Felix: Auf Entdeckungstour im Kraftwerk Kläranlage

An einem schönen Sommerabend fliegt Felix noch mit seinem Modellflugzeug ein paar Kunststücke.

Jetzt ist der Akku bei meinem Flugzeug schon wieder leer.
Es wird ohnehin schon langsam dunkel. Laden wir die Akkus einfach über Nacht wieder auf. Morgen sind dann auch deine eigenen Akkus wieder voll, du bist du wieder fit und kannst wieder fliegen.

Ich habe ja gar keine Batterien.   
Deine Körperzellen brauchen auch Energie, wie bei jedem Lebewesen.

Auch der Vogel?
Ja.

Und das Reh und der Wal und der Baum und…?
Ja, sicher, alle.

Die Bakterien in der Kläranlage auch?
Die natürlich auch.

Wo bekommen sie ihre Energie?
Aus dem Abwasser und den enthaltenen Nährstoffen. Das ist die Nahrung für die Bakterien. Daraus gewinnen sie unter anderem ihre Energie, die sie zum Überleben benötigen. Du musst ja auch jeden Tag etwas essen.

Und wenn ich was esse, haben die Bakterien auch was davon!
Wie meinst du das?

Na ja, wenn ich viel esse und trinke, muss ich auch ganz oft aufs Klo gehen. Was da so hineinplumpst, bekommen die Bakterien in der Kläranlage.
Abwasser hat tatsächlich einen nicht unbedeutenden Energieinhalt. Aus dem Anteil organischer Stoffe im Abwasser, die im chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) erfasst sind, ergibt sich ein theoretisches Energiepotential je Einwohner und Jahr, mit dem eine durchschnittliche Familie ihren elektrischen Energiebedarf für 2–3 Wochen decken könnte. Darüber hinaus liefern wir auch noch im Durchschnitt 0,66 kg Phosphor und 4 kg Stickstoff.

Dann bin ich die Batterie für die kleinen Tierchen.
Du, wir und alle anderen füttern sie.

Ist das eigentlich viel Energie, die da im Wasser steckt?
Es ist zu bedenken, dass man die Energie nur zu einem geringen Teil nutzen kann. Die Kläranlage braucht ja selbst auch Energie – so zwischen 20 bis mehr als 50 kWh in einem Jahr je Einwohner. Der Großteil davon wird für die Belüftung der biologischen Reinigungsstufe benötigt. Dort wandeln die Bakterien die Stickstoff-haltigen Verbindungen zu Stickstoffgas um. Bei diesem Prozess geht auch ein erheblicher Anteil der chemischen Energie verloren, da gleichzeitig Kohlenstoff zu Kohlendioxid umgewandelt wird. Der verbleibende Kohlenstoff wird im Faulturm zum Teil in Methangas umgewandelt. Das nutzen heute viele Kläranlagen, um Wärme und auch elektrischen Strom zu produzieren. Die so gewonnene Elektrizität entspricht dann im Endeffekt nur maximal 10 % des theoretischen Energieinhalts des Abwassers.

Das ist nicht so viel, oder?
Manche Kläranlagen decken damit zumindest den eigenen Strombedarf. Immer mehr Anlagen machen sich Gedanken, wie sie Energie sparen und möglichst viel Energie aus dem Prozess gewinnen können. Das erfordert aber ein grundsätzliches Umdenken: Das Ziel des Belebtschlammverfahrens, dem Herzstück jeder modernen Kläranlage, ist es ja nicht, möglichst wenig Energie zu verbrauchen, sondern die organischen Verunreinigungen mit Hilfe der Bakterien in einem hohen Grad zu mineralisieren.

Kann man den Bakterien nicht beibringen, andere Stoffe zu erzeugen?
Das nicht unbedingt, aber man kann die Bedingungen und Prozesse so ändern, dass aus anderen biochemischen Prozessen energetisch nutzbare Stoffe erzeugt werden.

Das klingt aber kompliziert!
Das ist es gar nicht. Das Ziel ist es, im Faulturm unter anaeroben Bedingungen, also ohne Sauerstoff, möglichst viel Methan zu erzeugen. Dafür brauchen die Mikroorgansimen Kohlenstoff. Daher überlegt man sich Konzepte, wie möglichst viel Kohlenstoff am Beginn der Anlage im Bereich der Vorklärung oder in einer ersten Stufe in Richtung Faulturm ausgeschleust werden kann.

Da werden sich die Bakterien im Faulturm aber freuen!
Das stimmt und noch mehr die Betreiber der Kläranlage. Wenn diese Prozessführung gelingt, wird in der aeroben Stufe …

Das ist dort, wo es so schön blubbert, oder?
Ja genau, das ist genau dort. Es wird weniger Sauerstoff benötigt und damit weniger Energie für die Belüftung.

Ohje, dann blubbert es nicht mehr so schön!
Keine Angst, die Bakterien brauchen noch immer genug Luft, um die Stickstoffverbindungen abzubauen. Man muss daher aufpassen, dass auch die aeroben Bakterien nicht zu kurz kommen.

Teilen, teilen das macht Spaß, wenn man teilt hat jeder was!
So ist es, wenn der Kohlenstoff optimal aufgeteilt wird, funktioniert der Stickstoffabbau weiterhin und gleichzeitig verbessert sich die Energiebilanz. Und wir können sogar einen Beitrag dazu leisten: Fällmittel können Kläranlagen unterstützen, dass sie mehr Energie selbst erzeugen können.

Warum denn das?
Berechnungen des schwedischen Instituts IVL (Johansson, Nilsson, & Rahmberg, 2025) haben gezeigt, dass der gezielte Einsatz von Fällungsmittel in der Vorklärung, einerseits den CO2-Fußabdruck der Kläranlage verringern und gleichzeitig die Energiebilanz verbessern kann. Die Vorfällung entlastet die Belebung durch die Umleitung organischer Fracht in den Faulturm, In der Belebung wird dadurch weniger Belüftungsenergie benötigt und im Faulturm mehr Methangas produziert. Die Unterschiede sind im Vergleich zur reinen biologischen Phosphorentfernung (Bio-P) besonders gut erkennbar. In der Studie von IVL schnitt die Vorfällung am besten ab, gefolgt von der Simultanfällung und der Bio-P. Natürlich hängt das von den örtlichen Gegebenheiten ab: Die Anlage muss über eine Schlammfaulung und eine Vorklärung verfügen und auch ausreichend organische Fracht, also Kohlenstoff, die man zumindest teilweise in der Vorklärung abtrennen kann, ohne die Belebung auszuhungern.

Was kann man machen, wenn nicht mehr Kohlenstoff da ist?
Kläranlagen mit Faultürmen setzen vermehrt auch geeignete organische Reststoffe ein, zum Beispiel Küchenabfälle, Rückstände aus Fettabscheidern und andere. Diese enthalten meist leicht abbaubare Verbindungen, die rasch zu Methan umgewandelt werden können.

Da können die Methanbakterien so richtig viel Biogas produzieren!
Stimmt und dadurch steigt auch die Stromproduktion. Allerdings können sich beim Einsatz von diesen Cofermentaten auch diverse Problemen ergeben, die die Klärwärter mit geeigneten Maßnahmen in den Griff bekommen müssen. So können die Reststoffe größere Mengen Schwefel enthalten, der als Schwefelwasserstoff ins Biogas gelangt.

Pfui, das Biogas wird aber schön stinken!
Der Schwefelwasserstoff wäre bei den Konzentrationen schon geruchlos und sehr gefährlich. Bei der Biogasverwertung würde es aber zu Schäden im Gasmotor führen und das kostet wirklich viel Geld. Glücklicherweise können wir zur Entfernung dieses schädlichen Gases beitragen – mit unseren Donau Bellamethan etwa und auch mit der Aktivkohle der Donau Carbon. So kann der Energieproduktion auf der Kläranlage nichts mehr im Weg stehen.

Immer öfter nutzen Kläranlagen auch die Wärmeenergie, die im Abwasser selbst steckt. Abwasser hat eine relativ konstante Temperatur. Dies kann man sich mittels Wärmepumpen nutzbar machen und so Wärme für die Kläranlage selbst oder als Fernwärme für benachbarte Siedlungen nutzen. Da diese Wärme als erneuerbare Energie gilt, würde das zu geringeren CO2 Emissionen führen. Für die Steiermark hat man zum Beispiel ein Potential von mehr als 500 GWh pro Jahr berechnet (Mach und Partner ZT-GmbH, 2022), wenn Kläranlagen mit einer Größe von mehr als 5.000EW und im Nahbereich von Siedlungen in der Steiermark mit Wärmerückgewinnung ausgestattet würden. Die Berechnung gilt für eine Temperaturabsenkung im Abwasser von 5°C. Das Einsparungspotential für Treibhausgase wird mit 47.000 t CO2-eq/a geschätzt. Dabei ist der Strombedarf der Wärmepumpe mitberücksichtigt. Denn für jede Energiegewinnung muss man auch Energie hineinstecken. Wäre das nicht der Fall, hätte man ein Perpetuum Mobile. Da spielen aber die Gesetze der Physik nicht mit und daher gibt es solche Maschinen nur in der Phantasie.

Von nix kommt nix!
So ist es. Generell kann ich entsprechend den thermodynamischen Gesetzen Energie weder gewinnen noch vernichten, ich kann Energie nur in andere Energieformen umwandeln. So könnte ich zum Beispiel Strom, also elektrische Energie nutzen, um Wasserstoff zu erzeugen. Im Wasserstoff steckt dann chemische Energie, die ich wieder in Wärme verwandeln und damit wieder Strom produzieren könnte.

Entsteht nicht auch Wasserstoff, wenn man ein Metall in eine Säure gibt?
Genau, das ist schon lange bekannt: schon Paracelsus hat im Jahr 1530 beschrieben, dass beim Auflösen von Eisen in Schwefelsäure ein Gas entsteht. 1650 beschrieb Sir Turquet de Mayerne, dass das Gas brennbar ist – er nannte das „brennbare Luft“. Und um 1700 erkannte Nicolas Lemery dass das Gas explosionsartig an Luft reagieren kann.

Wumm! So wie der Luftballon im Chemieunterricht.
Nicht umsonst ist das in der Chemie als Knallgasreaktion bekannt. Übrigens beim Paracelsus Experiment entstand Eisensulfat, hätte er Salzsäure verwendet, wäre Eisenchlorid entstanden. Er hat damit ein Fällungsmittel erzeugt, auch wenn diese Anwendung im 16. Jahrhundert noch nicht relevant war.

Auf alle Fälle sollte jeder entsprechend vorsichtig mit Wasserstoff umgehen. Für ein Wasserstoff-Luftgemisch ist der Explosionsbereich mit 4 %–76 % sehr breit und die nötige Zündenergie mit 0,017 bis 0,02 mJ (Millijoule) sehr gering und damit auch um ein Vielfaches geringer als die von Methan mit 0,28 mJ. Ein kleiner Funke oder sogar statische Aufladung genügt …

Wumm!
Daher sorgen wir bei unserer Eisenchloridanlage auch dafür, dass die Säure nicht mit Metall in Berührung kommt, um eben zu verhindern, dass es knallt.

Dann betreibe ich mein Modellflugzeug lieber nicht mit Wasserstoff. Gibt es keine Abwasserbatterie?
Theoretisch so was ähnliches – eine mikrobielle Brennstoffzelle zum Beispiel.

Cool, gibt es die schon für Modellflugzeuge?
Die Technologie ist noch weit vom Praxiseinsatz entfernt. Aus heutiger Sicht sind die erreichbaren Stromdichten zu gering.

Schade, das wäre sehr praktisch gewesen und ich müsste nicht so lange warten, bis der Akku wieder voll ist. Ich müsste nur schnell aufs Klo gehen.
 
 

Verweise

Johansson, K., Nilsson, L., & Rahmberg, M. (2025). Carbon footprint assessment of chemical and biological phosphorus removal. IVL Swedish Environmental Research Institute ltd. INCOPA.

Mach und Partner ZT-GmbH. (2022). ABWASSERWÄRMEPOTENZIAL STEIERMARK Endbericht. Graz: Land Steiermark, Abteilung 14, Wasserwirtschaft, Ressourcen und Nachhaltigkeit.
 
Titelbild erstellt mit Unterstützung von ChatGPT (KI-generiert).