«Bei unserem kürzlich abgeschlossenen Umbauprojekt haben wir sowohl die Netzeinspeisung unseres Klärgases evaluiert, als auch die eigene Nutzung des daraus erzeugbaren Stroms in einem leistungsstarken Blockheizkraftwerk (BHKW)», sagt Roger Müller, Betriebsleiter der Abwasserreinigungsanlage (ARA) in Winterthur. «Wir haben uns dann aufgrund ausführlicher Vergleichsberechnungen für die Wärme-Kraft-Kopplungslösung entschieden, die uns eine Eigennutzung des erzeugten Stroms ermöglicht.» Seit dem Frühjahr 2018 steht nun eine BHKW-Anlage mit 548 kW elektrischer Leistung im Einsatz, mit welcher rund 70 Prozent des Stroms und die gesamte Wärmeenergie für den Betrieb der ARA selber erzeugt werden.
Umbau durch den Wegfall der Klärschlammverbrennung
Die seit 1951 in Betrieb befindliche ARA Hard reinigt das Abwasser von Winterthur und 12 angeschlossenen Gemeinden der Region. Bis zu 20 Mio. m3 fliessen jährlich in die ARA und durchlaufen dabei vier Reinigungsstufen. Das 600 Kilometer lange private und öffentliche Kanalnetz der Stadtentwässerung mündet hier in der ARA. Bis 2015 wurde der entstehende Klärschlamm entwässert und mit einer Monoverbrennung verwertet und reduziert. Durch die Überarbeitung des Zürcher Entsorgungsplans und durch die allgemeinen gesetzlichen Änderungen bei der Klärschlammausbringung mussten zur Entsorgungsfrage regionale Überlegungen durchgeführt werden. Schliesslich kam es durch den Entscheid, die Verbrennung in der Zürcher Anlage Werdhölzli zu konzentrieren, zur Einstellung der bisherigen Verbrennungsanlage in Winterthur. Damit entfiel eine wichtige Wärmequelle in der ARA. Und mit dem Bau eines zusätzlichen Faulturms konnte gleichzeitig mit einer erhöhten Klärgasmenge gerechnet werden. Die gesamte Energieversorgung musste entsprechend verändert und neu strukturiert werden. Damit verbunden waren auch Systemanpassungen bei der Aufbereitung von Brauchwarmwasser und der Versorgung mit Druckluft. Da also ein gleichzeitiger Strom- und Wärmebedarf vorhanden ist, lag die weitere Nutzung der WKK-Technologie nahe.
Die zuvor bereits im Einsatz gestandenen zwei BHKW mit je 190 kW Leistung wurden mehrheitlich – als Teil der gesamten ARA-Anlage – im Teillastbetrieb gefahren. Es bestand zwar eine willkommene Redundanz, aber der abwechselnde Einsatz war nicht optimal. Die während des Evaluationsprozesses ebenfalls geprüfte Einspeisung des Klärgases ins öffentliche Gasnetz konnte bei der Vergleichsstudie zum erforderlichen Primärenergiebedarf nicht überzeugen. Ein neues BHKW bietet nicht nur ökologische und wirtschaftliche Vorteile, sondern steht auch für die Notwendigkeit von «Ersatzstrom» zur Verfügung. Zusammen mit bestehenden Hochdruckluftspeichern können bei einem möglichen Stromunterbruch die ARA-Funktionen aufrecht erhalten werden. Ein älterer Heizkessel sorgt im Notfall noch für zusätzliche redundante Wärme.
Vorgaben für die künftige BHKW-Nutzung
«Wir haben in dieser Evaluationsphase auch schwarz auf weiss erkennen können, dass das Wertvollste im Klärgas der daraus produzierbare Strom darstellt. Deshalb wollten wir die Eigennutzung der möglichen Stromerzeugung maximieren», fasst Roger Müller den Ausgangspunkt für die erforderlichen Planungsarbeiten zusammen.
Die Anforderungen an die BHKW-Auslegung waren einerseits die Vermeidung eines Teillastbetriebs, anderseits das Erreichen einer täglichen Nutzungsdauer von ca. 18 Stunden, bei höchstens 1 – 2 Anläufen. Das BHKW sollte also Strom-geführt betrieben werden und im Stromnetz der ARA integriert sein. «Mit dieser Eigennutzung des Stroms rechnet sich das BHKW. Wir gehen davon aus, dass wir über 70 Prozent des Bedarfs erreichen. Somit werden wir nur wenig Netzstrom benötigen und gleichzeitig kaum einspeisen müssen.»
Mit neuer Anlage zu grösseren Dimensionen
Das neuen BHKW von GE Jenbacher, Typ JMS 312, – geliefert und installiert von der IWK Integrierte Wärme und Kraft AG – weist 12 Zylinder mit einem Hubraum von knapp 30 Liter auf. Damit lässt sich eine Gasmenge von bis zu 220 Nm3/h nutzen. Bei einer Drehzahl von 1500 1/min wird eine elektrische Leistung von 548 kW erreicht, thermisch stehen 623 kW zur Verfügung, wodurch die Gesamtleistung über 1 MW liegt. Der elektrische Wirkungsgrad wird mit 41 Prozent angegeben, thermisch 47 Prozent, so dass gesamthaft über 88 Prozent erreicht werden können. Die gesamte Anlage umfasst auch einen Röhrenwärmetauscher für das Abgas, in welchem eine Abkühlung von 440 auf 120 °C erfolgt. Die Wasser-Vorlauftemperatur liegt bei maximal 90 °C, bei einer Durchlaufmenge des Warmwassers von knapp 27 m3/h.
Während der Planung mussten auch immer wieder Annahmen zu den wichtigsten Parametern getroffen werden, da die Gesamtmenge des anfallenden Klärgases aufgrund des Baus eines neuen Faulturms und die Stromdaten des bisherigen Teillastbetriebs der alten BHKW Unsicherheiten aufwiesen. Sowohl die Maschinenwahl als auch die Projektierung der Abgasbehandlung waren deshalb besonders anspruchsvolle Arbeiten. Beim BHKW hat die Tatsache etwas Entspannung gebracht, dass eine Leistungserhöhung beim 5-Jahres-Service mit wenig Aufwand realisiert werden kann, denn der Generator ist schon für 637 kWel ausgelegt.
Das neue BHKW wurde in die bisherige Energiezentrale eingefügt, was durch sorgfältige Planung und einen lediglich zweiwöchigen Betriebsunterbruch möglich wurde. Die Sicherheitsbedingungen (Ex) mussten zwar angepasst werden und ein SCR-Katalysator (Harnstoff-Zufuhr) eingebaut werden, ein neue Transformator für Mittelspannung kam hinzu, doch im Frühjahr 2018 war die neue Anlage betriebsbereit.
Herausforderungen zwischen Planung und Praxis
Sowohl die Planungsarbeiten als auch die parlamentarischen (Stadtrat von Winterthur) und behördlichen Entscheidungsverfahren (z.B. KEV-Antrag) basieren auf den zur Verfügung gestellten Anlagedaten. Es stellt für alle Akteure eine Herausforderung dar, mit den auftretenden Differenzen zwischen den Werten eines Testbetriebs und den im konkreten ARA-Betrieb erreichbaren Daten umzugehen. Lassen sich die erhofften Leistungen und Wirkungsgrade aufgrund der spezifischen Voraussetzungen der Klärgaserzeugung, der klimatischen und anlagentechnischen Bedingungen nicht erreichen, so ergeben sich plötzlich Diskussionen. Sich verändernde Voraussetzungen tragen ebenso zu solchen Verunsicherungen bei. Beispielsweise wurde der neue Faulturm Mitte 2015 in Betrieb genommen, das erste Normalbetriebsjahr konnte jedoch erst 2017 erreicht werden. Bei der Planung ging man von einer täglichen Klärgasproduktion von 4400 m3 aus, heute liegt dieser Wert bei 4900 m3. Die Verwertungsanlagen müssen also mit einem entsprechenden Toleranzbereich ausgestattet werden. Zusätzlich sind markante Veränderungen im Einzugsgebiet des Klärwerks (z.B. Wegfall von bestimmten Industriebetrieben, Ausbau von Siedlungsgebieten usw.) zu beachten.
«Wir sind in der glücklichen Lage, neben unserer Hauptaufgabe, der Reinigung des regionalen Abwassers, auch das energetische Potenzial nutzen zu können. Ich persönlich sehe grundsätzlich sogar das Ziel im Energiebereich, keine Verbrennungsvorgänge zur Gewinnung von Wärme mehr durchzuführen ohne Wärme-Kraft-Kopplung. Dies realisieren wir bei uns mit einer optimalen Klärgas-Verwertung.»
Über die Arealgrenzen konzipieren
Die ARA in der Hard bietet neben dieser Klärgas-Verstromung auch noch eine Wärmeversorgungsquelle ab dem gereinigten Abwasser für eine nahe gelegene Überbauung an. Solche Nutzungen kalter Fernwärme sind jedoch limitiert und in der Realisierung meist anspruchsvoll.
Die ARA selbst bereitet sich im Moment auf die Erweiterung der Reinigungsstufen vor. Künftig soll diese Reinigung mit zusätzlichen Stufen und neuen Verfahren noch wirkungsvoller, aber auch aufwändiger werden. Solche werden erforderlich, da einerseits strengere Vorschriften zu erfüllen sind und anderseits neue Problemstoffe, wie Mikroverunreinigungen, die zunehmend via Abwasser, Flüsse und Seen ins Trinkwasser gelangen, zu eliminieren sind.
Informationen:
Roger Müller
Stadtwerk Winterthur
Abwasserreinigungsanlage
CH-8403 Winterthur
roger.mueller@win.ch
www.stadtwerk.winterthur.ch/abwasserreinigung
