Forschung

Die Potenzialstudie KlärWP.Hessen zeigt, dass bei der Umstellung der Wärmeversorgung von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdgas auf erneuerbare Energien in Zukunft auch gereinigtes Abwasser aus Kläranlagen zur Wärmebereitstellung genutzt werden kann: Rund 5 % bis 6 % des gebäuderelevanten Wärmeverbrauchs könnten jährlich mittels Wärmepumpen aus hessischen Kläranlagen gewonnen werden.

Darauf baut die Potenzialstudie WQ.Hessen auf, in der das Potenzial für die Wärmebereitstellung in hessischen Kommunen durch Fließgewässer, kleinere Kläranlagen und Abwärme aus der thermischen Abfallbehandlung untersucht wird. Das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft widmet sich dabei Kläranlagen der Größenklassen 2 und 3 und untersucht detailliert den Einfluss von Fremdwasser auf das Abwasserwärmepotenzial. Ziel der Untersuchung ist es, vertiefte Erkenntnisse über saisonale Schwankungen des Abwasserwärmepotenzials zu gewinnen.

Laufzeit:                01.08.2024 - 28.02.2025

Projektpartner:     Universität Kassel:

                                Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft

                                Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft

                                Fachgebiet Ressourcenmanagement und Abfalltechnik

                                Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik

Förderung:             LEA LandesEnergieAgentur Hessen GmbH

Projektleitung:      apl. Prof. Dr. Ulrike Jordan

Die Berechnung der Phosphoreinträge in hessische Fließgewässer erfolgt durch Modellierung mit dem „Modell zur Ermittlung von Phosphorbelastungen aus diffusen und punktuellen Quellen“ (MEPhos, entwickelt durch das Forschungszentrum Jülich). Insgesamt werden in MEPhos die Phosphoreinträge aus 11 Eintragspfaden flächendifferenziert berechnet. Die drei größten Anteile der Phosphoreinträge stellen demnach die Eintragspfade Kläranlagen, Wassererosion aus der Landwirtschaft und Mischwasserentlastungen dar. Die Einträge als Folge von Mischwasserentlastungen unterliegen einer sehr hohen zeitlichen und räumlichen Variabilität, weswegen die Genauigkeit der Ermittlung der hydraulischen Zustände von großer Bedeutung ist. Zur Ermittlung der mittleren P-Einträge muss auch die mittlere Konzentration von Gesamtphosphor im Mischwasser bei Starkregen bekannt sein. Diese Konzentrationswerte werden üblicherweise der Literatur entnommen, es sei denn, es stehen Ergebnisse regionaler Untersuchungen im betrachteten Einzugsgebiet zur Verfügung. Im Rahmen dieses Vorhabens soll die Qualität der hydraulischen Eingangsdaten aus der Datenerfassung im Fachinformationssystem „Hessische Abwasseranlagen“ (FIS HAA) untersucht, plausibilisiert und dahingehend optimiert werden, die tatsächlichen Mischwasserentlastungsmengen an den hessischen Regenüberläufen hinsichtlich Häufigkeit, Dauer und Menge exakter beschreiben zu können. Das Endziel der zu vergebenen Studie ist es, einen Datensatz aus den vorliegenden Messungen für die MEPhos-Modellierung der Mischwasserentlastungen zu erstellen, der für die Kalibrierung/Validierung der simulierten Phosphoreinträge aus Mischwasserentlastungen verwendet werden kann.

Laufzeit:                04/2024 - 09/2025

Förderung:            Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)

Projektleitung:      Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck

Das KA4H₂-Projekt verfolgt ein ehrgeiziges Ziel: die Schaffung optimaler Bedingungen für die Produktion von Wasserstoff aus gereinigtem Abwasser in Kläranlagen. Diese Initiative zielt darauf ab, Genehmigungsverfahren zu vereinfachen und Wasserstoffelektrolyseure auf Kläranlagen zu installieren.

Kläranlagen bieten ideale Voraussetzungen für die Wasserstoffproduktion. Nicht nur das (Ab)-Wasser für die Elektrolyse steht zur Verfügung, sondern auch die Nebenprodukte wie Sauerstoff und Abwärme können vor Ort genutzt werden. Diese Anlagen könnten auch eine Schlüsselrolle im Lastmanagement der Stromnetze übernehmen, indem überschüssiger Strom in grünen Wasserstoff umgewandelt wird. Dieser kann gespeichert, direkt vor Ort verwendet oder wieder zurück in Strom umgewandelt werden.

Das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft übernimmt im Rahmen des KA4H₂ Projektes folgende Aufgaben:

• Evaluierung der technischen Möglichkeiten zur Wasserstoffherstellung, Speicherung und Nutzung direkt auf Kläranlagen.
• Ermittlung des Potenzials der Wasserstoffelektrolyse anhand des DWA Leistungsnachweises für kommunale Kläranlagen in Baden-Württemberg.
• Entwicklung von Rahmenbedingungen für eine sichere Produktion von grünem Wasserstoff aus Kläranlagenabläufen zur Minimierung des Umwelteinflusses auf die Gewässer.
• Beispielhafte Skalierung von Wasserstofftechnologien auf einer Kläranlage und Entwicklung von Kennzahlen für die Übertragbarkeit auf andere Standorte.

Das KA4H₂-Projekt setzt auf die Formulierung dieser Rahmenbedingungen und die Vorbereitung von Pilotprojekten. Kläranlagen könnten so künftig einen wichtigen Beitrag zu dezentralen Energieversorgungs- und Wasserstoffinfrastrukturen leisten, was einen bedeutenden Schritt für den Klimaschutz in Deutschland darstellen würde.

Projektpartner:    DVGW – Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut (EBI) des KIT, Karlsruhe

                               Umwelttechnik BW GmbH, Stuttgart

Laufzeit:                01.12.2023 - 30.11.2025

Förderung:            Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Projektleitung:     Dr.-Ing. Philipp Otter / Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck

Kommunales Abwasser hat auch in den kalten Wintermonaten im Vergleich zur Außenluft eine relativ hohe Temperatur und ist daher eine wertvolle Wärmequelle, insbesondere während der Heizperiode. Gerade weil Kläranlagen in nahezu allen größeren Kommunen zu finden sind, liegt es nahe, diese Wärmequelle nutzbar zu machen. Im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung, die in Hessen ab 2024 für größere Kommunen verpflichtend ist, soll die Abwasserwärme daher besonders berücksichtigt werden.

Vor diesem Hintergrund wird mit der Studie KlärWP.Hessen eine wertvolle Grundlage für Kommunen geschaffen. Sie unterstützt dabei, geeignete Gebiete für die Errichtung neuer Wärmenetze zu identifizieren und zielt darauf ab, den damit verbundenen Planungsaufwand zu erleichtern.

Sowohl der Wärmebedarf der Kommunen als auch das Wärmebereitstellungspotenzial des anfallenden Abwassers unterliegen jahreszeitlichen Schwankungen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Studie ist daher die Verschneidung der variablen Jahresprofile und die Erarbeitung der daraus resultierenden Deckungsgrade. Hierzu werden am Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft im Rahmen von KlärWP.Hessen u. a. standardisierte Jahresprofile des Abwasserwärmepotenzials entwickelt.

Projektpartner:    Universität Kassel:

                               Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft

                               Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik

Laufzeit:                01.08.2023 – 29.02.2024

Förderung:            LEA LandesEnergieAgentur Hessen GmbH

Projektleitung:     apl. Prof. Dr. Ulrike Jordan

Das Forschungsvorhaben KIkKa leistet einen wichtigen Beitrag auf dem „race to zero“ in der Abwasserreinigung, indem es zur Minderung klimarelevanter Emissionen beiträgt. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Bildung und Emission von Lachgas (N₂O) innerhalb der biologischen Abwasserreinigung. Lachgas ist besonders relevant, da es ein 273-mal höheres Treibhausgaspotenzial als Kohlenstoffdioxid besitzt. Im Rahmen von KIkKa werden durch die Kombination aus neuartigen Messverfahren und KI-Ansätzen Wege erforscht, um die Lachgasemissionen und gleichzeitig den Energiebedarf einer Kläranlage zu reduzieren. Die Nutzung von KI trägt dazu bei, Muster in den Zusammenhängen zwischen Steuerungs- und Zielgrößen in den biologischen Prozessen der Abwasserreinigung zu erkennen. Dies ermöglicht die Entwicklung konkreter Reduktionsmaßnahmen im realen Anlagenbetrieb, was einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung direkter Emissionen aus der Abwasserreinigung darstellt.

Projektpartner:    Universität Kassel (FG SWW)

                               Variolytics GmbH (Verbundkoordination)

                               Stadtentwässerung Göppingen (SEG)

                               Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB)

Laufzeit:                01.01.2023 - 30.06.2025

Förderung:            Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV)

Projektleitung:      Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck / Malte Thormann, M.Sc.

Im Rahmen des SDG-Graduiertenprogrammes CirCles werden in Zusammenarbeit mit den Fachgebieten Nachhaltiges Marketing, Ressourcenmanagement und Abfalltechnik sowie Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe die Potenziale innovativer Verwertungspfade für urbane Bioabfälle untersucht. Das inter- und transdisziplinäre Projekt hat dabei zum Ziel, urbane Kohlenstoffkreisläufe zu schließen, indem Bioabfälle fremdstofffrei bereitgestellt, zielgerichtet aufbereitet und nachhaltig verwertet werden.

Für die gezielte Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abwassermatrices werden aktuell überwiegend Aktivkohlen auf Steinkohle- oder Kokosnussbasis eingesetzt. Alternativ können Bioabfälle zur Herstellung von biobasierten Aktivkohlen verwendet werden, um Treibhausgasemissionen und weitere Schadwirkungen zu minimieren. Am Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft wird im Rahmen von CirCles die Substitution fossiler Hilfsstoffe in der weitergehenden Abwasserreinigung durch biobasierte Aktivkohlen erforscht und auf ihre realen Nachhaltigkeitspotenziale hin untersucht. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf dem Einfluss verschiedener Prozessparameter bei der Aktivkohleherstellung auf die erzielbare Adsorptionsleistung sowie der simulationsbasierten Beschreibung der Adsorptionsprozesse an biobasierten Aktivkohlen.

Projektpartner:               Universität Kassel:
                                         Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft
                                         Fachgebiet Nachhaltiges Marketing
                                         Fachgebiet Ressourcenmanagement und Abfalltechnik
                                         Fachgebiet Grünlandwissenschaften und Nachwachsende Rohstoffe

Assoziierte Partner:      Die Stadtreiniger Kassel
                                         Abfallentsorgung Kreis Kassel
                                         KASSELWASSER
                                         Umwelt- und Gartenamt der Stadt Kassel

Laufzeit:                          09/2022 - 02/2026

Förderung:                      Universität Kassel
                                         Eigenmittel Fachgebiete

Links:                               Projekthomepage CirCles

Aus Abwasser Rohstoffe zurückgewinnen und den Klimaschutz vorantreiben: Das ist das Ziel des Forschungsvorhabens RoKKa.

Hierfür untersuchen wir am FG Siedlungswasserwirtschaft die unterschiedlichen Prozesse der gezielten Phosphorelimination aus Abwasser unter der neuen Zielstellung, eine lokale Phosphorquelle für Mikroalgen zur Produktion von Beta-Glucanen als Pflanzenbiostimulans und zur Düngemittelproduktion zu erschließen. Zudem beschäftigen wir uns mit der Klimaverträglichkeit der in RoKKa untersuchten bioökonomischen Produktionsprozesse aus Abwasser. Einer Schlüsselrolle kommt dabei Lachgas (N₂O) zu, da ein Gramm N₂O in 100 Jahren 265-mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie ein Gramm CO₂. Direkte Lachgasemissionen entstehen bei der Abwasserreinigung als Zwischen- und Nebenprodukte der biologischen Stickstoffelimination. Eine innovative Abtrennung und Nutzbarmachung von Stickstoff aus Abwasser birgt demnach auch ein großes Klimaschutzpotenzial.

Projektpartner:     Universität Kassel (FG SWW)
                                Umwelttechnik BW GmbH (Verbundkoordinator)
                                Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
                                Universität Stuttgart (IGVP)
                                TU Kaiserslautern (FG rewa)
                                SolarSpring GmbH
                                Deukum GmbH
                                Nanoscience for life GmbH
                                Stadt Erbach
                                Zweckverband Klärwerk Steinhäule

Laufzeit:                 08.11.2021 - 31.03.2024

Förderung:             Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg
                                Europäischen Union

Projektleitung:       Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck

Links:                      https://www.pure-bw.de/de/rokka-rohstoffquelle-klaeranlage

Das Vorhaben DecS verfolgt die Vision, organische Spurenstoffe möglichst zielgerichtet aus Abwasserströmen zu entfernen und den notwendigen Ressourceneinsatz der zur Verfügung stehenden Technologien zu entlasten (Ozon, PAK, GAK). DecS nutzt dabei den Treiber der Digitalisierung, indem kontinuierlich erfasste Messdaten eines neuen online Sensorsystems intelligent verarbeitet und mit digitalen Modellabbildern vernetzt werden. Dabei erforscht DecS die realen Nachhaltigkeitspotenziale einer digitalisierten Spurenstoffelimination und beantwortet generelle Fragestellungen zur simulationsunterstützten Prozessoptimierung auf wasserwirtschaftlichen Anlagen. Die Machbarkeit der großtechnischen Implementierung wird in digitalen Reallaboren erprobt (Kläranlage Dülmen, Kläranlage Bad Sassendorf), um konkrete Erfahrungen im Zusammenspiel der digitalen Instrumente im Sinne eines Proof of Concept sammeln zu können.

Projektpartner:     Universität Kassel (FG SWW, Verbundkoordination)
                                UNISENSOR Sensorsysteme GmbH
                                ifak e.V. Magdeburg
                                Lippeverband (EGLV)
                                Weber-Ingenieure GmbH

Laufzeit:                 04/2021 - 10/2023

Förderung:            Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
                                Digital GreenTech - Umwelttechnik trifft Digitalisierung

Projektleitung:      Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck / Janna Parniske, M.Sc.

Links:                      Projekthomepage DecS

Bei den derzeit eingesetzten getauchten Membranverfahren zur Abwasserreinigung handelt es sich vorwiegend um statische Verfahren. Die Membranfasern oder -platten werden in einem Rack gebündelt, welches wiederum fest im Reaktor installiert wird. Die benötigte Überströmung zur Kontrolle der Deckschicht wird hauptsächlich über den Eintrag von Luft erreicht. Getauchte Membransysteme benötigen aus diesem Grund im Vergleich zu konventionellen Systemen wesentlich mehr Belüftungsenergie und haben darüber hinaus einen erheblich größeren Reinigungs- und Wartungsaufwand.
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wird eine neuartige Membranentwicklung untersucht, mit dem Ziel durch neuartige Konstruktion mit kurzen Membranfasern und durch Rotation der Fasern, den Flux und den Feststoffgehalt derzeitig eingesetzter Anlagen deutlich zu erweitern. Dies soll bei gleichzeitig niedrigeren Rückspülintervallen und Luftmengen erreicht werden.

Projektpartner:     Universität Kassel (FG SWW)

Förderung:            Eigenmittel

Auf der Kläranlage Achern wird zur weitergehenden Spurenstoffelimination Pulveraktivkohle simultan in die biologische Stufe der Kläranlage dosiert. Neben der Demonstration zur einfachen Implementierung des Verfahrens werden im Rahmen des Vorhabens Betriebseinstellungen erarbeitet, die zur Sicherstellung eines funktionierenden und zugleich wirtschaftlichen Betriebs des Verfahrens auf andere Kläranlagen übertragen werden können. Dies wird unterstützt durch eine simulationsbasierte Beschreibung der relevanten Prozesse. Das Vorhaben gliedert sich in zwei Phasen. In Phase 1 werden Voruntersuchungen im Labor als auch halbtechnischen Maßstab durchgeführt, um Erkenntnisse zur Auslegung der großtechnischen Realisierung des Vorhabens zu erlangen. Mittels einer halbtechnischen Versuchsanlage sollen insbesondere den Fragestellungen zum Pulveraktivkohlebedarf, zur Dosierstrategie sowie zu den Auswirkungen auf die Kapazitätsreserven der biologischen Stufe nachgegangen werden. In Phase 2 wird geprüft, inwieweit sich die Erkenntnisse im großtechnischen Maßstab verifizieren lassen. Zudem wird in dieser Phase die Betriebsweise optimiert. Die beiden Phasen sind zeitlich durch den Bau bzw. den Einbau der technischen Anlagenkomponenten zur Erweiterung der Kläranlage Achern um das Verfahren der simultanen Dosierung von Pulveraktivkohle voneinander getrennt.

Projektpartner:     Universität Kassel (FG SWW)
                                Stadt Achern
                                Weber-Ingenieure GmbH

Laufzeit:                 09/2019 - 06/2023

Förderung:            Landesmittel Baden-Württemberg

Projektleitung:      Prof. Dr.-Ing. Tobias Morck

Im Rahmen von PAKauf wird in halbtechnischen Versuchen eine Adsorptionsstufe mit Pulveraktivkohle im Aufstaubetrieb (PAK-SBR) zur weitergehenden Spurenstoffelimination erprobt. Die Untersuchungen werden unterstützt durch eine simulationsbasierte Beschreibung der Verfahrensprozesse, um unter anderem Fragestellungen zur Optimierung der Zyklusphasen beantworten zu können.

Projektpartner:     Universität Kassel (FG SWW)
                                AZV Unteres Sulmtal
                                Weber-Ingenieure GmbH
                                Kompetenzzentrum Spurenstoffe Baden-Württemberg (KomS)

Laufzeit:                 03/2021 - 02/2022

Förderung:            Landesmittel Baden-Württemberg