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Fig. 1: Das neue Blockheizkraftwerk der Kläranlage Echallens ist in einem Container untergebracht. Mit dem aus Klärschlamm gewonnenen Biogas erzeugt es 150.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr. Source: Busch Vacuum Solutions.

Energieerzeugung mit weniger Energie

Die Kläranlage Echallens im Schweizer Kanton Waadt generiert seit ihrer Inbetriebnahme 1974 Strom durch die Gewinnung von Biogas. Im Mai 2020 wurden zwei alte ölgeschmierte Kolbenkompressoren durch einen MINK Klauen-Kompressor der Firma Busch Vacuum Solutions für die Durchmischung des Klärschlamms im Faulturm ersetzt. Dadurch konnte der Stromverbrauch für diesen Prozess um bis zu 40 Prozent gesenkt werden. Für den Leiter der Kläranlage heißt dies: Er benötigt weniger Energie zur Energieerzeugung.
Die Kläranlage wird nahe der Kantonshauptstadt Lausanne von der Gemeinde Echallens betrieben und behandelt die Abwässer von insgesamt vier umliegenden Ortschaften. Sie ist auf einen Einwohnergleichwert von 10.000 ausgelegt, eine Kapazitätsgrenze, die weitestgehend ausgeschöpft ist. Um die Abwasseraufbereitung künftig wirtschaftlicher betreiben zu können, sieht die Planung der regionalen Verwaltung eine weitere Zentralisierung der Abwasseraufbereitung bis zum Jahr 2025 vor. Auch die Behandlung von Mikroverunreinigungen soll verbessert werden. Die Kläranlage Echallens soll künftig mehrere andere lokale Kläranlagen ersetzten und die Abwässer von dann insgesamt neun Gemeinden im Umkreis klären. Dafür wird die Kläranlage auf einen Einwohnergleichwert von 26.000 ausgebaut.
Bereits 2019 wurde ein neues Blockheizkraftwerk (Fig. 1) auf dem Gelände der Kläranlage installiert, das jährlich 150.000 Kilowattstunden Strom aus der Biogasanlage generiert. Das über das Blockheizkraftwerk ebenfalls gewonnene Warmwasser wird weitestgehend für den Eigenbedarf, etwa zum Aufwärmen des Klärschlamms im Faulturm und zur Beheizung der Räumlichkeiten verwendet. Um auch die Gewinnung von Biogas (Fig. 2) aus dem Faulturm wirtschaftlicher zu gestalten, wurde entschieden, die Zirkulation des Biogases im Faulturm mit einem Fassungsvermögen von 350 Kubikmetern zu optimieren. Ein Teil des im Faulturm erzeugten Biogases wird dem Klärschlamm wieder zugeführt. Dazu wird das Biogas im oberen Teil des Faulturms abgesaugt, mit einem Kompressor verdichtet und im unteren Teil wieder in den Klärschlamm im Faulturm eingebracht. Das Biogas durchströmt den Klärschlamm und sammelt sich wieder im oberen Bereich an, von wo es über eine Leitung in einen Gasbehälter als Zwischenspeicher geführt wird. Vom Gasbehälter gelangt das Biogas direkt in das Blockheizkraftwerk. Dieses läuft derzeit 20 Stunden pro Tag und wird nur nachts für wenige Stunden abgeschaltet.
Der Prozess der Biogaszirkulation hat folgende Vorteile: 1. Der eingedickte Klärschlamm wird im Faulturm auf 38° Celsius erwärmt. Die Durchflutung des Klärschlamms mit Biogas bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Wärme. 2. Durch die Durchmischung des Klärschlamms lassen sich Ablagerungen am Boden des Faulturms und deren Verdichtung vermeiden. 3. Durch das Aufsteigen der Gasblasen im Klärschlamm werden die mikrobiologischen Abbauprozesse im Klärschlamm begünstigt, was schlussendlich zu einer höheren Gasausbeute führt. 4. Eine mechanische Durchmischung des Klärschlamms ist durch die Zirkulation des Biogases nicht notwendig.
Seit 1974 waren zur Durchmischung des Klärschlamms mit Biogas zwei Kolbenverdichter installiert. Wobei der eine als reine Redundanz dienen sollte, um beim Ausfall eines der Verdichter den Prozess aufrechterhalten zu können. In der Praxis zeigte sich aber, dass die Kapazität eines Verdichters nicht ausreichte und deshalb stets beide in Betrieb waren, eine Redundanz also nicht mehr gegeben war. Beide Verdichter waren mit einem Motor mit einem Nennstrom von 6,7 Kilowatt ausgestattet.
Nach einer Beratung durch einen Verfahrensingenieur der Firma Busch Vacuum Solutions, entschied sich der Betreiber für die Anschaffung eines MINK Klauen-Kompressors (Fig. 3) von Busch.
Dieser Kompressor ist ATEX-zertifiziert (II 2G IIB3 T3 (i)/II 3G IIB3 T4(o)), so dass keine Flammensperren notwendig sind. Außerdem hat er einen frequenzgeregelten Antrieb, um den Volumenstrom exakt auf die Anforderungen im Faulturm anzupassen.
Seit Mai 2020 ist der MINK Klauen-Kompressor in Betrieb und läuft meist unter Volllast bei einem Stromverbrauch von 4,5 Kilowatt und einem permanenten Überdruck von 0,6 bar. Verglichen mit dem Stromverbrauch der beiden früheren Kolben-Kompressoren mit je einem 6,7-Kilowatt-Motor entspricht dies einer theoretischen Stromeinsparung von über 65 Prozent.
MINK Klauen-Kompressoren verdichten das Biogas völlig ölfrei. Dies ist möglich, weil die Kompressoren berührungsfrei arbeiten, das heißt, interne bewegliche Teile berühren weder sich noch das Gehäuse gegenseitig. Dadurch entfallen auch die Ölwechsel, die bei den ölgeschmierten Kolbenverdichtern halbjährlich durchgeführt werden mussten. Da die jeweils 4,5 Liter Öl mit dem Biogas in Berührung kamen, musste das Altöl dementsprechend entsorgt werden. MINK Klauen-Kompressoren haben ein internes Getriebe. Darin befinden sich 0,85 Liter Getriebeöl. Busch empfiehlt einen Ölwechsel nach maximal 20.000 Betriebsstunden und eine jährliche Sichtkontrolle, um den Zustand und die Ölmenge vorbeugend zu prüfen.
Noch einen Vorteil hat der Betreiber während der ersten Betriebsmonate ausgemacht:
“Der Klauen-Kompressor läuft wesentlich ruhiger als jeder einzelne der beiden zuvor verwendeten Kolbenverdichter. Das Geräusch hat sich mehr als halbiert.“