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Abwasserreinigungsanlagen (ARA) leisten den zentralen Beitrag zum Schutz der Schweizer Gewässer. Laut Gewässerschutzverordnung (GSchV) sind die Betreiber von ARA verpflichtet, geeignete und wirtschaftlich vertretbare Massnahmen zu treffen, um das Risiko von Gewässerverunreinigungen durch ausserordentliche Ereignisse zu verringern [1]. Zu diesen Ereignissen zählen u. a. Stromausfälle. Deswegen kommt der Notstromversorgung von ARA während eines Ausfalls eine zentrale Rolle zu. ARA-Betreiber sind dazu angehalten, Notstromkonzepte zu erstellen.
Vor dem Hintergrund der aktuellen Stromknappheit ist das derzeitige Risiko von Stromausfällen erhöht. In der erwarteten Strommangellage werden vom Bund drei Massnahmenstufen unterschieden, die durch den Bundesrat via Verordnung aktiviert werden können: So können ab der ersten Stufe Verbrauchseinschränkungen, auf der zweiten Stufe Stromkontingentierungen und auf einer dritten Stufe Netzabschaltungen angeordnet werden [2].
Als versorgungsrelevante Verbraucher wären ARA zwar von Abschaltungen ausgenommen. Allerdings ist dies durch die Einbettung der Anlagen im Stromnetz technisch nicht immer umsetzbar. Daher gewinnt die Notstromversorgungsthematik im Zusammenhang mit der Rolle der Kläranlagen als Grossverbraucher an Bedeutung.
Auf der ARA Gossau-Grüningen im Kanton Zürich, die das Abwasser von rund 14'000 EW inkl. Elimination von Mikroverunreinigungen mittels PAK-Dosierung auf die Filtration reinigt, wurde zum ersten Mal in der Schweiz ein batteriegestütztes Notstromkonzept durch die Planung und Zusammenarbeit von Hunziker Betatech AG, Pflugshaupt Engineering AG und Prolewa Elektro Engineering AG realisiert. Ziel dieses Berichtes ist es, dieses innovative und unkonventionelle Notstromkonzept zu beleuchten und dessen Vorteile und Herausforderungen aufzuzeigen.
Auf der ARA Gossau-Grüningen wurde die alte Trafostation von der lokalen Stromversorgerin, der EGAG, durch zwei moderne 630-kVA-Transformatoren ersetzt. Der dadurch freigewordene Platz ermöglichte die Installation von LiFePO4-Zellen mit einer Speicherkapazität von insgesamt 350 kWh. Sowohl die Transformatoren als auch die Batteriezellen sind Eigentum der EGAG. In einem Vertrag zwischen dem Zweckverband ARA Gossau-Grüningen und der EGAG verpflichtet sich die EGAG, die ARA bei Netzunterbrüchen mit Notstrom zu 0,3 Fr./kWh und mit einer Leistung von maximal 110 kVA ab der Batterie zu versorgen. Für die Installation einer konventionellen Notstromversorgung mittels eines Dieselaggregats wären für die ARA Investitionskosten von rund 150 000 Franken fällig geworden, weshalb sie sich mit dem gleichen Betrag an den Investitionskosten sowie Unterhaltskosten für die Batterieanlage in jährlichen Ratenzahlungen an EGAG beteiligt.
Die ARA Gossau-Grüningen und die Pumpwerke im Kanalnetz haben unter Normalbetrieb einen Leistungsbedarf von ungefähr 180 kW. Die ARA verfügt über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer elektrischen Leistung von 45 kW zur Verwertung des vor Ort produzierten Klärgases sowie über eine Photovoltaik-(PV-)Anlage mit einer elektrischen Leistung von bis zu 71 kW.
Während Normalnetzbetrieb ist der Vollbetrieb der ARA möglich, wobei die Energieproduktion aus BHKW und PV direkt genutzt und die restlich benötigte Leistung aus dem Stromnetz bezogen wird. Im Normalnetzbetrieb wird die Batterie getrennt von der ARA von der EGAG genutzt, mit dem Ziel, die Batterie wirtschaftlich optimal im Strommarkt zu integrieren und mit Peak Shaving und Bereitstellung von Regelenergie zur Netzstabilität beizutragen.
Für die Integration der Batterie ins Notstromkonzept der ARA gibt es einen steten Informationsaustausch zwischen ARA und EGAG. Von der EGAG werden Informationen über den Netzbetrieb (Netzspannung), Batteriebetrieb (Batteriespannung) sowie Ladezustand-Signale wie «Batterie bald leer» auf das Prozessleitsystem der ARA übermittelt. Von der ARA wird die aktuelle Leistung des BHKW, der PV-Anlage sowie die Füllmenge des Gastanks an die EGAG übermittelt.
Bei einem Stromnetzausfall wird das Signal «Netzbetrieb» von einem Netzausfalldetektor von der EGAG automatisch auf «Notbetrieb» umgeschaltet. In diesem Fall schaltet die ARA automatisch auf einen reduzierten Betrieb (hier gibt es priorisierte Abstufungen) und kann von der EGAG nur noch maximal 110 kVA beziehen (wie vertraglich festgehalten). In diesem reduzierten Betrieb werden vom Prozessleitsystem der ARA nur noch notstromberechtigte Anlagenteile zugeschaltet. Das beinhaltet alle Aggregate, die zwingend nötig sind, um Schäden auf der ARA oder im Einzugsgebiet zu verhindern und das Abwasser sicher abzuleiten. Auch das Pumpwerk Rosriet im Kanalnetz ist notstromberechtigt und wird weiterbetrieben, um den Überlauf von Abwasser ins Gewässer zu verhindern. Der Zulaufschieber der ARA wird automatisch in eine Drosselstellung für 2 Qtw gebracht, damit die Anlage unter dem reduzierten Betrieb nicht überlastet wird. Das Abwasser läuft im Notbetrieb vom Zulauf bis zum Ablauf der Nachklärung weiterhin durch die ARA und wird über den Bypass der Sandfiltration in das Gewässer geleitet. Bei einer hydraulischen Überlastung der ARA beim Zulauf wird das überschüssige Wasser über das Regenbecken und über einen einfachen Siebrechen in das Gewässer geleitet.
Während des Notbetriebs wird die eigene Stromproduktion von PV und BHKW direkt genutzt. Falls diese Leistung für den reduzierten Betrieb nicht ausreicht, stellt die Batterie die restlich benötigte Leistung zur Verfügung. Falls die Eigenproduktion den Leistungsbedarf der ARA übersteigt, kann die Batterie geladen werden. Während des Inselbetriebs ist somit ein hybrider Betrieb der Batterie und der Eigenproduktion möglich. Zudem kann dann die EGAG auf die Steuerung des BHKW und der PV-Wechselrichter zugreifen und die Leistung nach Bedarf regulieren.
Für längere Stromunterbrüche verfügt die EGAG über einen mobilen 220-kVA-Dieselgenerator, der auf dem ARA-Gelände an das System angeschlossen werden kann. Durch den Austausch von Daten über den Batteriespeicherstand und die Eigenproduktion auf der ARA kann bestimmt werden, ab wann es notwendig ist, den Dieselgenerator zu aktivieren. Zudem können entsprechende Massnahmen mit genügend Vorlaufzeit vorbereitet werden.
So weit die Theorie. Im Dezember 2022 wurde der Ernstfall bei laufendem Betrieb getestet. Der Testlauf für das Notstromkonzept war ein durchschlagender Erfolg. Das Team der ARA Gossau und die EGAG testeten zunächst die Fähigkeit des Systems, automatisch in den Notnetzbetrieb umzuschalten, indem die ARA manuell vom Stromnetz getrennt wurde. Das Prozessleitsystem wechselte innert 30 Sekunden automatisch auf Notnetzbetrieb, nicht notstromberechtigte Anlagenteile wurden umgehend von der Stromversorgung getrennt. Zudem wurde das BHKW auf seine maximale Leistung hochgefahren. Trotz der geringen Leistung der PV-Anlage aufgrund der bedeckten Wetterlage konnte die Batterie problemlos die restliche benötigte Leistung erbringen und somit einen stabilen Notbetrieb aufrechterhalten. Nach zwei Stunden Inselbetrieb wurden die ARA und die Batterie unterbruchsfrei ans Stromnetz zurücksynchronisiert.
Der Unterhalt aller Anlagenkomponenten einer Kläranlage stellt für die Betreiber einen erheblichen Aufwand dar. Beim Notstromkonzept der ARA Gossau besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass die Wartung des Batteriespeichers durch die EGAG durchgeführt und somit das ARA-Personal entlastet wird. Zudem kann die Batterie gleichzeitig für die externe Netzstabilisierung sowie die Notstromversorgung eingesetzt werden, wodurch die Anlage stets betrieben wird, einen Nutzen erbringt und nicht nur auf Abruf bereitsteht wie ein konventionelles Notstromaggregat. Aufgrund des stets verfügbaren Netzes erfolgt der Wechsel vom Normalbetrieb in den Inselbetrieb nicht schlagartig. Deshalb nehmen sensible Installationen wie Frequenzumrichter (FU) nicht so schnell Schaden, wie es bei einer konventionellen Notstromversorgung und beim abrupten Abschalten von Anlageteilen häufig der Fall sein kann. Darüber hinaus ermöglicht die Batterie einen emissionsarmen Notbetrieb, sofern ein Stromausfall nur von kurzer Dauer ist und das Dieselaggregat nicht zugeschaltet werden muss.
Die Batterie ist grundsätzlich für 5000 Vollzyklen ausgelegt. Auch wenn täglich ein Zyklus gefahren würde – was unwahrscheinlich ist –, ist mit einer Lebensdauer von knapp 14 Jahren zu rechnen. Nach Ablauf dieser Dauer ist die Situation neu zu beurteilen, entsprechend der noch vorhandenen Restkapazität der Batterie.
Von Vorteil für die Realisierung des Projekts in der ARA Gossau-Grüningen war der viele ungenutzte Platz in der Trafostation. Zudem haben die engen Beziehungen und Synergien zwischen der ARA und der EGAG das Projekt für beide Parteien zu einem beispiellosen Erfolg geführt.
Das erfolgreich umgesetzte Innovationsprojekt konnte die Machbarkeit einer Notstromversorgung mittels Batterie demonstrieren. Zudem werden im Betrieb laufend wertvolle Erfahrungen gesammelt, was eine Chance zur Entwicklung guter Lösungen mit einem erweiterten Variantenspektrum bezüglich Notstromkonzepten, aber auch optimiertem Energiemanagement der ARA bietet. Ein Vorhersage-Tool zur optimalen Nutzung der eigenen Energieproduktion im Insel- sowie im Parallelbetrieb unter Einbezug von Wetterdaten ist in Entwicklung. Darüber hinaus wird die Symbiose und Zusammenarbeit zwischen ARA und Energieversorgerin gefördert.
[1] Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (2022): Informationen für Zürcher ARA-Betreiber zur Strommangellage. www.ara.zh.ch
[2] OSTRAL (2021): Eine gute Vorbereitung lohnt sich – Informationen der OSTRAL für Grossverbraucher. www.ostral.ch
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