Dr.-Ing. G. Seibert-Erling

1 Einleitung und Zielsetzung

Der Stellenwert der energetischen Optimierung von Kläranlagen wird in den Fachkreisen der Abwasserwirtschaft durchaus unterschiedlich bewertet. In der Vergangenheit wurde die Bedeutung oft heruntergespielt mit dem Hinweis, dass die Reinigung des Abwassers die vorrangige Aufgabe der Kläranlagen ist; der Energieverbrauch blieb stets nachrangig. Aus dem Blickwinkel der (steigenden) Energiekosten oder der Gesamtemissionen erscheint diese Betrachtung allerdings zunehmend einseitig. Ebenfalls wird diskutiert, dass die Kläranlagen zwar häufig der größte Einzelverbraucher einer Kommune sind, am Stromverbrauch der gesamten Volkswirtschaft aber nur ca. 1% ausmachen; lohnt sich da überhaupt eine Optimierung? Zuweilen wird auch vorgebracht, dass es eine Energieoptimierung schon immer gegeben habe; die ersten Veröffentlichungen dazu stammen aus den 70er Jahren. Wo also ist die Veranlassung für eine neuerliche Auflage des Themas?

Die „neue Welle“ der Energieoptimierung in Gestalt der energetischen Feinanalyse ist Ende der 90er Jahre von der Schweiz nach Deutschland gekommen und dehnt sich in den letzten Jahren ausgehend von Nordrhein-Westfalen (NRW) auf die anderen Bundesländer aus. Zwar gab es auch einige eigene Ansätze, u. a. in Baden-Württemberg und in Hessen. Letztlich hat sich aber die Marke „Feinanalyse“ am Markt durchgesetzt und etabliert. Zwischenzeitlich wurde sie auch in Österreich am Beispiel von 20 untersuchten Kläranlagen eingeführt.

Die Feinanalyse ist allerdings nicht das einzige Instrument zur energetischen Optimierung von Kläranlagen, sondern es werden auch andere Methoden erfolgreich eingesetzt, u. a. das Benchmarking, die Simulation und der Kennzahlenvergleich. Von den Protagonisten auf diesen Arbeitsfeldern werden die genannten Methoden oft im Wettbewerb untereinander dargestellt. Bei genauerer Betrachtung gibt es aber nur wenige Überschneidungen und viel mehr gegenseitige Ergänzungen. Die Auswahl der „passenden“ Methode sollte sich daher weniger am Leistungsumfang, sondern an der Zielsetzung eines Vorhabens orientieren. In Bezug auf die energetische Optimierung kann beispielsweise das kaufmännisch orientierte Benchmarking zwar Anhaltspunkte für die nähere Untersuchung einzelner Bereiche liefern; für die technische Analyse und die Optimierung verfügt die Feinanalyse jedoch über ein ungleich besseres Instrumentarium. Energie sparende Maßnahmen werden hier durch das Kosten-/Nutzen-Verhältnis bewertet. Für Maßnahmen mit einem Verhältnis kleiner als eins wird üblicherweise die Umsetzung empfohlen. Die Qualität der ingenieurtechnischen Untersuchungen entspricht dabei mindestens dem Standard einer technischen Vorplanung.

In NRW wurde vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) als Anreiz zur Durchführung von Feinanalysen die Erstellung des entsprechenden Gutachtens mit 70% der Kosten gefördert. Der Erfolg ist in Bezug auf die Anzahl der durchgeführten Feinanalysen nicht ausgeblieben. Jedoch verlief die Umsetzung der Maßnahmen trotz großer und auch wirtschaftlicher Potenziale bislang eher schleppend. Betrachtet man die zurückliegende zeitliche Entwicklung der Energiekosten, dann verwundert dies nicht, weil gerade zum Zeitpunkt der Einführung der Energieaktion und der Durchführung der meisten Feinanalysen der Strompreis besonders niedrig war. Bei den heutigen Strompreisen kann es vielen Betreibern nicht schnell genug gehen mit der Erneuerung von Gebläsen, Belüftern und Blockheizkraftwerken, obwohl eine Modernisierung in manchen Fällen als Maßnahme in der durchgeführten Feinanalyse vorgeschlagen war und schon einige Jahre früher hätte umgesetzt werden können.

Das kalte Grausen beschleicht uns gar beim Blick in die Zukunft. Die Preissteigerungen bei Gas, Öl und Strom erreichen Dimensionen, die bisher in keiner Kalkulation berücksichtigt sind. Die Energie- und Lebensmittelpreise treiben die Inflationsrate auf 2 – 3 % und bringen damit schon im kommenden Jahr die gesamte Volkswirtschaft an den Rand ihrer Belastbarkeit. Die Expertenmeinungen über die Folgen dieser Entwicklung gehen noch weit auseinander. Während der Chefvolkswirt der Deutschen Bank, Norbert Walter, noch vor kurzem behauptete, der Ölpreis werde Ende 2008 wieder auf unter 80 $ sinken, mahnt der Soziologe Gero Jenner eine unverzügliche radikale Energiewende an, um den Niedergang der gesamten Volkswirtschaft und deutliche Einschnitte im Lebensstandard zu verhindern.

Es ist unstrittig, dass allein mit der energetischen Optimierung der Kläranlagen das (energetische) Schicksal der deutschen Nation nicht wesentlich beeinflusst werden kann. Wer aber müsste als einzelne Personen oder Unternehmen überhaupt angefangen mit dem Sparen, wenn nicht einmal der größte Verbraucher einer Kommune sich dazu angehalten oder verpflichtet fühlt. Es stellt sich daher die Frage, ob die bisher vereinbarten Ziele einer Feinanalyse noch die richtigen sind. Soll weiterhin das auf die einzelne Maßnahme bezogene Kosten-/Nutzen-Verhältnis ausschlaggebend sein für die Umsetzung? Oder müssen in der heutigen Zeit nicht doch dringend die Maßnahmen umgesetzt werden, die die größten Einsparpotenziale bringen – auch wenn sie nicht immer für sich allein gesehen wirtschaftlich sind?

Bei der Erfolgskontrolle von durchgeführten Feinanalysen im Sinne des Titels dieses Beitrages geht es weniger um die statistische Auswertung der bisher durchgeführten Analysen oder gar um die Frage, wer denn die größte Einsparung erzielt oder den geringsten Verbrauch erreicht hat. Es geht zum jetzigen Zeitpunkt vor allem darum, mit Blick auf die energetische Gesamtsituation die Ziele der Feinanalysen zu überdenken und über die einzelne Kläranlage hinaus neu auszurichten, damit zwar nach wie vor die wirtschaftlichen Potenziale erschlossen und umgesetzt werden. Es muss jedoch verstärkt darauf geachtet werden, dass die gesamte Abwasserbranche in ihrer Außendarstellung nachweislich belegen kann, dass sie im Energiebereich aktiv ist und ihren Auftrag zum wirtschaftlichen und vor allem nachhaltigen Handeln wahrnimmt. Sollte sich jemals herausstellen, dass beim Umgang mit der Energie größere Defizite vorhanden sind oder erkannte Potenziale nicht aufgearbeitet werden, dann fordern die Bürger und Gebührenzahler die Umsetzung ein. Auf der politischen Ebene führt dies schnell zum Ruf nach dem Ordnungsrecht. Einer derartigen Beschneidung der Fachkompetenz sollte die Abwasserbranche durch aktiven und verantwortlichen Umgang mit der immer wertvoller werdenden Energie zuvorkommen.

2 Das Instrumentarium der Feinanalyse

2.1 Entwicklung der Instrumente
Die energetische Feinanalyse als Methode der systematischen Energieoptimierung von Kläranlagen wurde Anfang der 90er Jahre in der Schweiz entwickelt. In diesem Zuge entstand das erste Handbuch „Energie in Abwasserreinigungsanlagen“.
Beeindruckt von Veröffentlichungen und Vorträgen über die großen Potenziale durchgeführter Analysen beauftragte das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) des Landes Nordrhein-Westfahlen (früher: MURL = Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft) Mitte der 90er Jahre den schweizerischen Initiator Ernst A. Müller mit der Entwicklung eines Instrumentariums, mit dem die Energiesituation der kommunalen Kläranlagen landesweit überprüft und verbessert werden sollte. Wichtigstes Element war das auf der schweizerischen Vorlage aufbauende Handbuch Energie in Kläranlagen NRW, das von einer interdisziplinär zusammengesetzten Autorengruppe aus Abwasser- und Energiefachleuten erstellt und dabei von einer Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und Betreibern unter Leitung des Landesumweltamtes begleitet wurde. Es enthält als Nachschlagewerk die grundlegenden Zusammenhänge über den Energiehaushalt von Kläranlagen, gibt Hinweise auf mögliche Einsparungen und vermittelt die systematische Vorgehensweise zur Durchführung von Energieanalysen. Es wird ergänzt durch eine Broschüre mit bereits durchgeführten Muster­energie­analysen und ein EDV-Programm zur Durchführung der notwendigen Berechnungen und zur einheitlichen Darstellung der Ergebnisse. Es war vorgesehen, dass die Energieanalysen von auf diesem Fachgebiet tätigen Ingenieurbüros durchgeführt werden, wobei die entsprechende Zusatzqualifikation durch Schulungen oder gleichwertige Nachweise belegt sein sollte.

Als Anreiz für die Durchführung einer Energieanalyse wurde vom MUNLV die Erstellung eines entsprechenden Gutachtens im Rahmen der „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft“ mit bis zu 70 % der Kosten des Gutachtens gefördert. Dies hat dazu geführt, dass in den Jahren 1999 – 2005 eine fast flächendeckende Verbreitung erzielt wurde; über die großen ermittelten Potenziale wurde bereits mehrfach berichtet. Zu beklagen bleibt allerdings, dass die Umsetzung der Maßnahmen selbst bei hoher gegebener Rentabilität nur schleppend verläuft. Das erklärt sich möglicherweise durch die zeitgleich mit dem Förderprogramm einhergegangenen Strompreissenkungen etwa um 2001. Durch die danach einsetzende Preisspirale der Stromkosten, deren Ende heute kaum noch absehbar ist, landen viele zunächst in der Schublade verschwundene Analysen jetzt wieder auf den Schreibtischen.

Der Bedarf an einer Fortsetzung der insgesamt erfolgreichen Aktion wird auch dadurch bestätigt, dass vom Umweltministerium das ursprüngliche Förderprogramm in modifizierter Fassung neu aufgelegt wurde. Der Fördersatz liegt weiterhin bei 70 % der Kosten des Gutachtens. Der Umfang der Analysen wurde über die Kläranlagen hinaus auf sämtliche Abwasseranlagen einschließlich Kanalnetz und Pumpwerke ausgedehnt. Als durchaus sinnvolle Bedingung für die Förderung wird allerdings gefordert, dass die Umsetzung der sog. Sofortmaßnahmen nachzuweisen ist.

2.2 Vorgehensweise und Leistungsumfang einer Energieanalyse
Nach dem Handbuch gliedert sich die Vorgehensweise bei der Energieanalyse einer Kläranlage in 4 Schritte (Bild 1):

Bild 1: Vorgehensweise bei der Durchführung einer Energieanalyse nach dem Handbuch Energie auf Kläranlagen

•	Mit der Grobanalyse wird die Kläranlage zunächst anhand weniger und einfach zu ermittelnder Betriebswerte energetisch eingeordnet.
•	Bei der Feinanalyse werden die Verbrauchswerte nach Teilanlagen differenziert und mit theoretischen berechneten Werten gemäß Handbuch verglichen. Soweit sich dabei Abweichungen nach oben ergeben, muss untersucht werden, mit welchen technischen oder organisatorischen Maßnahmen eine Verbrauchssenkung möglich ist. Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit werden die dafür erforderlichen Aufwendungen dem resultierenden Nutzen gegenübergestellt.
•	Die Umsetzung erfolgt nur dann, wenn die einzelnen Maßnahmen oder Maßnahmenpakete wirtschaftlich sind und sich für den Betreiber rechnen.
•	Mit der Erfolgskontrolle wird die Einsparung nachgewiesen; ggf. werden korrigierende Maßnahmen veranlasst, um ein optimales Ergebnis zu erhalten.

Der Leistungsumfang für die Grob- und Feinanalyse ist in Form eines Pflichtenheftes im Handbuch detailliert festgelegt. Dadurch wird die für eine Gesamtbewertung der Aktion notwendige Einheitlichkeit gewährleistet.

2.3 Vergleichbare Aktivitäten in Deutschland und den Nachbarländern
Für das Land Baden-Württemberg hat die Universität Stuttgart aufgrund von Umfragen die energetische Situation auf den Kläranlagen des Landes beleuchtet. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden nach Verfahrensstufen katalogisiert und als Leitfaden für das Betriebspersonal herausgegeben.

Die Abwassertechnische Vereinigung (ATV) hat zum Thema die Broschüre Energiebilanzierung auf Kläranlagen herausgegeben, die sich allerdings auf die Problematik des Energieverbrauchs für die Belüftung auf der Basis der CSB-Bilanz beschränkt.

Nach dem Schema des Handbuchs Energie in Kläranlagen NRW wurden seit etwa 2002 auch vermehrt außerhalb von NRW Energieanalysen durchgeführt. Da bei diesen Projekten in der Regel keine finanzielle Förderung erfolgte, war hier erstaunlicherweise oft sogar eine noch höhere Motivation für die Durchführung der Analysen und die nachfolgende Umsetzung der Maßnahmen vorhanden. Untersucht wurden u. a. die Kläranlagen Ahrensburg, Bremen-Seehausen und Nürnberg.

Im Herbst 2007 hat das Land Rheinland-Pfalz die Durchführung von Energieanalysen offiziell als Instrument zur Effizienzsteigerung eingeführt mit der Option auf Förderung ausgewählter Maßnahmen.

In Österreich wurde eine flächendeckende zeitgleiche Untersuchung an rd. 20 Kläranlagen vorgenommen. Die Ergebnisse sind in einem gemeinsamen Abschlussbericht zusammengefasst. Dieser ist allerdings bisher nicht veröffentlicht, liegt dem Verfasser aber vor.

In der Schweiz wurde die Methodik aufgrund der erfolgreichen Ergebnisse im Abwasserbereich zwischenzeitlich auch für die Wasserversorgung eingeführt. Hierzu existiert seit 2005 ein Handbuch, und es liegen die Ergebnisse der ersten Musteranalysen vor. Mit der Erkenntnis, dass das Instrumentarium der Energieanalysen universell anwendbar ist, wurden die kommunalen Anlagen zu einem neuen Bereich „Infrastrukturanlagen“ zusammengefasst. Ausführliche und aktuelle Informationen dazu sind über die entsprechende Homepage einzusehen (http://www.infrastrukturanlagen.ch).

Energieanalysen haben auch Eingang in den industriellen Bereich gefunden, hier zunächst für die Werkskläranlagen. Untersuchungen wurden u. a. durchgeführt für die Gemeinschaftskläranlage Wupperverband/BAYER-Werk in Leverkusen sowie für die Infraserv am Standort Wiesbaden. Weiterhin wurden in modifizierter Form branchenspezifische Untersuchungen für Brauereien, Molkereien, Bäckereien, Hotels und Flughäfen durchgeführt.

Kurzum gibt es kaum noch Bereiche, verfahrenstechnische Anlagen oder Produktionsstätten, für die nicht in irgendeiner Form Energieanalysen durchgeführt wurden, aus denen Vergleichs- oder Referenzwerte für weitere Untersuchungen herangezogen werden können. Diese Entwicklung ist insgesamt erfreulich. Dass dabei die Feinanalyse häufig Pate gestanden hat, bestätigt die universelle Anwendbarkeit dieser Methode.

3 Erfolgskontrolle durchgeführter FeinAnalysen

Die Erfolgskontrolle durchgeführter Feinanalysen bezieht sich im Sinne des Handbuchs Energie auf den Nachweis der Einsparungen und die Veranlassung korrigierender Maßnahmen, um ein optimiertes Ergebnis zu erhalten. Einige Beispiele durchgeführter Feinanalysen werden nachfolgend vorgestellt.

Unabhängig von den auf einzelnen Kläranlagen erzielten Ergebnissen ist es aufgrund der gewonnen Erfahrungen an der Zeit, das Instrument der Feinanalyse selbst auf den Prüfstand zu stellen. Hat sich die Methode bewährt? Wird sie von den Betreibern akzeptiert? Müssen Einzelschritte der Berechnungsverfahren angepasst werden?

Aus einer übergeordneten Sicht ist schließlich zu fragen, ob angesichts der sich abzeichnenden neuen Dimension der nationalen und internationalen Energieprobleme die Ziele und die darauf abgestimmten Bewertungskriterien der Feinanalyse noch zeitgemäß sind oder ob hier neue Maßstäbe angelegt werden müssen.

3.1 Beispiele aus der Praxis
Nachfolgend werden die Ergebnisse von zwei durchgeführten Feinanalysen vorgestellt. Dabei wird auf die Ergebnisse im Überblick und auf ausgewählte Maßnahmen eingegangen.

Für die Kläranlage Köln-Weiden wurde 1999/2000 eine der ersten Feinanalysen im Rahmen des Förderprogramms durchgeführt. Als Ergebnis der energetischen Bewertung lagen die Verbrauchswerte der Anlage deutlich über dem Richtwert. Dies war in erster Linie auf die geringe Auslastung von 55.000 EW gegenüber der Ausbaugröße von 80.000 EW zurückzuführen. Auffällig niedrig war der Grad der Faulgasumwandlung in Elektrizität, weil nicht das gesamte Klärgas mit dem BHKW genutzt, sondern teilweise im Kessel verfeuert wurde. Insgesamt wurden 13 Maßnahmen zur energetischen Optimierung definiert. Davon wurden bis heute 2 Maßnahmen hinfällig, 8 Maßnahmen wurden realisiert. Die verbliebenen 3 Maßnahmen sind im Fokus und werden in den nächsten 1-2 Jahren umgesetzt.

Bild 2: Energienachweis der Kläranlage Köln-Weiden im Jahr 2000

Bild 3: Energiebilanz der Kläranlage Köln-Weiden von 2003 bis heute

Der Energieverbrauch lag im Referenzjahr 1999 bei 2.278 MWh; das entspricht einem monatlichen Verbrauch von 189.800 kWh. In den bei der Kläranlage nachgefragten Monatswerten (Bild 3) zeigt sich, dass in den ersten Jahren der Verbrauch um etwa 10 % gesenkt werden konnte. Seit 2003 ist der Verbrauch allerdings im Mittel ständig angestiegen. Vermutlich ist dieser Trend auf den zunehmenden Verschleiß der Belüfterelemente und der Gebläse zurückzuführen, weil sonst auf der Anlage keine energetisch relevanten Änderungen vorgenommen worden sind. Eine deutliche Einsparung wurde mit der Inbetriebnahme des neuen Prozessleitsystem 2005/2006 erreicht. Mit den alten Automatisierungsgeräten war der Realisierung einer anspruchsvollen Belüftungsregelung Grenzen gesetzt. Mit dem neuen Leitsystem wurde dann eine Gleitdruckregelung in Betrieb genommen. Diese wurde seit der Inbetriebnahme ständig verbessert. Hier hat sich die neue Leittechnik auch deshalb bewährt, weil das Betriebspersonal heute in der Lage ist, selbst Änderungen an den Automatisierungsprogrammen vorzunehmen. Die aus der verbesserten Regelung resultierende Energieeinsparung liegt im Bereich von 15 %. Im vorläufigen Endergebnis schwenkt die Verbrauchskurve im Jahr 2007 auf die in der Feinanalyse prognostizierte „Zielgerade“ von etwa 132.000 kWh/Monat ein (Bild 4).

Von den noch offenen Maßnahmen verspricht vor allem die Sanierung der Belüftungstechnik (Belüfter, Gebläse) noch eine deutliche Reduzierung. Wenn die oben geäußerte Vermutung zutrifft, dass für den stetigen Anstieg des Verbrauchs allein die Belüfter ursächlich sind, dann ergibt sich im vorgesehenen Sanierungsjahr 2009 ein summiertes Einsparpotenzial von rd. 500.000 kWh/a.

Bild 4: Energienachweis für die Kläranlage Köln-Weiden nach Umsetzung aller Maßnahmen

Ausgehend vom Referenzjahr 1999 mit einem Verbrauch von 2.278 MWh hat sich der Verbrauch bis heute um knapp 500.000 kWh auf 1.800 MWh reduziert. Wenn weitere 500.000 kWh eingespart werden könnten, dann sinkt der Verbrauch auf 1.300 MWh. Vorausgesetzt, die ursprüngliche Belastungssituation hat sich nicht verändert, dann würde sich der spezifische Verbrauch bei 23 kWh/E*a einpendeln. Das entspricht dem seinerzeit ermittelten anlagenspezifischen Idealwert.

Als weitere Baumaßnahme steht die Erneuerung der mittlerweile 12 Jahre alten BHKW-Anlage an. Mit der neuen Anlage wird sich die Eigenstromerzeugung nach den jetzt vorliegenden Daten von etwa 500 – 600.000 kWh/a auf rd. 1 Mio. kWh/ a erhöhen. Damit würde der elektrische Eigenversorgungsgrad einen Wert von etwa 75 % erreichen. Dieser Wert übertrifft sogar den seinerzeit angesetzten Idealwert. Das ist aber in erster Linie der technischen Weiterentwicklung der BHKW-Anlagentechnik geschuldet. Der elektrische Wirkungsgrad lag seinerzeit bei etwa 30%. Heute übliche Werte liegen in dieser Leistungsklasse liegen bei etwa 35 bis knapp 40%.

Ein weiteres Beispiel ist die Kläranlage Ahrensburg nördlich von Hamburg. Dort wurde 2003 zunächst eine Grobanalyse durchgeführt und nach Feststellung eines nicht unbeträchtlichen Einsparpotenzials unmittelbar im Anschluss daran eine Feinanalyse. Bemerkenswert ist hier, dass es sich um eine der ersten durchgeführten Feinanalysen ohne finanzielle Förderung handelte. Unter dieser Voraussetzung war auf der Betreiberseite die Erwartungshaltung entsprechend hoch.

Eine weitere Herausforderung war die komplexe Verfahrenstechnik dieser Anlage. Beim Ausbau bzw. der Erweiterung zur Stickstoff- und Phosphorelimination war angestrebt worden, möglichst alle Bauwerke des Bestandes weiter zu nutzen. Die daraus entstandene Topographie mit einer teilweise sehr ungünstigen hydraulischen Situation und dem resultierenden Energieaufwand wurde bei der Auslegung kaum berücksichtigt.

Eine Abbildung der Verfahrenstechnik auf die dem Handbuch zugrunde gelegte Modellanlage war nicht möglich. Trotzdem ist es gelungen, durch Zerlegung der Kläranlage in vergleichbare Teilanlagen und durch eigene Berechnungen oder Recherchen vorgenommene Ergänzungen der fehlenden Verfahrensstufen eine Bewertung vorzunehmen. Im Ist-Zustand ergab sich ein spezifischer Verbrauch von 83 kWh/E*a. Der anlagenspezifische Richtwert lag unter Berücksichtigung der ungünstigen und als nicht veränderbar bewerteten baulichen Voraussetzungen bei 40 kWh/E*a, der Idealwert bei 33 kWh/E*a. Mit den aus insgesamt 20 vorgeschlagenen Maßnahmen resultierten Energieeinsparungen ergab sich eine potenzielle Verringerung des Verbrauchs auf einen spezifischen Wert von 56 kWh/E*a. Damit wird der Richtwert zwar deutlich verfehlt; die Einsparung liegt dennoch bei über 30% bezogen auf den Ausgangswert. Bei einem Verbrauch von 2,9 Mio. kWh/a ist das immerhin eine absolute Einsparung von fast 1 Mio. kWh/a.

Über die Ergebnisse dieser Analyse und die Umsetzung der Maßnahmen wird in einem weiteren Beitrag zu diesem Seminar berichtet. Daher bleibt an dieser Stelle lediglich noch zu erwähnen, dass vermutlich wegen der besonderen Voraussetzungen (keine Förderung, hohe Motivation auf Seiten des Betriebspersonals) noch während der Erstellung des Gutachtens mit der Umsetzung der Maßnahmen begonnen wurde. Bereits im ersten Jahr konnte der Verbrauch um ca. 10% gesenkt werden.

Als kleines Highlight ist die Maßnahme „Belüftung Klarwasserbecken“ in Erinnerung geblieben. Hier wurden zwei sog. Frings-Belüfter (Leistungsaufnahme ca. 9 kW), die nach dem Injektorprinzip arbeiten außer Betrieb genommen und stattdessen an einem verfahrenstechnisch besser geeigneten Einsatzort zwei Fischteichbelüfter (Leistung kleiner 1 kW), die nach dem Wasserstrahlprinzip arbeiten, eingesetzt (Bild 5). Den sich aus den Investitionskosten ergebenden Jahreskosten von 400 EUR standen ersparte Energiekosten in Höhe von 1.400 EUR gegenüber. Die jährliche Energieeinspa­rung lag bei 21.900 kWh.

Bild 5: Einsatz eines Fischteichbelüfters zur Sauerstoffanreicherung

3.2 Bewährungsprobe für die Feinanalyse
Die beschriebenen Beispiele sind durchaus repräsentativ für die Vielzahl der in den letzten Jahren durchgeführten Feinanalysen. Die Frage, ob sich die Feinanalyse als Instrument zur Energieoptimierung von Kläranlagen bewährt hat, ist daher zunächst mit einem Ja zu beantworten. Die Feinanalyse ist darauf abgestellt, die energetische Situation einer Kläranlage oder eines Objektes schnell auf den Punkt zu bringen. Sie hat in der Regel die Qualität einer Vorplanung und stellt insofern einerseits keinen zu hohen Anspruch an die Genauigkeit der Eingangsdaten; die erzielte Genauigkeit reicht andererseits aus, um die Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen zu beurteilen. Die Einteilung in Sofortmaßnahmen, kurzfristige Maßnahmen und abhängige Maßnahmen signalisiert dem Betreiber zudem die Prioritäten für die Umsetzung. Für besonders hervorgehobene Maßnahmen bleibt es dem Bearbeiter des Gutachtens und dem Betreiber überlassen, in Einzelfällen höhere Anforderungen an die Genauigkeit und den Umfang der Untersuchungen zu vereinbaren.

In ihrem Wesen zielt die Feinanalyse darauf ab, die energetische Situation als Ganzes zu verbessern. Das wird dadurch unterstrichen, dass die Maßnahmen nach den oben genannten Prioritäten eingeteilt und zu Paketen zusammengefasst werden. Bei der Umsetzung der Pakete darf dann durchaus eine einzelne Maßnahme unwirtschaftlich sein. Entscheidend ist die Wirtschaftlichkeit des Paketes. Es hat sich gezeigt, dass gerade dieser Gedanke bei den Betreibern schlecht ankommt. In deutscher Gründlichkeit wird meist jede Maßnahme einzeln auf den Kopf gestellt und die Wirtschaftlichkeit intensiv hinterfragt, meistens sogar mit konservativ angesetzten Energiekosten. Dieser Überprüfung haben in der Vergangenheit viele Maßnahmen nicht standgehalten.

Ein erkannter Schwachpunkt der Feinanalyse ist die starre Definition des Energiepreises. Der spezifische Preis für Strom und Wärme fließt als mittlerer Preis in das gesamte Rechenwerk ein und kann in der bestehenden Systematik kaum geändert werden. Es bereitet daher Schwierigkeiten, die immer komplexere Zusammensetzung der Energiepreise angemessen zu berücksichtigen. Vor allem aber kann die Auswirkungen von Preissteigerungen nicht dargestellt und im übertragenen Sinne des Wortes zum „Ausdruck“ gebracht werden.

Inzwischen hat sich außerdem auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass sich auch durch die Verbesserung der Wärmeversorgung ein wesentliches Potenzial an Energie- und besonders auch CO2-Einsparung erschließen lässt. Der Bereich der Wärmeenergie ist zwar in den Feinanalysen berücksichtigt; bisher beschränkt sich die Optimierung aber meist auf die Minimierung der Fremdenergie den Wärmebedarf. Alternative Wärmeversorgungskonzepte werden selten vorgeschlagen, obwohl hier fast durchgängig eine nicht unerhebliche Energieverschwendung festzustellen ist, entweder in Form eines Wärmeüberschusses oder aber durch die Umsetzung veralteter Wärmekonzepte. In diesem Sinne ist auch das gerade verabschiedete Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWärmeG) zu sehen, dass für Neubauten den Einsatz erneuerbarer Energien zur Wärmeversorgung vorschreibt.

Aufgrund der Vielzahl durchgeführter Feinanalysen und den dabei gesammelten Erfahrungen wäre es durchaus angebracht, in nicht allzu ferner Zeit sämtliche Anregungen aufzunehmen, zu strukturieren und die Feinanalyse auf dieser Grundlage zu modernisieren. Hier ist zunächst das MUNLV (NRW) als Urheber der Energieaktion und Herausgeber des Handbuches gefragt. Zudem müsste kurzfristig geklärt werden, ob bei dem laufenden Förderprogramm für die Feinanalysen eine strenge Umsetzung nach der bisherigen Methode verlangt wird oder ob Abweichungen in dem oben beschriebenen Sinne zulässig sind.

Soweit beim MUNLV kein Interesse an einer Weiterentwicklung besteht, bietet sich ein regelmäßiger Erfahrungsaustausch an mit dem Ziel einer Weiterentwicklung der Werkzeuge und Instrumente. Dies dürfte nicht besonders schwer fallen, weil eine Berücksichtigung der o. g. Aspekte, wie die Auswirkung von Preissteigerungen oder die Wirtschaftlichkeitsberechnung, ohnehin zum Leistungsumfang gehören sollte. Die Art und Weise der Berechnungen sollte jedoch möglichst für alle damit befassten Fachleute vereinheitlicht werden, um die Ergebnisse vergleichbar zu halten.

3.3 Sind die ursprünglichen Ziele noch die richtigen?
Gemeinhin gilt als das Ziel einer Feinanalyse die Senkung des Energieverbrauchs, um die vorgegebenen Richt- und Idealwerte zu erreichen. Diese Werte wurden 1999 im Zuge der Erstellung des Handbuchs Energie auf Kläranlagen zwischen den an der Erstellung beteiligten Mitarbeitern von Betreibern, von Verbänden, aus Ingenieurbüros und von der wissenschaftlichen Seite auf der Grundlage des seinerzeit gültigen Standes von Technik und Wissenschaft und unter angemessener Berücksichtigung praktischer Erfahrungen festgelegt.

Der allgemeine technische Fortschritt verlangt nach fast 10 Jahren eine Fortschreibung. Für die Verbrauchswerte ist aufgrund einer im Auftrag des Umweltbundesamtes erstellten Studie eine intensive Diskussion aufgekommen, auf deren Inhalt und Notwendigkeit weiter unten noch eingegangen wird.

Unstrittig dürfte hingegen die Anpassung der technisch belegbaren Werte, z. B. für die Umsetzung von Klärgas in elektrische Energie, sein. Mit den vor 10 Jahren üblicherweise eingesetzten BHKW-Anlagen war ein elektrischer Wirkungsgrad von ca. 30% erreichbar. Heutige Anlagen liegen im Bereich von 35 bis deutlich über 40%. Die in Einzelfällen bereits auf Kläranlagen eingesetzten Brennstoffzellen erreichen sogar einen Wirkungsgrad von 45% und höher. Wegen dieser Steigerung sind folglich auch die Werte für den davon direkt abhängigen elektrischen Eigenversorgungsgrad entsprechend anzuheben.

Die bisherigen Zielsetzungen einer Feinanalyse müssen aber auch vor dem Hintergrund gravierender Energiepreissteigerungen, einer drohenden Lebensmittelknappheit durch die Nutzung von Nahrungsmitteln als Rohstoff zur Energieproduktion und der sich immer stärker abzeichnenden Ressourcenbeschränkung hinterfragt werden. Mit der Durchführung einer Feinanalyse soll, wie bereits oben ausführlich beschrieben, die energetische Situation im Sinne einer Verbrauchsminderung zu wirtschaftlichen Konditionen verbessert werden. Die Wirtschaftlichkeit der Maßnahme steht dabei in der Regel über dem Ziel der Verbrauchsminderung. Maßnahmen mit einem Kosten-/Nutzen-Verhältnis von 1 oder höher sind bisher nur selten oder gar nicht umgesetzt worden.

Die Wirtschaftlichkeit ist jedoch in einer Zeit struktureller Änderungen im Energiebereich nicht besonders als Entscheidungsgrundlage geeignet, weil die ihr zu Grunde liegenden Energiepreise kaum noch zuverlässig prognostiziert werden können und zudem von immer schwieriger zu treffenden politischen Entscheidungen abhängen. Der Streit um die Vergütungssätze für Strom aus erneuerbaren Energien spiegelt die Situation treffend wieder. Das Ergebnis der begonnenen politischen Diskussion um die Steuersätze für Strom, Gas und Kraftstoff vermag niemand mehr zu prognostizieren.

Bezogen auf die in einer Feinanalyse ermittelte Wirtschaftlichkeit einer Energiemaßnahme bedeutet dies, mit einer Umsetzung (noch) unwirtschaftlicher Maßnahmen solange zu warten, bis der Strom endlich teuer genug ist. Der Strom wird aber vor allem deshalb teuer, weil die (weltweite) Nachfrage ständig steigt. Unter diesen Voraussetzungen führt die unbedingte Forderung nach der Wirtschaftlichkeit unweigerlich in den Teufelskreis weiterer Preissteigerungen.

Folglich müssten die Ziele einer Feinanalyse viel stärker darauf ausgerichtet werden, den Verbrauch zu senken. Neben der Realisierung wirtschaftlicher Maßnahmen müssen diejenigen Maßnahmen mit hohem Energieeinsparpotenzial fokussiert werden. Für diese Maßnahmen muss die Wirtschaftlichkeit sorgfältig unter Berücksichtigung der übergeordneten ökologischen und ökonomischen Rahmenbedingungen untersucht werden.

Besondere Aufmerksamkeit verdient zukünftig die Wärme. Zur Betrachtung der Wärme gehört vor allem die Kühlung. Hier wird bisher als mehr oder weniger selbstverständlich angesehen, dass diese elektrisch erzeugt wird. Wegen der Klimaveränderung ist von einem ansteigenden Kühlungsbedarf für Gebäude, Maschinen, Elektroräume, etc. auszugehen. Deshalb müssen neue Konzepte entwickelt werden. Geradezu prädestiniert sind Systeme auf der Basis der solaren Kühlung, die den Kältebedarf aus der Sonneneinstrahlung gewinnen.

Ein ebenfalls großes Potenzial steckt in der bisher kaum genutzten Abwasserwärme. Die technischen Konzepte für die Nutzung sind zwischenzeitlich ausgereift. Erste Pilotprojekte wurden umgesetzt. Das DWA-Merkblatt M114 Energie aus Abwasser wird in Kürze als Gelbdruck erscheinen. Eine Abschätzung des Potenzials wurde in NRW vom MUNLV ausdrücklich in den Untersuchungsumfang der Feinanalysen bzw. des Förderprogramms aufgenommen.

Eine möglichst wirtschaftliche Umsetzung der Energiemaßnahmen sollte eine Herausforderung für jeden auf diesem Gebiet tätigen Ingenieur sein. Von Seiten der Betreiber kann diese Zielsetzung durch die Einforderung kreativer Lösungen entsprechender Nachdruck verliehen werden.

4 Nachhaltigkeit als Oberziel

Die Diskussion um den richtigen Weg zum Umgang mit dem Thema Energie wird die Abwasserbranche in den nächsten Jahren beschäftigen. Die Feinanalyse wird dabei als Instrument zur Analyse und Optimierung eine wichtige Rolle spielen. Während über die inhaltlichen Aspekte weitgehend Einigkeit herrscht, driften die Ansprüche an die Zielsetzung seit kurzer Zeit immer mehr auseinander:

Der Auslöser für die jüngste Diskussion ist eine vom Umweltbundesamt beauftragte Studie zur Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen. Die Ergebnisse wurden zuerst am 29.1.2007 im Rahmen eines Fachgespräches bei BMU/UBA vorgestellt; die entsprechenden Unterlagen wurden vom UBA veröffentlicht. Seitdem werden die Ergebnisse in regelmäßigen Abständen auch auf Tagungen und in Seminaren präsentiert. Die in dieser Studie ermittelten Werte unterscheiden sich von denen im Handbuch Energie auf Kläranlagen in der Definition (Ziel- und Toleranzwerte anstelle Ideal- und Richtwerte) und nach Auffassung der Betreiber vor allem in der Schärfe der Festlegung. Dies wäre nicht weiter von Belang, wenn nicht dahinter das Vorhaben stände, diese Werte zukünftig in der Abwasserverordnung per Gesetz verbindlich vorzuschreiben oder sogar mit der Abwasserabgabe zu verbinden. Hier gehen die Meinungen nicht nur auseinander, sondern sie verhalten sich wie die 2 Seiten einer Medaille:

Im Grunde müssten alle Beteiligten angesichts der weiterhin mit ungebremster Drehzahl rotierenden energetischen Preisspirale zu der Einsicht gelangen, dass die aufgekommene Diskussion zwischenzeitlich so wichtig ist wie der Streit um des Kaisers Bart. In ähnlicher Weise hat sich die vor einem Jahr sicherlich noch berechtigte Forderung nach höheren Vergütungssätzen für Strom aus Klärgas in Wohlgefallen aufgelöst. Wenn die Energiepreise weiter in dem zuletzt vorgegebenen Tempo steigen, dann wird binnen kurzer Frist auch dem letzten Kläranlagenbetreiber ein Licht aufgehen – auch ohne staatlichen Hinweis.

Viel wichtiger erscheint es, den Betreibern in der nicht ganz einfachen Situation einerseits eine Hilfestellung bei der Bewältigung der akuten Probleme zu geben und darüber hinaus eine langfristige Perspektive aufzuzeigen. Die kurzfristigen Aufgaben (nächste 5 Jahre) betreffen vor allem die Sanierung der vorhandenen Maschinen- und Anlagentechnik mit dem Ziel einer deutlichen energetischen Effizienzsteigerung. Die Umsetzung dieser Potenziale scheitert, wie bereits oben dargestellt, immer noch zu häufig an dem Nachweis der Wirtschaftlichkeit. Die eher konservative Haltung in der Branche führt dazu, dass an alten und nachweislich energetisch uneffizienten Aggregaten sehr lange, oft bis zur Überfälligkeit, festgehalten wird. Als Begründung hierfür werden oftmals die Abschreibungszeiten der entsprechenden Anlagen- und Maschinenteile angeführt. Hier ist generell zu einer möglichst kurzen Abschreibungsdauer zu raten, um energieeffiziente Technologien auch zeitnah umsetzen zu können. Dies betrifft zudem in auffälliger Weise gerade die Maschinen, die für den Großteil des Energieverbrauchs verantwortlich sind wie Verdichter und Pumpen sowie die für eine effiziente Nutzung des Klärgases verantwortlichen BHKWs. Die Notwendigkeit einer Ersatzbeschaffung und Modernisierung kann durch eine Feinanalyse festgestellt werden. Wenn allein auf der wirtschaftlichen Grundlage über die Umsetzung entschieden wird, dann müssen zumindest die zu erwartenden Energiepreissteigerungen in angemessener Weise berücksichtigt werden. Wer aber vermag derzeit die zu erwartenden Steigerungen zu prognostizieren?

Vielleicht ist es bei schwierigen Entscheidungen hilfreich, eine Vergleichsberechnung auf der Grundlage der Vergütungssätze für die unterschiedlichen Erneuerbaren Energien zu erstellen. Vereinfacht wird dabei gegenübergestellt, ob es sinnvoller ist, unnötigen Verbrauch direkt durch eine Modernisierung zu vermeiden oder den weiterhin hohen Verbrauch durch zusätzliche Erzeugung zu befriedigen. Zwar lässt sich über die Sinnhaftigkeit dieses Vergleichs trefflich streiten. Immerhin dürfte eine solche Berechnung zu der Erkenntnis führen, dass der Modernisierung einer BHKW-Anlage sowohl in Bezug auf die Energiemenge als auch unter Kostengesichtspunkten eine höhere Priorität einzuräumen ist als der Errichtung einer Fotovoltaikanlage auf dem Betriebsgebäude. Es stellt sich heute drängender denn je die Frage, ob nicht alles daran gesetzt werden muss, den Verbrauch durch Effizienzsteigerung zu reduzieren anstatt den Verbrauch teuer zu substituieren. Auf welche Irrwege diese Pfade führen, haben uns in den vergangenen Monaten die negativen Auswirkungen im Bereich der Biokraftstoffherstellung vor Augen geführt.

Gerade im Energiebereich führen mittel- oder langfristig nur nachhaltige Lösungen weiter. Eine nachhaltige Energieversorgung basiert auf der Vermeidung unnötigen Verbrauchs, einer möglichst effizienten Nutzung der verfügbaren Energien und einer Schonung der vorhandenen Ressourcen.

In den heute üblichen Wirtschaftlichkeitsberechnungen bleiben diese Aspekte größtenteils unberücksichtigt. Es ist zugegebener Weise auch nicht einfach, Vergleiche herzustellen, die dem konservativen Anspruch einer technischen und rechnerischen Prüfung standhalten. Die nachfolgenden Beispiele können insofern nur Denkanstöße sein, die allerdings durchaus geeignet sind, die aufgekommene Brisanz der aktuellen Entwicklungen im Energiebereich zu verstehen:

Bild 6: Vergleichende Betrachtung zum nachhaltigen Umgang mit Energie

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die energetische Situation auf den Kläranlagen lässt sich mit dem Instrumentarium der Energieanalysen wirksam beurteilen und technisch-wirtschaftlich optimieren. In den vor uns liegenden Zeiten mit deutlich veränderten energiepolitischen Rahmenbedingungen und dem nicht mehr bestreitbaren Klimawandel werden sich einschneidende Veränderungen ergeben.

Die bisherigen Ziele einer Feinanalyse müssen dementsprechend angepasst werden. Das betrifft Einzelheiten der Berechnungsverfahren; vor allem aber muss die Analyse darauf ausgerichtet werden, neben der Umsetzung wirtschaftlicher Maßnahmen durch kreative und innovative Lösungen die fraglos existierenden großen Potenziale zur Verbrauchsreduzierung, bezogen auf Strom und Wärme, zu erschließen.

In dem von Prof. Melsa verfassten Vorwort zur (aktuellen) Ausgabe Juni/2008 der Korrespondenz Abwasser findet sich folgende als persönliche Note gekennzeichnete Bewertung der energetischen Gesamtsituation: „Trotz großer Anstrengungen sind durchschlagende Erfolge nicht gewährleistet, da über nationale Möglichkeiten hinaus globale Entwicklungen, gepaart mit teilweise schnell schwindenden Ressourcen, Rahmenbedingungen diktieren werden, die uns heute kaum vorstellbar sind.“

Explodierende Energiepreise, hohe Inflationsraten und damit eine drohende Rezession und eine empfindliche Störung der Gleichgewichte in der Weltwirtschaft beherrschen dieser Tage die Schlagzeilen. Die vom Chefvolkswirt der Deutschen Bank, Norbert Walter, prognostizierte Senkung des Ölpreises auf einen Wert unter 80 $ pro Barrel gegen Ende des Jahres rückt in weite Ferne. Die einzige zuverlässige Prognose in Bezug auf den Klimawandel und die energetische Situation scheint die eines Klimaforschers zu sein, der festgestellt hat, dass alle negativen Prognosen der letzten Jahre, sowohl was die Erwärmung der Erde, die Energiepreise und die daraus resultierenden Folgen betrifft, in ihren Auswirkungen immer unterschätzt worden sind.

Auch wenn die Durchführung von Feinanalysen auf Kläranlagen diese Entwicklung kaum aufhalten kann, so leisten die Untersuchungen vielleicht einen umso wichtigerenBeitrag, indem sie – den weiteren Ausführungen von Prof. Melsa folgend – durch ein größeres Energiebewusstsein das Denken und Handeln der Menschen dahin gehend beeinflussen, sich den zu erwartenden negativen Auswirkungen durch vorsorgliches Handeln entgegenzustellen.

Der ingenieurtechnische Sachverstand sollte sich stärker auf die Schaffung nachhaltiger Lösungen konzentrieren und weniger auf die kurzfristige Wirtschaftlichkeit. Im übertragenen Sinne erfordert dies einen radikalen „Klimawandel“ im Geschäftsleben. Wenn der Mensch nachweislich imstande ist, innerhalb kurzer Zeit das Klima auf der gesamten Erde zu verändern, dass sollte ein lokaler „Klimawandel“ im Unternehmen eine mit vereinten Kräften durchaus lösbare Aufgabe sein.

Hinweise:
Eine Liste der im Text erwähnten Literaturstellen sowie eine Aufstellung weiterer Buchempfehlungen zum Thema können beim Verfasser bezogen werden.

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Wir verweisen hier auch auf den DWA Tagungsband anlässlich des Seminars Energieoptimierung auf Kläranlagen vom 24. Juni 2008, Köln der in Kürze erscheinen wird.