Kläranlagen als Bausteine der Wasserstoffwirtschaft

Kläranlagen können künftig eine größere Rolle in der Energiewende übernehmen. Das Forschungsprojekt KoNexus untersucht in Berlin und Brandenburg, wie Klärwerke erneuerbare Energien speichern, grünen Wasserstoff erzeugen und vorhandene Stoffströme effizient nutzen können.

Kläranlagen gehören traditionell zur kritischen Infrastruktur der Daseinsvorsorge. Sie reinigen Abwasser, erzeugen aus Klärschlamm Klärgas und nutzen dieses häufig bereits zur Strom- und Wärmegewinnung. Mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energien rückt jedoch eine weitere Funktion in den Mittelpunkt: die Kopplung von Wasserwirtschaft und Energiesystemen. Das Projekt KoNexus untersucht, wie Kläranlagen zu integrierten Energie- und Ressourcenzentren weiterentwickelt werden können.

Power to Gas auf der Kläranlage

Das Grundprinzip des Projekts basiert auf der Verbindung von erneuerbarer Stromerzeugung, Wasserstoffproduktion und vorhandenen Ressourcenströmen einer Kläranlage. Wenn Windkraft- oder Photovoltaikanlagen mehr Strom liefern, als aktuell benötigt wird, kann dieser Überschussstrom für die Elektrolyse genutzt werden. Dabei wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.

Der erzeugte grüne Wasserstoff kann direkt genutzt oder gemeinsam mit biogenem Kohlendioxid aus dem Klärgas zu Biomethan weiterverarbeitet werden. Dieses Verfahren wird als Power to Gas bezeichnet. Biomethan besitzt ähnliche Eigenschaften wie Erdgas und kann gespeichert sowie in bestehende Gasinfrastrukturen eingespeist werden.

Kläranlagen bieten für solche Konzepte besondere Voraussetzungen. Sie verfügen bereits über technische Infrastruktur, kontinuierliche Wasserströme, Klärgas aus der Schlammbehandlung sowie einen eigenen Energiebedarf. Dadurch können verschiedene Prozesse miteinander verbunden und vorhandene Ressourcen besser genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in den Nebenprodukten der Elektrolyse. Der entstehende Sauerstoff kann beispielsweise für die Belüftung biologischer Reinigungsstufen eingesetzt werden. Auch bei der Ozonung zur Entfernung von Spurenstoffen aus dem Abwasser kann Sauerstoff eine Rolle spielen. Zusätzlich könnte die bei der Elektrolyse entstehende Wärme zur Deckung von Wärmebedarfen auf der Anlage genutzt werden.

Drei Standorte in Berlin und Brandenburg als Testfeld

KoNexus wird vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin koordiniert und durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert. Das Projekt verbindet Partner aus Wasserwirtschaft, Energiewirtschaft und Forschung und untersucht an drei Standorten unterschiedliche technische Ansätze.

Auf dem Klärwerk Schönerlinde der Berliner Wasserbetriebe soll ein Demonstrationsbetrieb entstehen, der verschiedene Komponenten wie Elektrolyse, Methanisierung, Gasspeicherung, Sauerstoffnutzung und Ozonung miteinander verbindet. Ziel ist es, das Zusammenspiel der Technologien unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen.

In Cottbus liegt der Schwerpunkt auf der Weiterentwicklung eines sogenannten Rieselbettreaktors zur Biomethanisierung. Dabei wird geprüft, wie Wasserstoff und Kohlendioxid effizient zu Methan umgesetzt werden können.

Am Standort Eberswalde wird untersucht, welche Synergien zwischen einem bestehenden großtechnischen Elektrolyseur und einer nahegelegenen Kläranlage möglich sind. Im Mittelpunkt stehen unter anderem die Nutzung des bei der Elektrolyse entstehenden Sauerstoffs sowie die Frage, ob aufbereitetes Kläranlagenablaufwasser als Speisewasser für die Wasserstoffproduktion eingesetzt werden kann.

Zum Projektkonsortium gehören neben dem Kompetenzzentrum Wasser Berlin, den Berliner Wasserbetrieben und der Barnimer Energiebeteiligungsgesellschaft unter anderem das Reiner Lemoine Institut, der Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München sowie die Ingenieurgesellschaft Gicon.

Wasser als Ressource für die Wasserstoffproduktion

Die Verbindung von Wasserwirtschaft und Wasserstofferzeugung gewinnt auch über Brandenburg hinaus an Bedeutung. Elektrolyseure benötigen für den Betrieb Wasser in hoher Qualität. Bei großen Anlagen stellt sich daher zunehmend die Frage, welche Wasserressourcen genutzt werden können und wie Nutzungskonflikte vermieden werden.

Ein möglicher Ansatz ist die Aufbereitung von kommunalem Abwasser zu geeignetem Prozesswasser für die Elektrolyse. Entsprechende Fragestellungen werden auch in anderen Forschungsprojekten untersucht. Damit könnten Kläranlagen künftig nicht nur gereinigtes Wasser bereitstellen, sondern einen zusätzlichen Beitrag zur Versorgung von Wasserstoffprojekten leisten.

Auch bei größeren Industrievorhaben werden solche Konzepte betrachtet. Die Nutzung vorhandener Wasserströme und Infrastrukturen kann dazu beitragen, neue Energieanlagen besser in bestehende Versorgungssysteme einzubinden.

Neue Anforderungen an Planung und Betrieb

Die Entwicklung solcher integrierten Systeme stellt neue Anforderungen an Planung, Genehmigung und Betrieb technischer Anlagen. Neben verfahrenstechnischen Fragen müssen Energieflüsse, Wasserressourcen, Speichertechnologien und wirtschaftliche Rahmenbedingungen gemeinsam betrachtet werden.

Für Ingenieurinnen und Ingenieure aus Wasserwirtschaft, Energietechnik und Infrastrukturplanung entstehen dadurch neue Schnittstellen. Die Bewertung von Stoffströmen, die Auslegung von Anlagenkomponenten sowie die Integration in bestehende kommunale Infrastrukturen werden wichtige Aufgabenfelder.

Die Ergebnisse von KoNexus sollen in Fachgremien, Regelwerke und einen Praxisleitfaden einfließen. Die Untersuchungen an den drei Standorten in Berlin und Brandenburg sollen zeigen, unter welchen technischen und wirtschaftlichen Bedingungen Kläranlagen künftig stärker mit der Energieversorgung verknüpft werden können.