstoffe, Krankheitserreger und Gerüche zu entfernen.

Eine effektive Klärschlammbehandlung muss mehrere entscheidende Umwelt- und Betriebsanforderungen erfüllen:

• Kosteneffizienz: Ausgleich von Investitions- und Betriebskosten.
• Energieoptimierung: Minimierung des Verbrauchs bei gleichzeitiger Maximierung der selbsterzeugten Energie.
• Volumenreduzierung: Verringerung der Klärschlammmenge.
• Qualitätsverbesserung: Verbesserung des Klärschlamms zur Wiederverwendung.
• Umweltsicherheit: Sicherstellung, dass das behandelte Abwasser strenge Ableitungsstandards erfüllt.

Zwei primäre Ansätze dominieren die Klärschlammbehandlung:

• Aerobe Stabilisierung: Verwendet Sauerstoff in offenen Klärschlammbehältern, erfordert aber viel Platz und Energie für die Belüftung.
• Anaerobe Stabilisierung: Wird aufgrund geringerer Kosten, höherer Energieeffizienz und Umweltvorteile für mittelgroße bis große Anlagen bevorzugt. Sein Biogas-Nebenprodukt kann sogar Strom erzeugen. Einige Anlagen kombinieren beide Methoden für optimale Ergebnisse.

Mit steigendem Energiebedarf und verschärften Kohlenstoffvorschriften bietet die anaerobe Vergärung überzeugende Vorteile:

• Reduziert organische Stoffe um ~50 % und wandelt sie in brennbares Biogas um.
• Erzeugt erneuerbare Energie und reduziert gleichzeitig die Abhängigkeit von externer Energie.
• Senkt die Betriebskosten und den Flächenbedarf.
• Verbessert die Geruchskontrolle, die Hygiene und die Klimaauswirkungen durch einen besseren CO ₂ -Ausgleich.

Die Vorstabilisierung durch Klärschlammverdickung reduziert das Volumen, verbessert die Reaktorleistung und steigert die Biogasproduktion. Moderne Bioreaktoren – das Herzstück von Biogasanlagen – müssen luftdicht, isoliert und korrosionsbeständig sein und gleichzeitig eine einfache Beladung und Wartung ermöglichen.

Temperaturkontrolle und Verweilzeit sind entscheidend. Traditionelle Systeme verwenden Faulbehälter für eine ~20-tägige Fermentation, die Biogas (50-70 % Methan) für die Stromerzeugung erzeugt. Neue Hochtemperatursysteme (>53 °C) verkürzen die Verarbeitungszeit auf 15 Tage oder weniger. Wichtige Betriebsfaktoren sind:

• Klärschlammmischung über Rührwerke, Pumpen oder Gaseinleitung.
• Verhinderung von Klärschlammschichtung.
• Reaktorheizung, idealerweise unter Verwendung von Abwärme.

Nach der Stabilisierung kann der Klärschlamm auf 20-35 % Feststoffgehalt (oder 95 % durch Trocknung) entwässert werden, um ihn als landwirtschaftlichen Dünger oder Brennstoff zu verwenden. Zusätzliche Behandlungen wie thermische Trocknung (>80 °C) oder Kalkaufbereitung (pH ≥12) gewährleisten die Eliminierung von Krankheitserregern.

Mit ~6,5 kWh/m ³ thermischer Wirkungsgrad (über die Hälfte des Energiewerts von Erdgas) kann Biogas Kläranlagen antreiben oder über Folgendes in Netze einspeisen:

• Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (35-40 % Strom, 60 % Wärmerückgewinnung).
• Direkte Verwendung in Gasmotoren.
• Dampf- oder Heißwassererzeugung.

Große Anlagen können 100 % Energieautarkie erreichen. Die Biogasproduktion beruht auf dem mikrobiellen Abbau: Säurebildende Bakterien zersetzen organische Stoffe in einfachere Verbindungen, die Methanogene dann in Methan und CO ₂ umwandeln.

Während einige Anlagen Biogas unterauslasten, zeigen optimierte Systeme – wie die dampfbeheizten Faultürme in Moskau oder die thermische Hydrolysetechnologie in Norwegen – sein Potenzial. Zu den Innovationen gehören:

• Verbesserte Vergärung: Verdoppelung der Biogasausbeute durch Trennung von Hydrolyse- und Methanphasen.
• Thermische Hydrolyse: Verwendung von Hochdruckdampf zur Zersetzung von Klärschlamm, wodurch das Volumen um 50 % reduziert und die Methanausbeute verdreifacht wird.

Die Biogasproduktion bringt messbare Vorteile:

• Reduziert die Methanemissionen aus der offenen Abfalllagerung.
• Reduziert CO ₂ - und Stickstoffbelastung.
• Schützt Wasserressourcen und Wälder.
• Verringert den Einsatz von synthetischen Düngemitteln.

Trotz seines Versprechens steht Biogas vor Hürden:

• Die Verbrennung eliminiert die Treibhausgasemissionen nicht vollständig.
• Die ländlich geprägte Verfügbarkeit von Rohstoffen schränkt die urbane Skalierbarkeit ein.
• Hohe Anfangskosten für kleine Systeme können ökologisch riskante Energiepflanzen begünstigen.
• Biogaskontaminanten (z. B. Quecksilber, Bleiverbindungen) erfordern eine strengere Filtration, um die Luftqualitätsstandards zu erfüllen.

Mit dem Fortschritt der Technologie werden Biogassysteme jedoch eine wachsende Rolle im nachhaltigen Abfallmanagement und in der Erzeugung erneuerbarer Energien weltweit spielen.