Klimarechner für Kläranlagen
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Kläranlagen sind Emissionsquellen für die klimarelevanten Gase Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O). Trotzdem könnten sie einen Beitrag zur Minderung dieser Emissionen leisten.
Lösungen für den urbanen Wasserkreislauf
Das Graduiertenkolleg „Future Water“ erarbeitet Lösungsstrategien für einen nachhaltigen urbanen Wasserkreislauf am Beispiel des Ruhrgebiets.
Der Ansatz der Forscher erfolgt aus chemischer, biologischer, medizinischer sowie aus geistes- und ingenieurwissenschaftlicher Perspektive.
Beteiligt sind die Uni Duisburg-Essen, die Ruhr-Uni Bochum, die Hochschule Ruhr-West, die EBZ Business School und das Kulturwissenschaftliche Institut Essen.
„Der Energiebedarf von Kläranlagen lässt sich um 20 % senken, die Eigenenergieerzeugung verdoppeln oder gar vervierfachen“, sagt Pascal Kosse, Doktorand am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik der Ruhr-Uni Bochum. Bei rund 10 000 Kläranlagen in Deutschland könnten 900 GWh Strom und 600 000 t CO2 pro Jahr gespart werden.
Kosse ist verantwortlich für das Projekt „Energiebilanzen und Treibhausgasemissionen urbaner Abwasserreinigungssysteme“. Es ist Teil des Fortschrittskollegs NRW – Future Water, das vom Zentrum für Wasser- und Umweltforschung (ZWU) der Universität Duisburg-Essen koordiniert wird (s. Kasten).
Der Aspekt Klimaschutz spielte bei Klärprozessen bisher eine untergeordnete Rolle, da „nur wenige, messtechnisch fundierte Emissionsdaten für das Gesamtsystem Kläranlage vorliegen“, weiß Kosse. Denn Treibhausgase sind mit Messverfahren wie der Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) nur sehr aufwendig zu ermitteln.
Der Bochumer Forscher sucht deshalb Methoden zur Quantifizierung von Treibhausgasemissionen. Dazu verfolgt er zwei Ansätze. Im ersten Teil des Projekts wird ein Verfahren entwickelt, das durch Aussalzen die gelösten Treibhausgase im Abwasser quantifiziert. Mithilfe von Massenbilanzen kann man dann berechnen, in welchen Mengen eine Kläranlage Treibhausgase potenziell emittiert.
„Da die Gase über einem Becken sich schnell verflüchtigen, können sie nicht mit FTIR-Verfahren gemessen werden“, umreißt Kosse das Problem. Er ermittelt die Werte, indem er die Gase bereits in der flüssigen Phase durch Zugabe geeigneter Salze in den Gasraum ausstrippt und dann deren gelöste Konzentration per Gaschromatografie bestimmt.
Im zweiten Teil soll ein Modell entwickelt werden, mit dem sich berechnen lässt, unter welchen Prozessbedingungen eine klimaneutrale Abwasserbehandlung möglich ist. Für die Modellierung und Simulation arbeitet man hier mit der Simulationssoftware SimbaWater des Magdeburger Instituts für Automation und Kommunikation.
„Es gibt noch kein mathematisches Modell, das die Emission von Treibhausgasen für das Gesamtsystem Kläranlage vorhersagen kann“, bedauert Kosse. Nur für ausgewählte Reinigungsstufen oder für Laborsysteme sei das bisher gelungen.
Deshalb kooperiert die Ruhr-Uni nun mit der Universität Helsinki. Die Kläranlage Viikinmäki in Helsinki bot sich an, da sie komplett unterirdisch liegt. Das habe den Vorteil, dass Gase nicht entweichen können, so Kosse. „Die Abluft über den Becken der Kläranlage wird abgesaugt und mit der FTIR quantifiziert.“
Kooperationen stehen im gesamten Kolleg auf der Agenda. „Wir verfolgen einen inter- und transdisziplinären Ansatz“, ergänzt Simon Kresmann, Koordinator von Future Water am ZWU.
Interdisziplinär bedeutet, dass neben Absolventen aus den Ingenieurwissenschaften, der Biologie und Chemie auch Ökonomen, Mediziner, Sozialwissenschaftler und sogar Philosophen beteiligt sind. Transdisziplinär wird es durch ein breites Netzwerk und je einen Praxismentor.
Der Ansatz war Voraussetzung für die Fördermittel des NRW-Wissenschaftsministeriums. Das Land NRW stellt etwa 2,6 Mio. € zur Verfügung. Hinzu kommt ein Eigenanteil von etwa 10 % der Kosten.
Pascal Kosse hofft, erste Ergebnisse im kommenden Jahr veröffentlichen zu können: Zur Auswertung wird er demnächst für sechs Monate nach Helsinki gehen. Mit der Fertigstellung des neuen Modells zur Vorhersage der Treibhausgasemissionen auf Kläranlagen rechnet er im Jahr 2017.
