Angewandte Forschung - Projekte

Dass Wasserkraft ein wichtiger Bestandteil des Energie-Mix der Zukunft sein wird steht außer Frage. Dass sich im Wasser noch enorme, bisher völlig ungenutzte Energiepotenziale verbergen, ist vielen nicht bekannt. Vor allem in kommunalem und industriellem Abwasser stecken enorme Mengen an Energie. Allein die deutschen Privathaushalte verlieren jährlich 85,6 Mrd.¹ kWh Energie in den Kanal. Dies entspricht dem Energieinhalt von 8,6 Milliarden Litern Heizöl, oder 13,2 Millionen Tonnen Braunkohle. Damit nicht genug! Abwasser ist eine stetig erneuerbare Biomasse-Quelle. Das energetische Potenzial der jährlich anfallenden Biomasse im deutschen Abwasseraufkommen beträgt rechnerisch rund 18,4 Mrd.² kWh. Anstatt diese Energie zurückzugewinnen und zu nutzen, werden jährlich 13,2 Mrd.³ kWh Primärenergieäquivalent eingesetzt, um dieses enorme Potenzial gezielt, auf unseren Kläranlagen zu „vernichten“ und damit unschädlich zu machen. Eine der Zielsetzungen unserer Forschung besteht darin, einen Betrag zur Nutzung dieser verborgenen Potenziale zu leisten. Hierzu untersuchen und entwickeln wir im „Labor Angepasste Wassertechnologien“ neue Ansätze, Ideen, Technologien und Verfahren. 

_{1 ) Statistisches Bundesamt, Wiesbaden, 2008, Daten von 2006}

_{2 ) basierend auf der Annahme von 3,3 kWh pro kg CSB}

_{3 ) 35 kWh el./EWG/a * 126 Mio EWG * 3 kWh PE/kWh el. = 13,2 TWh PE}

Bei dem Stichwort „Energieträger“ denken wir an Kohle, Öl, Erdgas oder Uran, nicht jedoch an Abwasser. Doch auch im Abwasser stecken enorme Energiemengen. Jeder, im Winter, dampfende Kanaldeckel ist ein Zeugnis für die Wärme, die über den Kanal ungenutzt verloren geht. Die Rückgewinnung dieser Wärme ist Gegenstand eines aktuellen Forschungsprojektes. Es ist grundsätzlich naheliegend, Wärme, dort zurückzugewinnen, wo ökologisch sinnvolle Wärmesenken saisonunabhängig zur Verfügung stehen. Auf einer zentralen Kläranlage ist dies meist nicht der Fall. In privaten Haushalten und größeren Gebäudekomplexen wird Wärme hingegen ganzjährig zur Bereitstellung von Warmwasser benötigt. Bisher geht die, in unser Warmwasser eingetragene Energie in den Kanal verloren. Für jeden Liter Warmwasser, der in den Kanal entsorgt wird, muss folglich erneut ein Liter kaltes Wasser erhitzt werden, um stets einen gefüllten Warmwasserspeicher zur Verfügung zu haben. Könnte man die Energie eines „entsorgten“ Liter Warmwassers auf einen „fischen“ Liter Kaltwasser übertragen, bevor diese in den Kanal verloren geht, wäre die Warmwasserbereitstellung theoretisch energieautark. So einfach dies in der Theorie auch klingen mag, in der Praxis stellen Abwasser-Wärmetauscher noch immer eine seltene genutzte Nischentechnologie dar. Bisherige Systeme sind für den industriellen Maßstab gedacht, oder stützen sich auf das Kanalsystem als Wärmequelle. In einem aktuellen Forschungsprojekt soll ein dezentraler Grauwasser-Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung in „Energieautarken Gebäuden der nächsten Generation“ konzipiert, entwickelt und getestet werden. 

Dezentraler Grauwasser-Wärmetauscher

Die Mikrobielle Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus Abwasser

Biomasse ist im Zuge der Energiewende längst zum festen Bestandteil unserer Energieversorgung geworden. Ob E10, Biodiesel, Hackschnitzel oder Biogas, durch die bedarfsgerechte Konversion von Biomasse kann jeder feste, flüssige oder gasförmige Energieträger nachhaltig substituiert werden. Doch diese Nachhaltigkeit hat ihren Preis! Die Lebensmittelpreise stiegen in Folge von Spekulationen um die Nutzungskonkurrenz landwirtschaftlicher Flächen teils drastisch an. Die Tank-Teller-Diskussion und populistische Begriffe wie „Vermaisung“ prägen heute zunehmend unsere Medienlandschaft. Es ist dabei durchaus gerechtfertigt, kritisch zu hinterfragen, ob es nicht sinnvoller wäre, das Spektrum biogener Rest- und Ersatzstoffe zur energetischen Nutzung zu verbreitern, anstatt immer mehr Flächen für die Kultivierung von Mono-Energiepflanzen aufzuwenden. Man darf ebenso kritisch fragen, ob es nicht sinnvoll wäre noch einen Schritt weiter zu gehen und die Biomasseproduktion vom Land ins Wasser zu verlegen – Mikroalgen statt Mais!  Dieser Idee folgend, untersuchen und entwickeln wir Ideen, Verfahren und Prozesse um diese neue Generation biogener Rohstoffe nachhaltig und wirtschaftlich bereitzustellen und zu nutzen. 

Nachhaltige Biomassebereitstellung durch Mikroalgen

Energetische Nutzung von Algen-Biomasse zur Biogaserzeugung

Untersuchung von Vorbehandlungs- und Zelldesintegrationsmethoden für Mikroalgen

Evaluation von Algen-Spezies zur energetischen Nutzung

Stoffliche und energetische Nutzung von Gärresten

Deutschland ist auf dem Weg, eine der modernsten Energielandschaften der Welt zu werden. Dabei liegen die Herausforderungen der Zukunft nicht alleine in der Umstrukturierung unserer Energieerzeugung. Vielmehr ist ein sparsamer und durchdachter Umgang mit all unseren erschöpflichen Primärrohstoffreserven zum Erreichen dieses Ziels erforderlich. Eine Vielzahl etablierter Strukturen und Technologien weist nach wie vor enorme Einsparpotenziale auf. So könnten beispielsweise im Bereich der Abwasserreinigung Energieeinsparungen von bis zu 70 % erreicht werden. Im Zuge der aktuellen Forschungsprojekte nimmt die Identifikation von Ressourcen- und Energieeinsparpotenzialen und die Entwicklung neuer effizienter Verfahren im Bereich der Abwasser- und Biogastechnik eine zentrale Rolle ein.

Mülltrennung ist heute selbstverständlich, Abfall wird heute in recycelbare Fraktionen aufgetrennt und sinnvollen Verwertungspfaden zugeführt. Niemand wirft heute mehr Papier in die Restmülltonne. Dadurch würde das Papier kontaminiert und ein Recycling wäre nicht mehr möglich, der recycelbare Wertstoff Papier würde damit kontaminiert und damit selbst zu Restmüll werden. Auf unsere Abwasserentsorgung wenden wir diese Denkensweise bis heute kaum an. Doch auch dort ist ein Recycling möglich und sogar äußerst sinnvoll! Es widerspricht der Vernunft, hygienisch einwandfreies Trinkwasser für die Entsorgung von Fäkalien zu kontaminieren und damit selbst zu einem Problemstoff zu machen. Dafür könnte auch (Ab)Wasser aus, z. B. der Dusche „recycelt“ werden. Dieser Idee folgt die Grauwasseraufbereitung (GWA).

Die Europäische Norm 12056-1 definiert Grauwasser als fäkalienfreies, gering verschmutztes Abwasser, wie es etwa beim Duschen, Baden oder Händewaschen anfällt. Dieses Wasser ist hinsichtlich der pathogenen Keimbelastung weitestgehend unproblematisch und kann nach einer Aufbereitung als Brauchwasser wiederverwendet werden. Bisherige GWA-Anlagen sind energieintensive Membran- oder SBR-Anlagen. Hierzulande ist Energie teuer und Wasser billig, so dass nur energieeffiziente Grauwasseraufbereitungsanlagen eine Chance in der Praxis haben. Die Entwicklung einer solchen, nahezu energieautarken Anlage ist eines der Ziele unserer aktuellen Forschungsprojekte.

Kommunales Abwasser enthält enorme Mengen an Nährstoffe (NPK), die als Düngemittel zurückgewonnen werden können. Die größten Potenziale zur Rückgewinnungen liegen dabei in den Faulwässern der anaeroben Schlammstabilisierung. Hier liegen die Nährstoffe um ein vielfaches konzentrierter vor, als im Abwasser selbst. Bislang ist die Nährstoffrückgewinnung nicht Stand der Technik. Mehrere hunderttausend Tonnen potenzieller Düngemittel gehen so jährlich allein in Deutschland unwiederbringlich verloren und müssen aus erschöpflichen Primärrohstoffreserven ersetzt werden. Eine Lösung dieses Problems wäre nicht allein auf die Abwassertechnik beschränkt, sondern könnte ebenso im Bereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen Einsatz finden. Dort kann durch einen gezielten Nährstoffentzug ggf. auch Betriebsstörungen der Anlagen vorgebeugt werden.  Eine Auswahl von Technologien, die zur Nähstoffrückgewinnung untersucht werden sind die Elektrodialyse, die Nanofiltration, die Polymeradsorption, die Fällung und neuartige transmembrane Absorptionsverfahren. 

Gärreste fallen überall dort an, wo Biogas entsteht. Dabei handelt es sich um ausgefaulte Reststoffe, die je nach Herkunftsbereich, als Dünger auf landwirtschaftliche Flächen ausgetragen, oder als „Abfall“ verbrannt werden. Die landwirtschaftliche Ausbringung ist dabei wegen der Schließung von Stoffkreisläufen zu bevorzugen. Dies ist jedoch aufgrund saisonaler und juristischer Restriktionen nur eingeschränkt möglich. Eine sinnvolle Verwertung gestaltet sich als schwierig, da die Feststoff- und Flüssigfraktion der Gärreste getrennten Verwertungspfaden zugeführt werden müssen, um die jeweiligen Potenziale dieser Fraktionen gezielt zu nutzen. Eine Phasentrennung ermöglicht die individuelle Nutzung jeder Fraktion entsprechend ihrer Potenziale, ohne störenden Einfluss der anderen Phase. Diese technisch anspruchsvolle Aufgabe unter wirtschaftlichen Aspekten zu realisieren ist eines unserer aktuellen Vorhaben.

Energieautarke Grauwasseraufbereitung und Wiederverwendung 

Energieeffiziente Stickstoffentfernung im Wirbelbett-Anammox-Verfahren

Wirtschaftliche Fest-flüssig-Separation von Gärresten

Nährstoffrecycling aus Biogasanlagen und Faulwässern

Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel, es kann nicht ersetzt werden (Leitsatz der DIN 2000). Der Zugang zu hygienisch unbedenklichem Trinkwasser in ausreichender Menge ist heute in Europa eine Selbstverständlichkeit. 

Der verlustfreie Transport von Wasser, der sparsame Umgang, die Verwendung von für die Nutzung angemessener Wasserqualität und die Wiederverwendung von Abwasser sind Maßnahmen, um einen nachhaltigen Umganag mit der wertvollen Ressource Wasser zu ermöglichen. Die Steigerung der Wassereffizienz steht im Vordergrund und im Mittelpunkt modernen ingenieurmäßigen Denkens.

Solare Membrandestillation