Einsatz von Koppelprodukten aus der Elektrolyse zur Verbesserung der Reinigungsleistung von Kläranlagen und deren Energieeffizienz

Projektlaufzeit: 09/2023 - 08/2026

Projektbearbeitung durch:  tectraa

Bearbeiter:

• Dipl.-Ing. Oliver Gretzschel
• Dipl.-Ing. Almut Hönerloh
• Dipl.-Biol. Birgit Valerius
• Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung:

• Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Projektpartner:

• HYDRO-Ingenieure Energie & Wasser GmbH
• Steinbeis-Innovationszentrum energieplus
• H2 Main-Tauber GmbH

Projektbeschreibung:

Die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse im Power-to-Hydrogen-Verfahren (PtH2) ist nach heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen ein elementarer Baustein der Sektorenkopplung und für eine erfolgreiche Energiewende unerlässlich. In jüngerer Zeit häufen sich in Industrie und Wissenschaft die Fragen nach geeigneten Standorten für die Errichtung von PtH2-Anlagen.

In bereits durchgeführten Projekten hat es sich gezeigt, dass Elektrolyseure auch ein wichtiger Baustein in einem Energiekonzept für Kläranlagen sein können. Für das hier beantragte Vorhaben sind i. b. die Koppelprodukte Sauerstoff und Wärme aus dem Elektrolyseprozess von Bedeutung, da diese bei der Zielerreichung der sich durch den oben genannten Entwurf der EU-Kommunalabwasserrichtlinie abzeichnenden Änderungen einen wichtigen Beitrag liefern können. Hierbei kann der Sauerstoff aus der Elektrolyse zur Belüftung und/oder als Edukt der Ozonproduktion der Spurenstoffbehandlung dienen. Die Wärme kann zum Beispiel zum Beheizen des Betriebsgebäude genutzt werden.

Von tectraa wurde in einer im Mai 2023 abgeschlossenen Studie die Möglichkeit des Einsatzes von Elektrolysesauerstoff für die Belüftung erfolgreich für die Kläranlage Landau/Pfalz unter Annahme eines konstanten Elektrolysebetriebs aufgezeigt. Der für Landau angenommene konstante Elektrolysebetrieb ist nicht ohne Weiteres auf andere Standorte übertragbar, da i. d. R. von einem diskontinuierlichen Betrieb mit fluktuierender Sauerstoff- und Wärmebereitstellung auszugehen ist. Dies ist für weitere Standorte unterschiedlicher Anschlussgröße und Verfahrenstechnik zu prüfen, um eine Grundlage als Basis für die Leitfadenerstellung zu generieren. Beide Einsatzzwecke (Belüftung und Ozongeneration) des üblicherweise nicht genutzten Koppelproduktes Sauerstoff führen zu deutlichen Energie- und CO2-Einsparungen auf der Kläranlage und zu einer Steigerung der Ressourceneffizienz der Elektrolyse. Somit können diese Maßnahmen einen wesentlichen Beitrag leisten das Ziel der energieneutralen Abwasserreinigung zu erreichen

Ziel des Projektes ist es einen Leitfaden zu erstellen, der Kläranlagenbetreiber, Planende und Behörden in die Lage versetzt zu prüfen, inwiefern die Nutzung der Koppelprodukte der Elektrolyse an Kläranlagenstandorten sinnvoll und effizient erfolgen kann.

Als Grundlage werden dafür vier baden-württembergische Kläranlagenstandorte detailliert betrachtet mit Blick auf Möglichkeiten und Herausforderungen bei der:

• Sauerstoffnutzung aus der Elektrolyse in der Belebungsstufe bei einer dynamischen Betriebsweise der Elektrolyse
• Eignung von Druckluft-Belüftungselementen für die Umstellung bzw. den Einsatz von Reinsauerstoff
• Sauerstoffnutzung aus der Elektrolyse für die Ozonstufe einer 4. RS als Kombinationsverfahren Ozon-GAK
• Auswirkungen auf die Energiebilanz der Kläranlage (Energieeinsparung)
• Auswirkungen auf die CO₂-Bilanz von Belüftung und 4. RS
• Nutzungsoptionen der Abwärme der Elektrolyse auf der Kläranlage bzw. im Umfeld unter Berücksichtigung von lokalen Wärmeplanungen
• Nutzung und Verwendung des Wasserstoffs im Umfeld der Kläranlagen

Die dabei betrachteten Standorte sind:

• Kläranlage Heilbronn
• Kläranlage Neckarsulm
• Kläranlage Bad Mergentheim
• Kläranlage Wertheim (Eisbiegel)