KA Bersenbrück - KSF BSB - Energie-Konzept_V1.10_geschwärzt.pdf

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Energie-Konzept

Projekt-Titel:

Anlagenerweiterung Klärschlammfaulung am Standort KA-Bersenbrück

Auftraggeber / Verwaltungssitz:

Wasserverband Bersenbrück Priggenhagener Straße 65 D-49593 Bersenbrück, Deutschland

Projekt-Anschrift:

Kläranlage Bersenbrück Im Alten Dorfe 16 D-49593 Bersenbrück, Deutschland

Version 1.10 05.09.2026

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Kläranlage BSB - Energie-Konzept für den Kläranlagen-Standort Bersenbrück Version 1.10

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Inhalt

1. Versionshistorie ........................................................................................................................................ - 4 -

2. Glossar ....................................................................................................................................................... - 4 -

3. Anlagenbeschreibung (Bestand) .............................................................................................................. - 5 -

4. Anlagenbeschreibung (geplante Standorterweiterung) .......................................................................... - 6 -

5. Aufgabenstellung ...................................................................................................................................... - 7 -

6. Bestandsaufnahme ................................................................................................................................... - 8 -

7. Leistungsbedarf und Lastgangkurven der Kläranlage .............................................................................. - 9 -

7.1. Leistungsbedarf der biologischen Reinigungsstufe (Bestand): ........................................................... - 9 -

7.2. Leistungsbedarf der Klärschlammfaulung (Anlagenerweiterung): ..................................................... - 9 -

7.3. Leistungsbedarf des Hauptpumpwerkes Bersenbrück (Anlagenerweiterung) .................................. - 9 -

8. Analyse des Energiebedarfs am Standort .............................................................................................. - 10 -

9. Prognose des Energiebedarfs am Standort inkl. der Anlagenerweiterung ........................................... - 12 -

10. Dynamisches Lastverhalten der Kläranlage ...................................................................................... - 14 -

10.1. Dynamisches Lastverhalten der biologischen Reinigungsstufe (Bestand): ................................. - 14 -

10.2. Dynamisches Lastverhalten der KSF (Anlagenerweiterung): ....................................................... - 14 -

10.3. Dynamisches Lastverhalten des HPW (Anlagenerweiterung): .................................................... - 14 -

11. Resultierender Energiebedarf des Gesamt-Standortes .................................................................... - 15 -

12. Einordnung der benötigten Gasmengen ........................................................................................... - 16 -

13. Gasspeicher-Management ................................................................................................................. - 16 -

14. Einschätzung des Gasspeicher-Volumens ......................................................................................... - 18 -

15. Überschüssige Gasmengen ................................................................................................................ - 19 -

16. Thermischer Energiebedarf des Standortes ...................................................................................... - 20 -

17. Einschätzung des Wärmespeicher-Volumens ................................................................................... - 21 -

18. Energiefluss-Diagramm der KA Bersenbrück - (Planungsstand 08/2026) ........................................ - 22 -

19. Betriebsweise der BHKWs ................................................................................................................. - 23 -

20. Analyse der 15min Leistungsdaten und Einfluss auf die BHKW-Betriebsweise ............................... - 26 -

21. Optimierungsansatz für den BHKW-Betrieb ..................................................................................... - 28 -

22. Analyse der BHKW-Taktung und Einfluss eines Batteriespeichers ................................................... - 29 -

23. Auslegung des Batteriespeichers ....................................................................................................... - 32 -

24. Resultierende Lastgang-Kurve des BHKW ......................................................................................... - 33 -

25. Optimierungspotential des Energie-Management-Systems ............................................................. - 34 -

26. Bewertung der Batterie-Auslegung ................................................................................................... - 36 -

27. Energiefluss-Diagramm der KA Bersenbrück inkl. Batteriespeicher - (Planungsstand 09/2026) .... - 37 -

28. Transformator-Auslastung und EVU-Bezug ....................................................................................... - 38 -

29. Zusammenfassung und Empfehlung ................................................................................................. - 40 -

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1. Versionshistorie

In der folgenden Tabelle werden Änderungen der Leistungsbeschreibung vermerkt:

2. Glossar

AG - Auftraggeber AN - Auftragnehmer BGA - Biogasanlage BHKW - Blockheizkraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung) BSB - Bersenbrück EMS - Energie-Management-System EMSR - Elektro-, Mess-, Steuer- und Regel-Technik EW - Einwohnerwerte (Mengen-Äquivalent) HPW - Haupt-Pump-Werk IBN - Inbetriebnahme IOs - Inputs and Outputs (Eingänge und Ausgänge) einer SPS KA - Kläranlage KSF - Klärschlammfaulung kWel - kilo-Watt elektrische Leistung MWel - Mega-Watt elektrisch Leistung NEA - Netzersatzanlage NSHV - Niederspannungshauptverteilung SoC - State of Charge / Ladezustand einer Batterie in % SPS - speicherprogrammierbare Steuerung eines Automatisierungssystems PLS - Prozessleitsystem PV - Photovoltaik USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung OT - Operations-Technologie (Automatisierungstechnik) IT - Informations-Technologie

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3. Anlagenbeschreibung (Bestand)

Der Kläranlagen Standort Bersenbrück in der Straße Im Alten Dorfe 16, 49593 Bersenbrück (Ortsteil Hertmann-Lohbeck) nutzt eine dreistufige Reinigungstechnologie, die sich in mechanische, kontrolliert biologische und chemische Reinigungsverfahren unterteilt. Die Anlage verfügt über eine Ausbaugröße von 28.000 Einwohnerwerten (EW) bei einer mittleren Auslastung von rund 21.000 EW. Die technische Infrastruktur ist für die Verarbeitung einer täglichen Abwassermenge von nominell 2.800 m³ pro Tag ausgelegt. Für die mechanische Vorreinigung ist unter anderem ein belüfteter Sandfang mit einer Länge von 23 m und einem Gesamtvolumen von 161 m³ integriert. Ziel des Anlagenbetriebs ist die weitgehende Entfernung von Nährstoffen, wobei verfahrenstechnisch eine Reinigungswirkung von 99 % bei Kohlenstoffverbindungen, 98 % bei Stickstoff und 95 % bei Phosphor erzielt wird. Der im Prozess anfallende Überschuss- und Primärschlamm wird über ein statisches Trichterbecken (Voreindicker) mit einem Volumen von 96 m³ geführt. Die anschließende maschinelle Schlammeindickung erfolgt über eine Zentrifuge auf einen Trockensubstanzgehalt (TS) von 5 % bis 7 %. Für die Zwischenlagerung des entwässerten Schlamms stehen zwei Schlammspeicher mit einer Höhe von jeweils 7,65 m, einem Durchmesser von 20 m und einem Gesamtfassungsvermögen von 2x 2.500 m³ zur Verfügung.

Abb.2: Luftbild der Kläranlage Bersenbrück

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4. Anlagenbeschreibung (geplante Standorterweiterung)

Die zukünftige energetische Verwertung und Stabilisierung des Klärschlamms soll im Zuge einer geplanten Standorterweiterung über den Neubau einer zentralen Faulungsanlage mit einem beheizten Faulturm (geplantes Volumen: 2.400 m³) realisiert werden. Dieser neue Anlagenkomplex ist als zentraler Verwertungsknoten für den Raum Bersenbrück konzipiert und wird zu diesem Zweck mit einer gesonderten Fremdschlamm-Annahmestation ausgestattet. Über diese Station sollen externe Klärschlämme aus umliegenden Standorten – insbesondere von den Kläranlagen Fürstenau und Neuenkirchen – logistisch angeliefert, in den Prozess integriert und gemeinsam mit dem Landesschlamm der Co-Vergärung zugeführt werden. Zur Zwischenspeicherung und kontinuierlichen Bereitstellung des im zukünftigen Ausfaulprozess entstehenden Klärgases sieht die Planung die Errichtung eines großdimensionierten Gasbehälters (Gasspeichers) sowie einer automatischen Biogasfackel zur Notfall-Gasverbrennung vor. Zur energetischen Verwertung des Faulgases ist der Einsatz von Blockheizkraftwerken (BHKWs) als hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vorgesehen. Die BHKWs werden verfahrens-technisch so ausgelegt, dass sie idealerweise in den Hochlastphasen der Belüftung unter Volllast gefahren werden können. Damit soll einerseits die thermische Grundlast zur Beheizung des neuen Faulturms (konstant ca. 37 °C) gesichert und andererseits die elektrische Aggregate-Last insbesondere der Belüftungsphase abgedeckt werden, um eine weitgehende Eigenversorgung mit Strom und Wärme des Gesamtstandortes zu erreichen.

Abb.3: Lageplan (Gelb hinterlegt die geplante Erweiterung)

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5. Aufgabenstellung

Im Folgenden sollen die Rahmenbedingungen für die Betriebsweise der BHKWs und das Energie- management am Standort der Kläranlage Bersenbrück erarbeitet werden.

Vor dem Hintergrund der angestrebten Energieautarkie des Wasserverbandes Bersenbrück ist zu prüfen, inwieweit die BHKW-Anlage als hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung in ein intelligentes Lastmanagement integriert werden kann. Da die Kläranlage durch die Schlammzentralisierung zu einem Energieknotenpunkt ausgebaut wird, müssen die Schnittstellen zwischen Gasproduktion, Gasspeicherung und Energieverbrauch dynamisch aufeinander abgestimmt werden. Das zu erarbeitende Energie-Konzept soll als Entscheidungs- grundlage für die elektrotechnische Einbindung, die Mess- und Regelungstechnik (MSR) sowie für den wirtschaftlichen Nachweis im Rahmen der nationalen Klimaschutzinitiative dienen.

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6. Bestandsaufnahme

Netzanschluss und Energieverteilung Am Standort der Kläranlage Bersenbrück besteht ein Mittelspannungsanschluss an das vorgelagerte Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU). Die Transformation auf die Niederspannungsebene erfolgt über einen standorteigenen Transformator mit einer Scheinleistung von 630 kVA, welcher betriebssicher in einem separaten Schaltraum des Hauptgebäudes untergebracht ist. Von dort aus erfolgt die Zuordnung und Verteilung der elektrischen Bezugsleistung über die Niederspannungshauptverteilung (NSHV). Neben den administrativen und infrastrukturellen Gebäudeteilen wird die verfahrenstechnische Schaltanlage für die Klärtechnik direkt aus der NSHV gespeist. An dieser Schaltanlage sind zwei Umrichter- betriebene Belüftungsgebläse als Hauptverbraucher mit jeweils 75 kW Nennleistung angeschlossen. Diese hocheffiziente Gebläse-Generation dient der energetischen Optimierung der biologischen Reinigungsstufe (Belebungsbecken). In den Belüftungsphasen der Gesamtanlage laufen beide Aggregate parallel. Für die verfahrenstechnische Auslegung und die Lastgangbetrachtung kann davon ausgegangen werden, dass beide Gebläse zeitgleich einen Leistungsbedarf annähernd ihrer Nennleistung aufweisen:

• Leistung der Belüftungsgebläse: 2x 75kW (Nennleistung) = 150kW Gesamtlast im Belüftungsfall

Regenerative Eigenversorgung (Photovoltaik) Zur Teilkompensation der kontinuierlichen Grundlast wurden am Standort zwei Photovoltaikanlagen als Dachanlagen errichtet:

• PV-Eigenversorgungsanlage (40 kWp): Diese Anlage dient ausschließlich der direkten Versorgung des Standortes vor Ort und verfügt über keinen Einspeisezähler. Es ist davon auszugehen, dass die gesamte erzeugte Photovoltaikenergie der 40 kWp Anlage technisch zur Deckung des Eigenbedarfs verwendet wird, da der Energiebedarf im Normalfall (nach dem Zubau der Klärschlammfaulung) die Erzeugung dieser PV-Anlage zu jedem Zeitpunkt übersteigt.

• PV-Überschuss-Einspeiseanlage (99 kWp): Bei dieser Anlage wird die erzeugte PV-Energie teilweise unmittelbar am Standort selbst verbraucht und teilweise als Überschuss in das Netz des Energie- versorgungsunternehmens (EVU) eingespeist. Die erzeugten Energiemengen werden über einen separaten 4-Quadranten-Erzeugungszähler erfasst. Die Abwicklung der Überschusseinspeisung erfolgt im Rahmen einer kaufmännisch-bilanziellen Verrechnung der eingespeisten Energiemenge mit dem Eigenverbrauch des Standortes. In einzelnen Betriebssituationen kann die momentane Leistungserzeugung der Photovoltaikanlage den aktuellen Leistungsbedarf der gesamten Anlagentechnik kurzfristig übersteigen. Die hierbei erzeugte überschüssige elektrische Energie wird in das EVU-Netz eingespeist. Diese Überschusseinspeisung wird durch die EVU-Zähleinrichtung gesondert erfasst und dokumentiert.

Notstromversorgung und Regelleistung Für den Fall eines Netzausfalls (Schwarzfall) betreibt der Wasserverband Bersenbrück am Standort ein modernisiertes Notstromaggregat mit einer Leistung von 434 kVA. Diese Auslegung stellt sicher, dass neben der kritischen Steuerungstechnik auch die großdimensionierten Belüftungs- und Pumpenaggregate im Inselbetrieb nahtlos weiterversorgt werden können. Über den reinen Havarie-Betrieb hinaus ist die Notstromanlage über eine entsprechende Steuerungs- Schnittstelle energiewirtschaftlich eingebunden: Der Generator steht dem Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) im Rahmen des Energiemanagements zur Bereitstellung von Regelenergie zur Verfügung. Damit leistet der Standort einen aktiven Beitrag zur Netzstabilität im regionalen Verteilnetz und generiert zusätzliche Erlöse durch die Bereitstellung von Vorhalteweise-Leistung.

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7. Leistungsbedarf und Lastgangkurven der Kläranlage

7.1. Leistungsbedarf der biologischen Reinigungsstufe (Bestand):

Zur Ermittlung des elektrischen Leistungsbedarfes am Standort der Kläranlage Bersenbrück wurden Lastgangkurven aus den Datenaufzeichnungen vom 30.08.2021 herangezogen. Nach Aussage des Betriebsleiters handelt es sich dabei um einen repräsentativen Lastgang der Bestandsanlage.

Abb.4: Lastgang-Kurve des Klärwerkes vom 30.08.2021

Aus dem in Abb.4 gezeigten Lastgang lassen sich folgende Werte ableiten:

Grundlast des Klärwerks: 20,0kW (im Mittel)

Bezugsleistungs-Peak des Klärwerks: 158,0kW (laut Lastgangkurve)

Die gemittelte Tages-Leistung des Klärwerks: 62,9kW (ermittelt aus einem Datensatz von 08/2025 bis 07/2026)

7.2. Leistungsbedarf der Klärschlammfaulung (Anlagenerweiterung):

Zur Ermittlung des elektrischen Leistungsbedarfes der Klärschlammfaulung wurden die Nennleistungen der Aggregate und Maschinen der geplanten Anlagenerweiterung zusammengetragen. Über entsprechende Reduktions- und Gleichzeitigkeitsfaktoren wurden Prognosen für den mittleren- und den Peak-Leistungs- Bedarf im Normalbetrieb der Klärschlammfaulung aufgestellt.

Prognose für Leistungsbedarf der Klärschlammfaulung: 39,1kW (im Mittel)

Bezugsleistungs-Peak der Klärschlammfaulung: 89,0kW (laut Lastgangkurve)

Details zur Leistungsermittlung finden sich im Dokument: KA Bersenbrück - KSF BSB - Ermittlung der Nennleistung - Stand 2026-08-07.pdf

7.3. Leistungsbedarf des Hauptpumpwerkes Bersenbrück (Anlagenerweiterung)

Das Hauptpumpwerk Bersenbrück liegt in ca. 300 m Entfernung zur Kläranlage und soll in der zweiten Jahreshälfte 2026 vom Netzanschlusspunkt der Kläranlage mitversorgt werden. Am Pumpwerk selbst sind zwei Pumpen mit einer Anschlussleistung von jeweils 5,9 kW installiert. Die Pumpen schalten im Normalfall an Trockentagen im Wechsel einzeln Füllstand-gesteuert zu bzw. ab je nach Zulaufmenge zum Pumpenschacht. Bei Starkregenereignissen können beide Pumpen parallel permanent unter Volllast in Betrieb gehen.

Leistungsbedarf des Hauptpumpwerkes: 5,9kW (im Abpumpvorgang)

Peak- Leistungsbedarf des Hauptpumpwerkes: 11,8kW (bei starken Regenfällen)

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8. Analyse des Energiebedarfs am Standort

Im Folgenden wird der Energiebezug (Netzbezug) am Standort Bersenbrück zeitlich, saisonal und statistisch analysiert. Dazu wird ein aktueller Datensatz, der freundlicherweise vom Wasserverband bereitgestellt wurde, untersucht.

Folgende Rahmenbedingungen treffen auf diesen Datensatz zu: o Zeitraum des Datensatzes: 08/2025 bis 07/2026 o Daten-Granularität: Zählerwerte pro Tag / 24h Intervall o Berücksichtig wurde folgende Situation: ▪ der Energiebezug des Standortes ▪ die PV-Anlage zur Eigenversorgung ▪ die PV-Anlage mit Überschusseinspeisung ▪ -> daraus wurde der resultierende Energiebezug auf Tageswert-Basis berechnet

Zeitliche Verteilung des resultierenden Energiebezugs Die Analyse des resultierenden Netzbezugs zeigt einen ganzjährig vorhandenen und vergleichsweise stabilen Energiebedarf am Standort Bersenbrück. Der tägliche Bezug aus dem EVU-Netz liegen in einem Bereich zwischen 1018 kWh/Tag und 2.287 kWh/Tag. Das statistische Mittelwert liegt bei rund 1.508,8 kWh/Tag und die Standard-Abweichung liegt bei 237,3 kWh/Tag. Die höchsten Netzbezugswerte treten überwiegend in den Wintermonaten auf. Ursache hierfür ist die deutlich reduzierte Energieerzeugung der PV-Anlage während der dunkleren Jahreszeit. Gleichzeitig bleibt der Energiebedarf des Standorts weitgehend konstant, sodass ein größerer Anteil der Energie aus dem öffentlichen Netz gedeckt werden muss. In den Frühlings- und Sommermonaten reduziert sich der Netzbezug deutlich. Die PV-Anlage trägt in diesen Zeiträumen erheblich zur Eigenversorgung bei und senkt den erforderlichen Energiebezug aus dem Stromnetz. Einzelne Tage weisen Netzbezugswerte von deutlich unter 1.200 kWh/Tag auf, was den positiven Einfluss der solaren Stromerzeugung verdeutlicht. Die Spreizung zwischen minimalem und maximalem Tagesbezug beträgt rund 1.270 kWh/Tag. Dies zeigt neben den statistischen Tag zu Tag-Schwankungen zusätzlich einen ausgeprägten saisonalen Einfluss der Eigenstromerzeugung. Insgesamt bestätigt die Auswertung, dass die PV-Anlagen bereits einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des externen Strombezugs leistet. Gleichzeitig bleibt ein erheblicher Restenergiebedarf bestehen, der insbesondere während der Wintermonate weiterhin aus dem öffentlichen Stromnetz bereitgestellt werden muss. Siehe blauen Graphen in Abb.5. Über den Zeitraum eines Jahres konnten 12,5% des gesamten elektrischen Energiebedarfs am Standort der KA Bersenbrück über die PV-Anlagen gedeckt werden. Im Durchschnitt sind dies 215,8 kWh/Tag. Siehe grauen Graphen in Abb.5.

Abb.5: Energie-Bezug des Klärwerkes im Zeitraum 08/2025 bis 07/2026

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Abb.6: Histogramm des Tages-Energiebezuges der KA-BSB im Zeitraum 08/2025 bis 07/2026

Saisonaler Einfluss: Der saisonale Einfluss auf den Energiebezug des Kläranlagen Standorts weist folgende Spreizung auf:

E = 558 kWh/Tag

Dieser Wert ergibt sich aus der Differenz der Mittelwerte folgender Zeiträume:

Mittelwert des EVU-Bezuges im Zeitraum Juli 2025 + Juni 2026: 1306 kWh/Tag

Mittelwert des EVU-Bezuges im Zeitraum Januar + Februar 2026: 1864 kWh/Tag

Sonstige statistische Schwankungen: Um die statistischen Schwankungen im täglichen Energiebezug des Kläranlagen Standorts ohne den Einfluss von PV-Anlagen und weiterer saisonaler Abhängigkeiten zu ermitteln, greifen wir uns einen Monat mit geringen Schwankungen in der PV-Erzeugung heraus. Die Wahl fällt auf die Daten des Monats Dezember 2025.

Hinweis: Im Dezember hat, der durch die PV-Anlage erzeugte, tägliche Eigenverbrauch einen Mittelwert von 70 kWh/Tag und eine Standard-Abweichung von 32 kWh/Tag. Hier fällt die Standardabweichung der PV-Energie am geringsten aus.

Im Dezember 2025 weisen die Daten des täglichen EVU-Bezuges einen Mittelwert von 1.621,9 kWh/Tag und eine Standard-Abweichung (Std-dev) von 166,4 kWh/Tag aus.

Minimaler Energiebedarf: 1.378,0 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 12/2025)

Mittlerer Energiebedarf: 1.621,9 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 12/2025)

Maximaler Energiebedarf: 2.152,0 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 12/2025)

Der statistische Einfluss über einen begrenzten Zeitraum beträgt somit: E = 774 kWh/Tag

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9. Prognose des Energiebedarfs am Standort inkl. der Anlagenerweiterung

Im Folgenden wird der Energiebedarf am Standort Bersenbrück inklusive der geplanten Anlagenerweiterung zeitlich, saisonal und statistisch in einer Prognose simuliert. Dazu werden die Daten eines aktuellen Datensatzes mit simulierten oder geschätzten Daten der Zubauten ergänzt.

Folgende Rahmenbedingungen treffen auf die Prognose-Daten zu: o Zeitraum des Basis-Datensatzes: 08/2025 bis 07/2026 o Daten-Granularität: Zählerwerte pro Tag / 24h Intervall o Berücksichtig wurde folgende Situation: ▪ der Energiebedarf des Bestandes am Standort (Basis-Datensatz) ▪ die PV-Anlage zur Eigenversorgung ▪ die PV-Anlage mit Überschusseinspeisung ▪ reale Bezugs-Daten zum Haupt-Pump-Werk (HPW) Bersenbrück ▪ simulierte Energiebedarfsdaten zum Zubau der Klärschlammfaulung (KSF-BSB) ▪ -> daraus wurde der resultierende Energiebedarf auf Tageswert-Basis berechnet

Zeitliche Verteilung des resultierenden Energiebedarfs Die Analyse des resultierenden Energiebedarfs für die simulierten Daten inkl. der Anlagenerweiterung zeigt prinzipiell ein vergleichbares Bild zum Netzbezug des Bestandes. Weiterhin erkennbar bleiben die saisonalen und statistischen Schwankungen vergleichbar mit dem Netzbezug des Bestands. Der Unterschied liegt in den zusätzlichen Lasten des Haupt-Pump-Werkes (HPW) und der Klärschlamm- faulung (KSF-BSB). Beide Lasten tragen zu einer mehr oder weniger gleichmäßigen Erhöhung des täglichen Energiebedarfes über das gesamte Jahr hinweg am Standort Bersenbrück bei. Der Einfluss des Haupt-Pump-Werkes (HPW) auf den Energieverbrauch kann annähernd vernachlässigt werden. Mit einem Durchschnitt von 23 kWh/Tag und wenigen Ausreißern nach oben fällt die Pumpstation in Bezug auf den Energieverbrauch nicht ins Gewicht. Für die Klärschlammfaulung wurde in Simulationen ein täglicher Energiebedarf von 938,4 kWh/Tag im Durchschnitt ermittelt. Dieser Energiebedarf wird als relativ konstant angenommen. Sowohl saisonale Effekte wie auch statistische Schwankungen werden mit maximal 5% angenommen, da die Anlagentechnik im Normalbetrieb konstant durchlaufen sollte. Laut der Simulation liegt der resultierende tägliche Energiebedarf in einem Bereich zwischen 1977,9 kWh/Tag und 3.251 kWh/Tag. Der statistische Mittelwert liegt bei rund 2.470,5 kWh/Tag und die Standard- Abweichung liegt bei 237,8 kWh/Tag. Diese Energie soll über den Betrieb der Klärschlammfaulung und die flexible bedarfsgerechte Steuerung von BHKWs bereitgestellt werden, um den Standort Energie-autark zu stellen.

Die höchsten Energiebedarfswerte treten, wie bei den Bestandsdaten auch, überwiegend in den Wintermonaten auf. Ursache hierfür ist die deutlich reduzierte Energieerzeugung der PV-Anlage während der dunkleren Jahreszeit. In den Frühlings- und Sommermonaten reduziert sich der Energiebedarf deutlich. Die PV-Anlage trägt in diesen Zeiträumen erheblich zur Eigenversorgung bei und senkt den erforderlichen Energiebedarf, der aus der Klärschlammfaulung bereitgestellt werden muss. Der Anteil an eigenverbrauchten PV-Energie wird höher liegen, verglichen mit den Werten aus der Vergangenheit, da der Gesamt-Leistungsbedarf durch den Zubau gestiegen ist. Es wird weniger überschüssige PV-Energie ins EVU-Netz zurückgespeist. Trotz gestiegenem Gesamtverbrauch werden für den Zeitraum eines Jahres geschätzt immer noch 10,0% des gesamten elektrischen Energiebedarfs am Standort der KA Bersenbrück über die PV-Anlagen gedeckt werden. Im Durchschnitt sind dies geschätzt 268,3 kWh/Tag. Siehe grauen Graphen in Abb.7.

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Abb.7: Simulierter Energiebedarf des Klärwerkes im Jahresverlauf nach dem Zubau der KSF-BSB

Abb.8: Histogramm des Tages-Energiebezuges der KA-BSB im simulierten Zeitraum

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10. Dynamisches Lastverhalten der Kläranlage

10.1. Dynamisches Lastverhalten der biologischen Reinigungsstufe (Bestand):

Die signifikanten Leistungsspitzen im aufgezeichneten Lastgang der Kläranlage Bersenbrück stehen in direktem kausalem Zusammenhang mit den Betriebsphasen der biologischen Reinigungsstufe. Zu den unter Punkt 7.1 gezeigten Leistungsspitzen waren die beiden Umrichter-gesteuerten Belüftungsgebläse parallel aktiv, was zu einer sprunghaften Erhöhung der elektrischen Last um ca. 140 kW führt. Die Steuerung dieser Großverbraucher erfolgt vollautomatisch im intermittierenden Betrieb (Wechsel von Belüftungs- und Denitrifikationsphasen) und orientiert sich dynamisch an den realen Stofffrachten des zulaufenden Abwassers. Über eine kontinuierliche Online-Messtechnik im Belebungsbecken wird eine frachtabhängige Prozessregelung umgesetzt. Diese Regelung nimmt Einfluss auf die Einschalt- sowie Pausen-Dauer der Schlammbelüftung. Damit ist auch der Leistungsbedarf der Kläranlage direkt abhängig von den Schmutzfrachten des Zulaufes. Bei ansteigenden organischen Schmutzfrachten verlängern sich die Belüftungszyklen automatisch bis hin zum kontinuierlichen Parallelbetrieb beider 75-kW-Gebläse unter Volllast (theoretischer Fall). In Phasen geringer Zulaufbelastung verkürzt die Steuerung die Belüftungszeiten oder regelt die Drehzahl der Gebläse über die Frequenzumrichter auf ein verfahrenstechnisches Minimum herunter.

Für den Normalbetrieb wird der tägliche elektrische Energiebedarf der biologischen Reinigungsstufe in Abhängigkeit vom jeweiligen Lastfall wie folgt veranschlagt: (Energiebedarf nach PV-Eigenverbrauch-Abzug)

Minimaler Energiebedarf: 1.018,0 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 08/2025 – 07/2026)

Mittlerer Energiebedarf: 1.508,8 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 08/2025 – 07/2026)

Maximaler Energiebedarf: 2.287,0 kWh/Tag (ermittelt aus Datensatz 08/2025 – 07/2026)

10.2. Dynamisches Lastverhalten der KSF (Anlagenerweiterung):

Für den Regelbetrieb des Anlagen-Teils der Klärschlammfaulung wird ein im Wesentlichen gleichmäßiges Lastprofil zugrunde gelegt. Kurzzeitige Lastschwankungen im Bereich von +/- 10% bis +/-15% der Durchschnittsleistung sind durch den kontinuierlichen Ablauf von Rühr- und Pumpvorgängen zu erwarten. Im tageszeitlichen Verlauf zeigt der bereitzustellende Energiebedarf nur geringfügige Abweichungen vom Mittelwert. Saisonal bedingte Schwankungen des elektrischen Energiebedarfs können aufgrund der fehlenden Erfahrungswerte mit dem Prozess und der nicht näher definierten Einsatzstoffe und deren saisonaler Verfügbarkeit nicht abgeschätzt werden.

Basierend auf der Prognose des mittleren Leistungsbedarfs und unter Annahme eines Toleranzbandes von +/-7% für den Energiebedarf ergibt sich der tägliche elektrische Energiebedarf der Klärschlammfaulung für den Normalbetrieb wie folgt:

Minimaler Energiebedarf: 872,7 kWh/Tag

Mittlerer Energiebedarf: 938,4 kWh/Tag

Maximaler Energiebedarf: 1.004,1 kWh/Tag

10.3. Dynamisches Lastverhalten des HPW (Anlagenerweiterung):

Für die Analyse des Lastverhaltens am Haupt-Pump-Werk BSB-Hastrup liegen nicht ausreichend Daten vor. Aufgrund der geringen Energie-Mengen von durchschnittlich 23kWh/Tag kann auf eine weitere Auswertung verzichtet werden, da keine richtungsweisenden Erkenntnisse daraus zu erwarten sind.

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11. Resultierender Energiebedarf des Gesamt-Standortes

Der resultierende Energiebedarf am Standort Bersenbrück nach Abzug des PV-Eigenverbrauch-Anteils, mit dem elektrischen Verbrauch der Zubauten der Klärschlammfaulung und des Hauptpumpwerkes stellt sich in der Simulation wie folgt dar:

Abb.9: saisonaler Verlauf des Tages-Energiebezuges der KA-BSB im simulierten Zeitraum

Für den tägliche Energiebedarf, welcher über die BHKWs der Klärschlammfaulung gedeckt werden soll, erhält man für die exemplarisch gewählten Lastfälle folgende Energiemengen für den Betrieb der Anlagentechnik am Standort Bersenbrück:

Minimaler Energiebedarf: 1.977,9 kWh/Tag (elektrisch)

Mittlerer Energiebedarf: 2.470,5 kWh/Tag (elektrisch)

Maximaler Energiebedarf: 3.251,4 kWh/Tag (elektrisch)

Mit diesen Werten lassen sich Rückschlüsse auf die täglich benötigte Gasproduktion ziehen. Unter der Berücksichtigung eines elektrischen Wirkungsgrades von 38,38% des BHKWs und einem Methananteil [1] von 52% im Klärgas werden folgende Gasmengen ermittelt: [2]

Minimaler Gasbedarf: 995 Nm³/d -> 41,4 Nm³/h Klärgas

Mittlerer Gasbedarf: 1.243 Nm³/d -> 51,8 Nm³/h Klärgas

Maximaler Gasbedarf: 1.635 Nm³/d -> 68,1 Nm³/h Klärgas

[1] der elekt. Wirkungsgrad wurde aus dem Datenblatt des Herstellers entnommen und gilt für Nennlast-Betrieb des BHKWs [2] der Methananteil des Gases wurde aus der Massen-Energie-Bilanz vom 28.11.2022 entnommen

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12. Einordnung der benötigten Gasmengen

Um die benötigten Gasmengen einzuordnen, wird sie mit der prognostizierten Gasmenge der Massen- und Energie-Bilanz als Grundlage der Anlagenplanung verglichen. Die Massen- und Energie-Bilanz weist eine Gasmenge von 74,6 Nm³/h bzw. eine Tagesmenge von 1.790,0 Nm³/d aus.

Damit liegt die maximal benötigte Gasmenge für die Energie-Autarkie mit 68,1Nm³/h immer noch unterhalb des prognostizierten Gasertrags der Klärschlammfaulung (siehe auch Kapitel 11). Der Kläranlagenstandort in Bersenbrück kann mit der geplanten Anlagenerweiterung theoretisch komplett energieautark gestellt werden.

Unter gewissen Umständen, also an Tagen mit geringerem Leistungsbedarf der Schlammbelüftung bzw. Tagen mit hoher PV-Erzeugungsleistung besteht ein Überschuss an Rohgas, welches zunächst im Gasspeicher zwischengespeichert wird. Sollte der Überschuss über einen längeren Zeitraum anhalten, muss ggf. Rohgas über die Notfackel verbrannt werden oder einer anderweitigen Nutzung zugeführt werden.

13. Gasspeicher-Management

Die Planung für den Zubau der Klärschlammfaulung (KSF) sieht einen Gasspeicher mit 800 m³ Speichervolumen zur Pufferung des Klärgases am Standort vor. Die Aufgabe des Gasspeichers besteht darin, die kontinuierliche Klärgasproduktion des Faulturms von dem stark schwankenden elektrischen und thermischen Energiebedarf des Standortes zeitlich zu entkoppeln. Während die Gasproduktion im Faulturm weitgehend gleichmäßig erfolgt, unterliegt der Energiebedarf des Kläranlagenstandortes, insbesondere durch die intermittierende Belüftung der biologischen Reinigungsstufe, erheblichen Schwankungen. Der Gasspeicher fungiert somit als zentraler Energiespeicher des Gesamtsystems.

Durch die Zwischenspeicherung des erzeugten Klärgases können die Blockheizkraftwerke bedarfsgerecht betrieben werden, ohne dass die Gasproduktion unmittelbar dem aktuellen Leistungsbedarf folgen muss. In Zeiten niedriger elektrischer Last wird überschüssiges Klärgas im Speicher eingelagert. Steigt der Energiebedarf des Standortes an, beispielsweise während der Belüftungsphasen oder bei erhöhtem Wärmebedarf in den Wintermonaten, kann auf die gespeicherten Gasreserven zurückgegriffen werden. Hierdurch wird eine stabile und effiziente Betriebsweise der BHKW-Anlage ermöglicht

Die Größe des Gasspeichers bestimmt maßgeblich die energetische Flexibilität des Standortes. Ein ausreichend dimensionierter Speicher ermöglicht längere Zeiträume zwischen Gasproduktion und Gasverbrauch zu überbrücken und reduziert gleichzeitig die Gefahr von Notfackel-Betrieb oder Einschränkungen der BHKW-Fahrweise. Darüber hinaus stellt der Gasspeicher eine wichtige Sicherheitsreserve dar, um kurzfristige Schwankungen der Gasproduktion oder ungeplante Lastspitzen ausgleichen zu können.

Für einen energieoptimierten Anlagenbetrieb sollte der Gasspeicher nicht nur als statischer Puffer betrachtet werden, sondern aktiv durch das Energie-Management-System bewirtschaftet werden. Hierfür empfiehlt sich eine Betriebsstrategie auf Basis definierter Füllstandbereiche:

• Sehr niedriger Speicherfüllstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 5-10% ) ▪ Priorisierung des Grundbedarfs der Eigenversorgung am Standort Spitzen im elektrischen Leistungsbedarf werden nicht mehr durch den BHKW-Betrieb gedeckt und ggf. aus dem elektrischem Energie-Speicher oder EVU-Netz bezogen ▪ Begrenzung der maximalen BHKW-Leistung auf max. 50% Nennleistung ▪ Vermeidung einer vollständigen Entleerung des Speichers durch Abschaltung der Gasverbraucher (BHKWs) bei einem Gasspeicherfüllstand < 5%

• Niedriger Speicherfüllstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 10-20% ) ▪ Begrenzung der maximalen BHKW-Leistung zur Schonung der Gasreserve auf max. 80% Nennleistung ▪ Sicherstellung der thermischen Grundversorgung des Faulturms

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• Mittlerer Speicherfüllstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 20-75% ) ▪ Normalbetrieb der BHKW nach elektrischem Leistungsbedarf (stromgeführt) ▪ Maximierung des Eigenverbrauchs ▪ Hoher Autarkiegrad des Standortes ▪ Ausgewogenes Verhältnis zwischen Gasproduktion und Gasverbrauch

• Mittlerer bis hoher Speicherstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 75-85% ) ▪ Erhöhung der BHKW-Leistung zur Speicherentlastung ▪ Vorziehen von flexibel betreibbaren Verbrauchern, ggf. Belüftung

• Hoher Speicherfüllstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 85-95% ) ▪ Aktivierung der externen Gasvermarktung. Ausspeisung der Überschussmengen an Klärgas an die benachbarte Biogasanlage ▪ Vermeidung des Ansprechens der Notfackel

• Sehr hoher Speicherfüllstand (z.B. Gasspeicherfüllstandbereich: 95-100% ) ▪ Priorisierte Abgabe des Klärgases an externe Abnehmer ▪ Notfackel nur als letzte Sicherheitsmaßnahme um die Überfüllung des Gasspeichers zu vermeiden.

Darüber hinaus bietet sich eine prädiktive Speicherbewirtschaftung an. Das Energie-Management-System kann dabei neben dem aktuellen Speicherfüllstand auch die erwartete Klärgasproduktion, die prognostizierte PV-Erzeugung, die bekannten Belüftungszyklen sowie den saisonalen Wärmebedarf berücksichtigen. Auf diese Weise kann die BHKW-Leistung frühzeitig angepasst werden, bevor kritische Speicherzustände entstehen. Hierdurch werden sowohl die Ausnutzung des Gasspeichers als auch die Gesamteffizienz des Energiesystems verbessert.

Der Gasspeicher übernimmt damit die Energiespeicherung über deutlich längere Zeiträume verglichen mit anderen Speicherkonzepten z.B. einem Batterie-Speicher.

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14. Einschätzung des Gasspeicher-Volumens

Um die Speicherbevorratung, die sich daraus ergebenden Reserven und den Einfluss auf das Energie- Management-System (EMS) des Standortes zu verstehen werden folgende Überlegungen durchgespielt:

Brutto-Gasspeicher-Volumen: 0 – 100% entspricht 800m³

Netto-Gasspeicher-Volumen: 5 – 95% entspricht 720m³

Angenommen der Gasspeicher wäre zum Zeitpunkt X zu 50% gefüllt und würde in einer extremen Belüftungsphase ohne zufließendes Frisch-Klärgas durch den Volllast-Betrieb eines der beiden BHKWs entleert. Wie lange würde die im Gasspeicher gespeicherte Menge an Klärgas den Volllastbetrieb des BHKWs aufrechterhalten?

50% bis 5% -> Gasspeicher Volumen entsprechen 45% von 800m³ = 360m³

Methangehalt: 52% Heizwert von Methan: 9,97kWh/m³ elekt. Wirkungsgrad des BHKWs: 38,38% Nennleistung der BHKWs: 190kW

Das BHKW kann mit einer Klärgasmenge von 360m³ für 3,77h (3h 46min) mit Volllast betrieben werden, ohne dass in irgendeiner Weise Klärgas nachfließt. Diese Randbedingung (ohne Klärgas-Nachfluss) ist ein sehr unwahrscheinliches Szenario für den Normalbetrieb der Anlage, da die Gasproduktion eher kontinuierlich erfolgt. Das Szenario wäre ggf. als Störfall denkbar.

Im Folgenden wurde aus den Energie-Verbrauchsdaten versucht eine Analyse der Belüftungsdauer und Ihrer Verteilung abzuleiten. Aus den vorhandenen 1h-Daten wurde die dynamische Grundlast ermittelt und unter Annahme einer konstanten Belüftungsleistung von 130kW die Differenz zur Grundlast ausgewertet. Unter der Annahme, dass maximal eine Belüftungsperiode pro Stunde erfolgt und die einzelne Belüftungsperiode mindestens 25min lang andauert, konnten die Belüftungsphasen aus den Daten identifiziert werden. Aus dem Betrag der Differenz zur dynamischen Grundlast und dem Energie-Wert des Datensatzes (1h-Mittelwert) kann auf den Anteil der Belüftungsdauer pro Stundenintervall zurückgeschlossen werden. Die Belüftungsperioden und ihre Dauer wurden im folgenden Histogramm aufgezeichnet:

Abb.10: Histogramm über die Dauer der Belüftungsperioden - Datensatz von 07/2025 bis 08/2026

Fazit: Unter der Berücksichtigung der Ergebnisse aus Kapitel 12 dass es unter der zugrunde gelegten Energie- Bereitstellung der Inputstoffe einen Gasüberschuss geben wird, kann davon ausgegangen werden, dass sich der Gasspeicherfüllstand im Normalbetrieb im Bereich 85% bewegt. Mit einer maximalen Belüftungsperioden-Dauer von 3,1h kann die Gasspeicher-Reserve als absolut ausreichend betrachtet werden.

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15. Überschüssige Gasmengen

Um einem Überschuss an Rohgas entgegenzuwirken und das energetisch wenig sinnvolle Abfackeln von Rohgas zu vermeiden, könnten verschiedene Maßnahmen ergriffen werden.

1. Man könnte die Schlammzufuhr zum Fermenter drosseln, sodass in gewisser Weise die verbleibende Lagerkapazität der Schlammvorlage die Gasspeicherkapazität erweitert. Die Machbarkeit hängt stark von der Logistik und der Trägheit der Fermentation (Gasproduktion) im Faulraum ab.
2. Das überschüssige Gas könnte anderweitig genutzt werden. Dazu werden bereits Ansätze beim Wasserverband Bersenbrück diskutiert. Unter anderem ein Verkauf des Überschuss-Gases an eine Biogasaufbereitungsanlage in der Nachbarschaft. (Nachtrag: Die Ausspeisung von Gas wird fest im Projekt eingeplant – Stand: 27.08.2026)
3. Das überschüssige Gas könnte auf der Klärschlammfaulung durch die BHKWs verstromt werden. Die überschüssige elektrische Energie würde dann ins EVU-Netz eingespeist werden. Eine Einspeisung ins EVU-Netz ist aufgrund der niedrigen Vergütungssätze für KWK-Anlagen wenig attraktiv. Es mag sein, dass bei geringen Mengen an auftretendem Überschussgas eine Einspeisung ins EVU-Netz durchaus sinnvoll sein könnte, da man die zusätzlichen Investitionen für eine anderweitige Nutzung in einer Wirtschaftlichkeits-Betrachtung bewerten sollte. Je mehr Überschussgas zur Verfügung steht, desto eher rentiert sich eine anderweitige Nutzung des Klärgases. (Nachtrag: Nach Aussagen des Wasserverbandes lässt das Fördermittel-Konzept für dieses Projekt keine weitere Förderung der Energieverwertung zu. Aus diesem Grund wird der Verkauf und die Einspeisung von elektrischer Energie ins EVU-Netz verworfen – Stand: 27.08.2026)
4. Das überschüssige Gas könnte auf der Klärschlammfaulung durch die BHKWs verstromt werden. Die überschüssige elektrische Energie könnte man in einem Batterie-Speicher (Pufferspeicher) einlagern, um sie später wieder an anderen Verbraucher abzugeben. Als Neben-Effekt wird ein Pufferspeicher den Anteil an selbst Verbrauchter PV-Energie weiter steigern. Ein Szenario mit relevant großem Pufferspeicher ist nur sinnvoll, wenn zusätzliche elektrische Verbraucher wie z.B. elektrische Ladesäulen für den Fuhrpark am Standort installiert werden. Der Energiebedarf nach aktueller Planung inkl. der Klärschlammfaulung kann vollständig durch die BHKWs gedeckt werden.

Bei den hier dargestellten Szenarien zur zukünftigen Nutzung überschüssiger Klärgasmengen bestehen betriebliche und wirtschaftliche Unsicherheiten, deren Auswirkungen derzeit nur eingeschränkt bewertet werden können. Aus heutiger Sicht lässt sich die künftig tatsächlich verfügbare Klärgasmenge nicht mit ausreichender Sicherheit prognostizieren. Maßgeblichen Einfluss haben dabei sowohl das Energiepotenzial des anfallenden Klärschlamms als auch das Energiepotenzial und Verfügbarkeit möglicher Co-Substrate. Darüber hinaus ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht belastbar abschätzbar, ob das Energiepotenzial der eingesetzten Substrate saisonalen Schwankungen unterliegt oder langfristig auf einem konstanten Niveau verfügbar sein wird. Vor diesem Hintergrund empfehlen wir, dass tatsächlich verfügbare Potenzial an überschüssigem Klärgas zunächst im Regelbetrieb über einen Zeitraum von etwa 18 Monaten zu erfassen und auszuwerten. Auf Basis dieser belastbaren Betriebsdaten kann anschließend eine fundierte Entscheidung über die langfristige Nutzung der überschüssigen Klärgasmengen getroffen werden.

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16. Thermischer Energiebedarf des Standortes

Die Klärschlammfaulung am Standort Bersenbrück benötigt neben der elektrischen Energie zusätzlich thermische Energie, um die Gärsubstrate auf der optimalen Betriebstemperatur zu halten. Für den Gärprozess in Bersenbrück ist eine mesophiler Temperaturbereich von 36 bis 38°C für das Substrat vorgesehen. Der zufließende Klärschlamm, mit 10°C bis 18°C im Zulauf, muss angewärmt werden. Zusätzlich müssen die Wärmeverluste des Faulturms kompensiert werden, um die Substrat-Temperatur im Gärbehälter zu halten. Laut Berechnungen des Prozessplaners liegt dieser zusätzliche Wärmebedarf in den Wintermonaten bei ca. 70kW thermisch. Diese Energie soll über den Betrieb der BHKWs bereitgestellt werden. In den Sommermonaten rechnet man mit einem erheblich kleineren Heizbedarf. Nach Schätzungen liegt der Heizbedarf des Klärschlammfaul-Prozesses im Sommer bei 25kW thermisch.

[1] der therm. Wirkungsgrad wurde aus dem Datenblatt des Herstellers entnommen und gilt für Nennlast-Betrieb des BHKWs

Aus den Energieverbräuchen der Nachspeicherheizung im Betriebsgebäude haben wir auf die Heizlast überschlagsweise zurückgerechnet. Dabei wurde im Zeitraum 08/2025 – 07/2026 eine Heizlast im 24h Mittel von 5,4kW ermittelt. Wir nehmen die Heizlast mit ausreichender Sicherheitsmarge für das Betriebsgebäude pauschal mit 10kW thermisch an.

Für die Fahrzeughalle wir ebenfalls eine Heiz-Leistung von 20kW thermisch angenommen. Dieser Wert entstammt aus einer Abschätzung über den Brennstoff-Bedarf der heutigen Gastherme. Dort wurde der Verbrauch auf ca. 3500L Flüssiggas im Jahr geschätzt.

Insgesamt kommt man auf einen thermischen Leistungsbedarf des Standortes von 100kW.

Es stellt sich die Frage: Kann der thermische Bedarf über den BHKW-Betrieb gedeckt werden? Wenn man von einem stromgeführten BHKW-Betrieb ausgeht und für die Wintermonaten eine Überschlagsrechnung zur thermischen Energie-Erzeugung durchführt, erhält man folgende bereitgestellte Wärmeleistung:

durchschnittlich simulierter elekt. Energiebedarf im Januar: 2.766,3 KWh/Tag

daraus ermittelte durchschnittliche elekt. Leistung: 115,26 kW

elekt. Wirkungsgrad: 38,38% [1] therm. Wirkungsgrad: 41,21% [1]

über die Wirkungsgrade ermittelte thermische Leistung: 123,76 kW

Die ermittelten 123,7 kW thermisch verfügbare Leistung im stromgeführten BHKW-Betrieb übersteigen die abgeschätzten 100 kW des Heizwärmebedarfes am Standort in den Wintermonaten. Nicht berücksichtigt sind in dieser Rechnung die Wärme- und Transport-Verluste in der gesamten Anlage. Diese werden realistisch als mindestens eine Größenordnung niedriger eingeschätzt. Es kann davon ausgegangen werden, dass unter diesen Voraussetzungen ein stromgeführter BHKW-Betrieb sinnvoll ist.

[1] der therm. sowie der elekt. Wirkungsgrad wurde aus dem Datenblatt des Herstellers entnommen. Sie gelten für Nennlast-Betrieb des BHKWs

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17. Einschätzung des Wärmespeicher-Volumens

Am Standort Bersenbrück ist ein Wärmespeicher für die Zwischenspeicherung der Heizwärme des BHKWs von 22m³ Heizwasser-Volumen geplant. Die maximale Spreizung der Temperatur T beträgt 50K. Dies ergibt sich aus der Differenz von 95°C als maximale Austrittstemperatur am BHKW und 45°C als unter Grenztemperatur für den Vorlauf der Fermenter-Heizung. Um die Speicherbevorratung der Wärme-Energie, die sich daraus ergebenden Reserven und den Einfluss auf das Energie-Management-System (EMS) des Standortes zu verstehen werden folgende Überlegungen durchgespielt:

Brutto-Wärmespeicher-Energie: 45 – 95°C entspricht 1.280kWh thermisch

Netto-Wärmespeicher-Energie: 50 – 85°C entspricht 896kWh thermisch

Angenommen der Wärmespeicher wäre zum Zeitpunkt des Abschaltens des BHKW mit 85°C gefüllt und würde im Winter mit 100kW thermischer Last (siehe vorheriges Kapitel) geleert. Wie lange würde die Reserve im Wärmespeicher den Heizbetrieb des Standortes mit 100kW und einer Speicherentladung auf 50°C aufrechterhalten?

Der Wärmespeicher würde mit der Netto-Wärmespeicher-Energie von 896kWh den Wärmebedarf des Standortes im Winter für 8,96 Std abdecken. Die maximale Ausschalt-Zeit des BHKWs in den Wintermonaten (Heizperiode von November bis März) beträgt in der überwiegenden Anzahl der BHKW- Betriebspausen bis 6 Std und in wenigen Ausnahmen bis maximal 9 Std. (siehe Histogramm in Abb. 11) den Wärmebedarf ab.

Für die Simulation der Wärmespeicher-Reserven und der BHKW-Ausschaltperioden die überbrückt werden müssen werden aus dem Datensatz der 15min-Werte von 07/2024 bis 08/2026 nur die Wintermonate (November bis März) inkl. der PV-Energie und einer Simulationsmodus „Stromgeführtes BHKW“ betrachtet.

Abb.11: Histogramm der Ausschalt-Perioden-Dauer der BHKWs - Datensatz über zwei Heizperioden

Fazit: Die Wärme-Versorgung wird aufgrund der Speicherkapazität der Prozesse nicht als kritisch eingestuft. Die Auslegung des Wärme-Speichers mit 22m³ Speichervolumen deckt in allen betrachteten Fällen die thermische Last des Standortes ab. Die überwiegende Anzahl von BHKW-Betriebspausen liegt im Bereich von 1,25 bis 4 Std. Diese Betriebspausen werden in jedem Fall durch 8,98 Std Reserve gedeckt.

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18. Energiefluss-Diagramm der KA Bersenbrück - (Planungsstand 08/2026)

Für die Erstellung des Energiefluss-Diagramm wurden Bestandsdaten des Zeitraums 08/2025 – 07/2026 zusammengetragen und mit den simulierten Daten der Zubauten ergänzt. Damit erhält man ein genähertes Modell der Energieflüsse für den Standort Bersenbrück inkl. der geplanten Zubauten (KSF + HPW). Die Energiebalken- und Energiefluss-Stärken im Diagramm sind maßstäblich dargestellt. Die Angaben im Diagramm entsprechen Jahres-Energiemengen für den jeweiligen Energiefluss.

Abb.12: Energiefluss-Diagramm der KA-BSB mit simulierten Zubauten der KSF

Das Energiefluss-Diagramm weist eine erhebliche ungenutzte Menge an Klärgas aus, welche für eine „sonstigen Verwendung“ zur Verfügung steht. Dieser Klärgasüberschuss kann als Reserve für zusätzlich benötigte elektrische oder thermische Energie am Standort gesehen werden. Aus diesem Grund sehen wir die Energie-Autarkie des Standortes als unkritisch an. Diese These gilt nur unter der Voraussetzung, dass der Klärschlamm genügend biogenes Energie-Potential mitbringt.

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19. Betriebsweise der BHKWs

Die Betriebsweise der Blockheizkraftwerke soll grundsätzlich stromgeführt erfolgen, da die Analyse der Energieflüsse die These stützt, dass der elektrische Energiebedarf am Standort zu jeder Jahreszeit den thermischen Energiebedarf auf der KA Bersenbrück übersteigt. Ziel dieser Fahrweise ist es, die am Standort auftretenden elektrischen Lastspitzen möglichst weitgehend durch Eigenerzeugung aus Klärgas abzudecken und damit den Bezug elektrischer Energie aus dem öffentlichen Netz zu minimieren oder ganz auszugleichen. Da die Faulgasproduktion weitgehend kontinuierlich erfolgt und im Gegensatz dazu der elektrische Leistungsbedarf der Kläranlage insbesondere durch die intermittierend betriebenen Belüftungsaggregate stark schwankt, übernimmt der Gasspeicher eine zentrale Ausgleichsfunktion zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch. Das im Faulturm erzeugte Klärgas wird zunächst zwischengespeichert und anschließend bedarfsgerecht den BHKWs zur Verfügung gestellt. Dadurch können die BHKWs in Phasen erhöhten Leistungsbedarfes mit hoher Auslastung betrieben werden und zeitlich versetzt bei geringerem Leistungsbedarf bis auf ein Minimum herunter geregelt werden. Durch den Klärfracht-abhängigen Belüftungsbedarf und den daraus resultierenden intermittierenden Betrieb der Belüftungsgebläse weist das elektrische Lastprofil des Standortes eine hohe Volatilität auf. Sowohl die Dauer der Belüftungsphasen als auch die Pausendauer dazwischen sind starken Schwankungen unterworfen. Für die geplante Anlagenerweiterung ergibt sich daraus die Kernanforderung, das Energiemanagement so auszulegen, dass die effiziente Stromerzeugung der neuen Blockheizkraftwerke (BHKWs) über eine vorausschauende Speicherbewirtschaftung des Gasspeichers exakt auf die prozessbedingten Belüftungsspitzen (gleichbedeutend mit Lastspitzen) abgestimmt wird.

Die Herausforderungen für die Betriebsweise der BHKWs ergeben sich insbesondere aus dem anspruchsvollen und hochdynamischen elektrischen Lastprofil des Standortes. Um den Leistungsbedarf des Kläranlagenstandortes jederzeit vollständig durch Eigenerzeugung abzudecken, müsste die Leistungsregelung der BHKWs den auftretenden Laständerungen kontinuierlich und nahezu verzögerungsfrei folgen. Aufgrund ihrer konstruktionsbedingten Regelcharakteristik können BHKWs diese Dynamik jedoch nur eingeschränkt abbilden. Im Vergleich zu den teilweise sprunghaften Laständerungen des Standortes reagieren die Aggregate deutlich träger. Hieraus resultieren temporäre Leistungsabweichungen in Form von kurzzeitigen Über- oder Unterdeckungen, bis die BHKWs die erforderliche Leistungsanpassung vollzogen haben. Die daraus entstehenden Leistungsdifferenzen werden über den Netzbezug bzw. die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz ausgeglichen. Zur Minimierung dieser Ausgleichsleistungen wird empfohlen, eine intelligente Last- und Leistungsregelung in der übergeordneten Anlagensteuerung zu implementieren. Für den Regelbetrieb wird angestrebt, die BHKWs lastabhängig zu betreiben und ihre elektrische Leistung kontinuierlich an den aktuellen Energiebedarf des Kläranlagenstandortes anzupassen. Ziel ist es, den Eigenversorgungsgrad zu maximieren und gleichzeitig Netzbezug sowie Netzeinspeisung auf ein technisch notwendiges Minimum zu reduzieren. Da davon auszugehen ist, dass Laständerungen am Standort teilweise mit einer höheren Dynamik erfolgen als die Leistungsnachführung der BHKWs, sollte die Regelstrategie diesen Umstand gezielt berücksichtigen. Hierzu wird empfohlen, den Leistungsbedarf leicht überkompensiert anzufahren, um kurzfristige Unterdeckungen zu vermeiden. Darüber hinaus sollte beim gezielten Zu- und Abschalten der leistungsintensiven Verbraucher die BHKW-Leistung vorausschauend angepasst werden. Durch diese prädiktive Betriebsweise können Leistungsabweichungen reduziert und die Netzbezugs- beziehungsweise Einspeiseanteile weiter minimiert werden. Eine weitere Strategie könnte sein, die Lastanstiege auf den Dynamik-Bereich der BHKWs anzupassen. Insbesondere die Belüftungsgebläse des Klärwerkes könnten über eine Anpassung Ihre An- und Abfahrrampen träger eingestellt werden, ohne prozesstechnische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Zur weiteren Reduzierung von Netzbezugs- und Einspeiseleistungen wird empfohlen, eine prädiktive Last- und Leistungsregelung zu implementieren. Hierbei werden zukünftig zu erwartende Laständerungen, insbesondere das Zu- und Abschalten der Belüftungsaggregate sowie der aktuelle Füllstand des Gasspeichers, bei der Vorgabe der BHKW-Leistung berücksichtigt. Durch die vorausschauende Anpassung der elektrischen Erzeugungsleistung können, die aufgrund der trägen Leistungsnachführung der BHKWs entstehenden Regelabweichungen minimiert und der Eigenversorgungsgrad des Standortes weiter erhöht werden.

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Für den Kläranlagenstandort mit Faulung, Gasspeicher und stromgeführten BHKWs sind folgende prädiktive Regelstrategien empfehlenswert, da viele Laständerungen nicht vollständig zufällig auftreten. Insbesondere die Belüftungsaggregate folgen meist geplanten Schaltfolgen oder bekannten Prozesszuständen, die messtechnisch in der übergeordneten Steuerung erfasst werden:

I. Leistungsregelung nach PID:

Die Leistungsnachführung der BHKWs kann grundsätzlich über eine kontinuierliche Leistungsregelung erfolgen, deren Führungsgröße aus der elektrischen Leistungsbilanz des Standortes abgeleitet wird. Aufgrund der zeitlichen Verzögerung zwischen Sollwertvorgabe und tatsächlicher Leistungsänderung der BHKWs wird empfohlen, die Regelung um prädiktive Vorsteuerungsfunktionen zu ergänzen. Insbesondere das geplante Zu- und Abschalten leistungsintensiver Verbraucher sowie der aktuelle Füllstand des Gasspeichers sollten bei der Bildung des Leistungssollwertes berücksichtigt werden. Hierdurch können Regelabweichungen reduziert und Netzbezug bzw. Netzeinspeisung minimiert werden.

II. Lastfolgeregelung mit Totband:

Nicht jede kleine Laständerung muss durch das BHKW nachgeregelt werden. Es kann ggf. in der übergeordneten Steuerung ein Totband in der Leistungsregelung der BHKWs implementiert werden. Solch ein Totband verhindert eine kontinuierliches hoch und runterregeln der BHKW- Leistung. Erst wenn die Regelabweichung zwischen Soll- und Ist-Wert das Totband überschreitet, wird die Sollwertvorgabe zum BHKW angepasst. Dadurch ergibt sich eine schrittweise Sollwertvorgabe zu den BHKWs. Eine Lastfolgeregelung mit Totband bietet folgende Vorteile: ▪ weniger Regelbewegungen ▪ geringerer Verschleiß ▪ stabilerer Motorbetrieb

III. Lastprognose auf Basis der Belüftungssteuerung:

Die Übergeordnete Steuerung kennt: ▪ den aktuellen Betriebszustand der Gebläse ▪ die Sollwerte und Schaltpunkte für den Klärprozess ▪ die aktuellen Prozesswerte des Belebungsverfahrens ▪ sonstige Einschaltkriterien für die Belüftung

Sobald die Einschaltkriterien für die Belüftung erreicht sind, fährt die übergeordnete Steuerung die BHKW-Leistung an (Vorhaltung). Mit einer gewissen Verzögerung werden dann auch die Belüftungsgebläse angefahren. Die Anfahrrampe der Belüftung wird fest eingestellt, aber ihre Steilheit wird denen der BHKWs angepasst. Damit kann die Leistungsregelung der BHKWs dem Lastanstieg der Belüftungsgebläse folgen. Sobald die Ausschaltkriterien der Belüftungsteuerung erreicht sind, werden die Gebläse langsam herunter-gefahren, sodass die Leistungsregelung der BHKWs dem aktuell abnehmenden Lastzustand folgen kann.

IV. Priorisierte Lastprädiktion großer Verbraucher:

Die Steuerung überwacht den Betrieb ausgewählter Großverbraucher. Vor dem Zuschalten eines solchen Verbrauchers wird ein entsprechender Leistungsvorhalt im BHKW aufgebaut, um den PID- Nachlauf auszugleichen. Dabei kann die Höhe der benötigen zusätzlichen Leistung aus den Erfahrungswerten abgeleitet werden.

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V. Prädiktive Regelung anhand des Füllstands des Gasspeichers:

Der Gasspeicher ist der eigentliche Energiespeicher des Systems. Anstatt nur auf die aktuelle Last zu reagieren, wird zusätzlich der aktuelle Gasvorrat berücksichtigt.

Hoher Speicherfüllstand: ▪ die BHKW-Regelung fährt aggressiver die Leistung hoch ▪ Ab einem gewissen Gasspeicherfüllstand wird eine Überkompensierung der Leistungsregelung erfolgen: Überschusseinspeisung

Mittlerer Speicherfüllstand: ▪ die BHKW-Regelung fährt den Leistungsbedarf des Standorts ab, ohne zusätzliche Eingriffe in der Sollwert-Steuerung ▪ tendenziell ist der Leistungsbedarf komplett durch den Eigenstrom abgedeckt ▪ annähernd 100%ige Autarkie wird erreicht

Niedriger Speicherfüllstand: ▪ die BHKW-Regelung fährt konservativer, die Leistungsspitzen werden ggf. nicht voll abgedeckt. ▪ Der Autarkiegrad des Standorts nimmt ab ▪ tendenziell niedrigerer Anteil der Eigenstromabdeckung ▪ es empfiehlt sich den Grundbedarf der Anlage weiterhin 100% durch Eigenerzeugung auszugleichen, nur die Leistungsregelung auf eine gewisse Maximal-Leistung zu begrenzen. Dadurch werden die Lastspitzen gekappt ▪ die Maximal-Leistungsbegrenzung sollte einer dynamischen Rampe folgen. Je niedriger der Gasspeicherfüllstand, desto niedriger liegt die maximale Sollleistung der BHKW-Regelung. Damit wird erreicht, dass der Gasspeicher nie ganz leer gezogen wird und ein gewisser Grundleistungsbedarf immer gedeckt bleibt.

Die Schwellwerte der prädiktiven Regelung sind ggf. auf die Schaltpunkte der „sonstigen Gasvermarktung“ abzustimmen. Falls überschüssiges Klärgas anderweitig genutzt wird, sollte die BHKW-Regelung den Gasspeicher nicht zusätzlich belasten. Die Schaltpunkte sind aufeinander abzustimmen, um die Prioritäten korrekt einzuhalten bzw. den wirtschaftlichsten Nutzen aus dem Gas zu ziehen.

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20. Analyse der 15min Leistungsdaten und Einfluss auf die BHKW-Betriebsweise

Um die Betriebsweise der Blockheizkraftwerke am Standort Bersenbrück näher zu verstehen, wurden Energiewerte aus einem Datensatz von 07/2024 bis 08/2026 durch den Wasserverband bereitgestellt. Der Datensatz enthält Energiewerte des EVU-Bezuges sowie Daten der PV-Anlagen-Erzeugung in 1h Intervallen.

Aus diesen 1h-Intervall-Energie-Daten haben wir 15min-Leistungswerte unter zur Hilfenahme von statistischer Variation erstellt. Insgesamt kommen wir damit auf 74784 einzelne Datenpunkte. Diese Daten wurden mit simulierten Daten zum Leistungsbedarf der Klärschlammfaulung (KSF) und des Hauptpumpwerkes (HPW) ergänzt. Die Simulation berücksichtigt statistische Schwankungen für die Bezug der Klärschlammfaulung sowie saisonale und Wettereinflüsse für das Hauptpumpwerk. Die Simulationsdaten wurden anschließend auf Plausibilität mit den gemessenen bzw. prognostizierten Energiewerten überprüft und für ok befunden.

Damit erhalten wir einen realistischen Datensatz für 15min Leistungswerte im finalen Ausbauzustand des Kläranlagen-Standortes Bersenbrück. Mit diesem Datensatz werden nun die BHKW-Betriebs-Simulationen durchgeführt.

Abb.13: Histogramm der 15min Leistungsbezugs-Werte inkl. der simulierten KSF + HPW Bezugs-Leistungen

Im Histogramm der simulierten Bezugswerte erkennt man deutlich eine Häufung bei ca. 65kW und eine weitere Häufung bei ca. 145kW Bezugsleistung. Diese Leistungshäufungen können sehr gut durch die vorrangegangenen Analysen der Leistungsbezüge Grundlast und Spitzenlast der Kläranlage erläutert werden.

Grundlast von KA + KSF + HPW: 63 kW

Lastfall von Grundlast + Belüftungsgebläse: 160 kW

Anteil von negativen Lastfällen: wird durch PV-Überschuss während der Belüftungspause erklärt

Minimum des Leistungsbezuges: -98,4 kW

Maximum des Leistungsbezuges: 232,3 kW

Mittelwert des Leistungsbezuges: 87,2 kW

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Im Histogramm der simulierten Bezugswerte erkennt man deutlich eine Häufung bei ca. 65kW und eine weitere Häufung bei ca. 145kW Bezugsleistung. Diese Leistungshäufungen können sehr gut durch die vorrangegangenen Analysen der Leistungsbezüge Grundlast und Spitzenlast der Kläranlage erläutert werden.

Simulations-Ergebnisse ohne und mit BHKW-Betrieb:

ohne BHKW mit BHKW

BHKW-Leistung: Mittelwert: [kW] 0,0 74,9 kW

Netzeinspeisung: [kWh] -27.762,7 -25.856,2 kWh

Netzbezug: [kWh] 1.625.788,9 490.224,2 kWh

Netzbezug pro Tag: [kWh] 2.087,0 629,3 kWh

BHKW-Anzahl der Starts im Zeitraum: [Anzahl] 0 4.600 Anzahl

BHKW-Anzahl der Starts pro Tag: [Anzahl/Tag] 0,00 5,90 Anzahl/Tag

Tabelle1: Angaben für den Analysezeitraum des Datensatz von 07/2024 bis 08/2026

Aus den Simulationsergebnissen wird deutlich, dass der BHKW-Betrieb auf der Kläranlage Bersenbrück im dauerhaft zulässigen Leistungsbereich von 50 – 100% Leistungsmodulation verhältnismäßig viele Startzyklen pro Tag erzeugt. Eine Taktung von durchschnittlich 5,9 Starts pro Tag summiert sich auf rund 2.150 Starts pro Jahr und stellt eine erhebliche mechanische sowie thermische Belastung dar.

Mechanische und thermische Belastung (Einfluss auf die Standzeit) • Mischreibung beim Start: In den ersten Sekunden nach dem Starten baut sich der Öldruck im Motor erst auf. In dieser kurzen Anlaufphase herrscht vermehrt Mischreibung an hochbelasteten Komponenten wie Kolbenringen, Zylinderlaufbahnen und Pleuellagern, was den mechanischen Verschleiß beschleunigt. • Thermische Schocks: Das ständige Aufheizen von der Starttemperatur auf die Betriebstemperatur und das anschließende Abkühlen erzeugen starke Materialspannungen. Insbesondere Zylinderköpfe, Ventile, der Abgaskrümmer und der Turbolader leiden unter diesen thermischen Wechsellasten, was langfristig das Risiko von Rissbildungen erhöht. • Verschleiß der Peripherie: Neben dem Verbrennungsmotor selbst verschleißen Peripheriekomponenten wie der Anlasser, die Zündanlage, die Gasregelstrecke und Magnetventile durch die hohe tägliche Schaltfrequenz überproportional schnell.

Auswirkungen auf die Wartungskosten • Äquivalenzbetriebsstunden: Die klassischen Wartungsintervalle von Gasmotoren (meist zwischen 3.000 und 4.000 Betriebsstunden) werden in der Praxis häufig über sogenannte Äquivalenzbetriebsstunden berechnet. Dabei wird jedem Startvorgang ein fixer Stundenzuschlag (z.B. 2 Stunden/Start) zugerechnet, da ein Start rechnerisch den Verschleiß von mehreren Betriebsstunden unter Last erzeugt. Bei fast 6 Starts am Tag rücken die Wartungstermine im Kalenderjahr dadurch deutlich näher zusammen. Bei 6 Starts ist mit einer Verkürzung des Wartungsintervalls von 30% zu rechnen. • Verkürzte Intervalle für Verschleißteile: Zündkerzen, Ölfilter und das Motoröl selbst altern bei hochfrequentem Start-Stopp-Betrieb schneller. Häufige Kaltstarts führen zu erhöhtem Kraftstoffeintrag und Kondenswasserbildung im Öl, was die Schmierfähigkeit herabsetzt und vorzeitige Ölwechsel erforderlich macht. • Sollten Sie die Anlage über einen Vollwartungsvertrag (Full-Maintenance) betreiben, wird der Dienstleister bei diesem Lastprofil einen spürbaren Risiko- und Frequenzzuschlag verlangen, da die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt.

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21. Optimierungsansatz für den BHKW-Betrieb

Im Rahmen des Energiemanagements am Standort Bersenbrück wird empfohlen, die Taktung des 190-kW- BHKW durch optimierte Laufzeiten zu senken. Dies verringert die thermischen Wechsellasten, schont die mechanische Standzeit des Aggregats und sichert die Wirtschaftlichkeit des Betriebs nachhaltig ab.

21.1. Ansatz: erweiterte BHKW-Leistungsmodulation Abhilfe könnte ein erweiterter Bereich der Leistungsmodulation des BHKWs erreichen. Der BHKW-Hersteller stellt auf Nachfrage einen Leistungsbereich von 30 – 100% der Nennleistung zur Verfügung. Schränkt aber die jährlichen Betriebsstunden im Leistungsbereich von 30 - 50% auf maximal 500 h pro Jahr ein. Dieser Leistungsbereich müsste aber laut Simulation über 60% der Betriebszeit des BHKWs angefahren werden. Zudem schreibt der Motorenhersteller einen Volllast Betrieb von min. 1h direkt anschließend an den Betrieb im unteren Leistungsbereich vor. Diese Herstellervorgaben erscheinen für den komplexen Betrieb des BHKWs im Energie-Management des Standorts als zu unflexibel. Aus diesem Grund sollte der Leistungsbereich von 30 - 50% der BHKW-Nennlast vermieden werden. Dieser Ansatz scheidet aus!

21.2. Ansatz: Lastgang-Anpassung durch Leistungsmanagement der Verbraucher Durch ein aktives Last- und Energiemanagement der Großverbraucher auf dem Klärstandort lässt sich das Strombedarfsprofil gezielt glätten. Auf einer Kläranlage bieten sich hierfür vor allem verfahrenstechnische Prozesse mit inhärenter Speicher- oder Pufferwirkung an, die zeitlich flexibel betrieben werden können.

Sauerstoffzufuhr / Belüftung (Belebungsbecken): Die biologische Abwasserreinigung ist der größte Stromverbraucher, lässt sich jedoch innerhalb bestimmter verfahrenstechnischer Grenzen kurzzeitig modulieren. Durch eine intelligente Steuerung der Gebläse in lastarmen Zeiten kann zusätzlicher Strombedarf gezielt erzeugt oder verschoben werden, um das BHKW im optimalen Lastbereich zu halten.

Schlammbehandlung und -entwässerung: Aggregate wie Schlammpumpen, Zentrifugen oder die Schlammeindickung laufen typischerweise im Intervallbetrieb. Diese Prozesse können zeitlich so getaktet werden, dass sie parallel zu den Laufzeiten des BHKW betrieben werden, um den Eigenverbrauch direkt zu maximieren und Netzbezug oder Taktung zu minimieren.

Rührwerke und Pumpwerke: Auch der Betrieb von Beckenrührwerken oder Zwischenpumpwerken lässt sich über kurze Zeitfenster (z. B. im Rahmen von Voreinstellungen oder Pufferkapazitäten) an die Erzeugungsleistung des BHKW anpassen.

Ein solches Lastmanagement erfordert eine Kopplung der übergeordneten Steuerung aller relevanten Aggregate mit der BHKW-Steuerung, um Lastspitzen und -täler flexibel auszugleichen, ohne die Leistungsfähigkeit der Kläranlage zu beeinträchtigen.

21.3. Ansatz: Pufferspeicher für elektrische Energie Der Einsatz eines stationären Batteriespeichers (BESS) zur Zwischenspeicherung von überschüssigem PV- oder BHKW-Strom während verbrauchsärmerer Zeiten erscheint äußerst sinnvoll. Ein elektrischer Speicher entkoppelt die BHKW-Erzeugung vom momentanen Anlagenbedarf, sodass das Aggregat bei niedriger Grundlast im optimalen Leistungsbereich durchlaufen kann, anstatt takten zu müssen. Zu Spitzenlast-Zeiten kann das BHKW ggf. auf dem aktuellen Leistungsniveau weiterfahren oder ggf. ausgeschalten bleiben und der Pufferspeicher übernimmt die zusätzliche Leistung bzw. den Leistungsbedarf der gesamten Anlage. Dabei sollte die Dimensionierung des elektrischen Pufferspeichers (Batteriespeicher) so gewählt werden, dass eine Entkopplung der Leistungserzeugung vom Anlagenbedarf gelingt und ein möglichst hoher Autarkiegrad der Gesamtanlage erreicht wird.

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22. Analyse der BHKW-Taktung und Einfluss eines Batteriespeichers

Um den Einfluss unterschiedlicher Batteriespeichergrößen auf die Taktung des Blockheizkraftwerks (BHKW) zu analysieren, wurden die 15-Minuten-Leistungsdaten des Anlagen-Gesamtverbrauchs mit einer Simulation des Batteriespeichers und der BHKW-Steuerung (Schalt- und Steuerungsalgorithmus) verknüpft. Die Simulation bildet die Entladung des Batteriespeichers in den Stillstandzeiten des BHKWs anhand des individuellen 15-Minuten-Leistungsbezugs ab. Dabei wird in jedem 15-Minuten-Schritt der Ladezustand (State of Charge, SoC) neu berechnet. Sinkt der SoC unter 10 %, wird das BHKW zugeschaltet und die Batterie durch eine leichte Überproduktion sukzessive nachgeladen. Überschreitet der SoC 90 %, schaltet das BHKW ab. Das BHKW läuft überwiegend mit einer Teillast von 50 % der Nennleistung (entspricht 95 kW absolut). Dieser Wert liegt in den meisten 15-Minuten-Intervallen oberhalb des aktuellen Bedarfs, wodurch die Batterie geladen wird. In Phasen aktiver Belüftung steigt der Leistungsbedarf deutlich an. Zu diesen Zeiten regelt die Simulation das BHKW hoch, um den Bedarf mindestens zu kompensieren und eine kontinuierliche Ladung der Batterie aufrechtzuerhalten. Der Fokus der Optimierung lag primär auf einer weitgehenden energetischen Autarkie des Standorts und weniger auf einer rein kostenbasierten Optimierung zwischen Strombezug (EVU) und Investitionskosten des Batteriespeichers. Es wurde der Ansatz verfolgt, den Netzbezug bilanziell auf null zu reduzieren und den Speicher so zu dimensionieren, dass sowohl eine akzeptable tägliche BHKW-Taktung als auch eine vertretbare Anzahl von Vollladezyklen erreicht werden. Wie in den vorangegangenen Kapiteln dargelegt wurde, steht ausreichend Klärgas für die Verstromung zur Verfügung. Über die Simulationen der Batteriekenngrößen sollten die Zusammenhänge zwischen der BHKW- Taktung, dem Netzbezug und den Systemparametern greifbar gemacht werden. Die in der Simulation variierten Kenngrößen umfassen:

• Lade- und Entladeleistung der Wechselrichter • Batteriekapazität

Die folgenden Optimierungsziele wurden aus den Garantieleistungen der Batteriehersteller sowie den durch häufige BHKW-Starts verursachten Äquivalenzbetriebsstunden (Wartungsintervallverkürzung) abgeleitet:

• BHKW-Taktung: < 1,2 Starts pro Tag (Guter Industrie-Standard / Best Practice)

• Batterie-Vollladezyklen: < 2,5 Zyklen pro Tag (unter Berücksichtigung der Garantie von 10.000 Vollladezyklen über 10 Jahre)

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Simulations-Ergebnisse für feste 200kWh Batterie-Kapazität und Varianten v on verschiedenen Lade- und Endlade-Leistungen:

Var1 Var2 Var3 Var4 Var5

Batteriespeicher Lade-Endlade-Leistung: [kW] 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Batteriespeicher Kapazität: [kWh] 200,0 200,0 200,0 200,0 200,0

BHKW-Leistung: Mittelwert: [kW] 83,2 87,1 88,0 88,1 88,1

Netzeinspeisung: [kWh] 44.912,0 -2.798,5 -22,0 0,0 0,0

Netzbezug: [kWh] 132.746,0 22.530,0 2.416,9 16,9 0,0

Netzbezug pro Tag: [kWh] 170,0 28,9 3,1 0,0 0,0

BHKW-Anzahl der Starts im Zeitraum: [Anzahl] 568 650 665 665 665

BHKW-Anzahl der Starts pro Tag: [Anzahl/Tag] 0,73 0,83 0,85 0,85 0,85

Batterie-Ladezyklen im Zeitraum: [Anzahl] 2.109 2.304 2.298 2.297 2.296

Batterie-Ladezyklen pro Tag: [Anzahl/Tag] 2,71 2,96 2,95 2,95 2,95

Tabelle2: Angaben für den Analysezeitraum des Datensatz von 07/2024 bis 08/2026

Abb.14: Grafische Darstellung der relevanten Größen aus Tabelle 2

Interessant ist, dass der EVU-Netzbezug stark von der Lade- und Endlade-Leistung des Batterie-Systems abhängig ist. Erst ab einer Lade- und Endlade-Leistung von 200kW findet praktisch kein EVU-Bezug mehr statt. Daher wird eine Lade- und Endlade-Leistung von mindestens 200kW des Batterie-Speichers empfohlen.

Die Lade- und Endlade-Leistung des Batteriespeichers lässt sich mit etwas Reserve von dem Minimum bzw. dem Maximum des zuvor ermittelten Leistungsbezuges wählen. Es wurde in der Simulation ein maximaler Leistungsbezug von 232,3 kW ermittelt. Daraus leiten wir mit der geforderten Reserve eine Lade- und Endlade-Leistung von 250 kW als Design-Merkmal ab. Mit dieser festen Auslegungsgröße werden alle weiteren Simulationen zur optimalen Batterie-Kapazität durchgeführt.

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S imulations-Ergebnisse für feste 250kW Lade-Leistung und Varianten von verschiedenen Batterie-Kapazitäten:

Var 1 Var 2 Var 3 Var 4 Var 5 Var 6 Var 7 Var 8 Var 9 Var 10 Batteriespeicher Lade-Endlade- Leistung: [kW] 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0 250,0

Batteriespeicher Kapazität: [kWh] 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

BHKW-Leistung: Mittelwert: [kW] 87,6 87,9 88,2 88,1 88,1 88,1 88,1 88,1 88,1 88,1

Netzeinspeisung: [kWh] 0,32 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Netzbezug: [kWh] 23,47 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Netzbezug pro Tag: [kWh] 0,62 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 BHKW-Anzahl der Starts im Zeitraum: [Anzahl] 3.225 1.703 911 665 554 525 501 472 455 436 BHKW-Anzahl der Starts pro Tag: [Anzahl/Tag] 4,14 2,19 1,16 0,85 0,71 0,67 0,64 0,61 0,58 0,56 Batterie-Ladezyklen im Zeitraum: [Anzahl] 4.816 3.194 2.561 2.296 2.138 2.050 1.968 1.856 1.775 1.693 Batterie-Ladezyklen pro Tag: [Anzahl/Tag] 6,18 4,10 3,29 2,95 2,74 2,63 2,53 2,38 2,28 2,17

Tabelle3: Angaben für den Analysezeitraum des Datensatz von 07/2024 bis 08/2026

Abb.15: Grafische Darstellung der relevanten Größen aus Tabelle 3

Bei dem Batteriespeicher der Variante 8 (mit 250kW / 400kWh) werden erstmals die geforderten Kriterien in der Simulation erreicht:

• BHKW-Starts pro Tag: 0,61 < 1,2 Starts pro Tag

• Batteriespeicher Vollladezyklen pro Tag: 2,38 < 2,5 Zyklen pro Tag

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23. Auslegung des Batteriespeichers

Die simulationsgestützte Auslegung zeigt, dass der Einsatz eines Batteriespeichers das Lastprofil der Kläranlage effektiv glätten und die Taktung des BHKWs drastisch reduzieren kann. Durch die Pufferung von Leistungsspitzen und die gezielte Fahrweise im Teillastbereich lässt sich das Aggregat in einem stabileren, kontinuierlicheren Betrieb halten. Dies entlastet die mechanischen und thermischen Komponenten maßgeblich, verlängert die Wartungsintervalle und führt zu dem angestrebten Betriebszustand von weniger als 1,2 Starts pro Tag. Gleichzeitig bewegt sich die Beanspruchung des Speichers mit maximal 2,5 Vollladezyklen pro Tag in einem wirtschaftlich und technisch sinnvollen Rahmen, der die vom Hersteller geforderten Garantievorgaben für einen zehnjährigen Betrieb voll abdeckt.

Die Variante 8 aus Tabelle 3 erfüllt die genannten Kriterien mit der dafür notwendigen minimalen Speicherkapazität:

Var8

Lade- und Endlade-Leistung [kW]: 250 kW

Batterie-Kapazität [kWh]: 400 kWh

Eine Marktrecherche hat ergeben, dass Batterie-Speicher zunehmend mit 0,5 C Auslegung als Verhältnis zwischen Lade-Leistung und der Kapazität verfügbar sind. Modulare und erweiterbare Designs in Container- Bauweise sind ab ca. 180 - 200kW Ladeleistung verfügbar. Es ist also davon auszugehen, dass industrielle Batterie-Speicher als gut verfügbare Standard-Komponenten in der vorgeschlagenen Baugröße verfügbar sind.

Bei geschätzten Investitionskosten von ca. 280€/kWh eines installierten industriellen Batteriespeichers amortisiert sich die Investition über den eingesparten Energiebezug des EVUs bereits nach wenigen Jahren. In diesem Argument fehlt allerdings der Faktor der gesamten Faulgasanlagen-Investition, ohne die der Batteriespeicher nicht in der Lage wäre die Energie-Autarkie des Standortes zu erreichen.

Die Einsparungen an Wartungskosten an den BHKWs über 25 Jahre Betriebszeit durch den Einsatz des Batteriespeichers alleine rechtfertigen die Investition des Speichers nicht. Es sind zwar theoretisch Einsparungen im 5-stelligen €-Bereich über die Betriebszeit von 25 Jahren sehr wahrscheinlich. Das Argument für den Batteriespeicher wäre aber eher die Reduzierung des Vollausfall-Risikos durch einen fortwährenden stark getakteten Betrieb des Blockheizkraftwerkes. Durch den Einsatz des Batteriespeichers wird die tägliche Anzahl an BHKW-Starts von durchschnittlich 5,9 Taktungen auf 0,61 Taktungen pro Tag reduziert.

Darüber hinaus ermöglicht erst der Einsatz eines Batteriespeichers in Kombination mit dem BHKW-Betrieb eine weitgehende Energieautarkie des Standorts. Wie den Ergebnissen in Tabelle 1 zu entnehmen ist, werden im BHKW-Betrieb ohne Batteriespeicher innerhalb des simulierten Zeitraums weiterhin 490.224,2 kWh aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen, während gleichzeitig 25.856,2 kWh überschüssige PV- Energie in das Netz eingespeist werden. Durch die Integration eines ausreichend dimensionierten Batteriespeichers können diese Energie- Austauschmengen mit dem EVU-Netz nahezu vollständig eliminiert werden. Der Netzbezug reduziert sich auf ein Minimum. In den Simulations-Ergebnissen für den Bezug mit 0,01 kWh gekennzeichnet, ebenso wie die Netzeinspeisung auf 0,01 kWh.

Mit dem Einsatz eines entsprechend ausgelegten Batteriespeichers kann der Klärwerksstandort Bersenbrück somit nahezu vollständig energieautark betrieben werden. Der geplante Ausbau würde den Standort bereits mit der Inbetriebnahme Ende 2027 praktisch energieneutral stellen. Damit werden die Zielsetzungen der EU-Kommunalabwasserrichtlinie (Richtlinie (EU) 2024/3019) im Hinblick auf die Energieneutralität deutlich früher erreicht als die hierfür maßgebliche Frist im Jahr 2045.

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24. Resultierende Lastgang-Kurve des BHKW

Durch den Einsatz eines Batteriespeichers mit 400 kWh Kapazität wird die Start-Häufigkeit des BHKWs von ca. 2150 Starts/Jahr auf ca. 314 Starts/Jahr heruntergesetzt. Im Folgenden sind die resultierenden Lastgang- Kurven des BHKWs aus der Simulation exemplarisch für die Winter-, Sommer- und Übergangszeit gezeigt. Die Graphen bilden jeweils einen zufällig gewählten Zeitraum von 4,5 Tagen aus der 15min Leistungs- Simulation ab. Es wird die Leistung des BHKW und SoC der Batterie über die Zeit aufgetragen. Die beiden Kurven teilen sich die y-Achse wobei die BHKW-Leistung Werte zwischen 0 und 190 kW und der SoC „nur“ zwischen 0 und 100% annehmen kann. Auf der x-Achse ist die Anzahl der 15min-Zylen aufgetragen. 96 Einträge entsprechen 1 Tag.

Abb.16: Juli - Zeitraum über 4,5 Tage - Lastprofil des BHKWs (blau) inkl. SoC des Batteriespeichers (orange)

Abb.17: Oktober - Zeitraum über 4,5 Tage - Lastprofil des BHKWs (blau) inkl. SoC des Batteriespeichers (orange)

Abb.18: Januar - Zeitraum über 4,5 Tage - Lastprofil des BHKWs (blau) inkl. SoC des Batteriespeichers (orange)

Die Laufzeiten des BHKWs liegen in der Simulation durchschnittlich bei:

14,0 h/Tag bei Teillast von 50% 5,3 h/Tag zwischen 50% und 100%. 19,3 h/Tag Gesamt-Laufzeit im Jahresmittel

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Abb.19: Histogramm der SoC-Verteilung des Batteriespeichers in vorangegangener Simulation

Man sieht bei der Nutzung des Speichers eine Häufung im mittleren SoC-Bereich mit Spitzen bei ca. 30% und 65%. Diese Spitzen können durch die Schalt- und Regel-Logik des BHKWs erläutert werden. Die äußeren SoC- Bereiche nahe 0% (Tiefen-Endladung) und die Voll-Ladung sind relativ gering. Der Bereich der Vollladung könnte ggf. durch Verbesserungen in der BHKW-Schalt-und-Regel-Logik zusätzlich optimiert werden. Es ist davon auszugehen, dass die Tage mit hohem PV-Erzeugungs-Anteil zu Zeiten der Belüftungspausen stellenweise zu einer Vollladung des Batteriespeichers führen. An diesen Tagen sollte man abhängig von der momentanen PV-Leistung den oberen Abschalt-Punkt der BHKW-Steuer-Logik von ca. 85% SoC z.B. auf 75% herunternehmen. Dadurch würde der Anteil von Vollladevorgängen deutlich reduziert.

25. Optimierungspotential des Energie-Management-Systems

Die durchgeführten Simulationen zeigen, dass die gewählte Kombination aus BHKW, Gasspeicher und Batteriespeicher grundsätzlich in der Lage ist, den Standort Bersenbrück nahezu energieautark zu betreiben. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Qualität des Energie-Management-Systems (EMS) einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems besitzt. Die zentrale Aufgabe des Energie-Management-Systems besteht nicht in der reinen Leistungsregelung einzelner Komponenten, sondern in der vorausschauenden Koordination von Klärgasproduktion, Gasspeicher, BHKW, Batteriespeicher, Photovoltaikanlagen und elektrischen Verbrauchern. Aufgrund der hohen Dynamik des Lastprofils und der unterschiedlichen Speichermechanismen von Gas- und Batteriespeicher ist ein prädiktiver Regelansatz erforderlich. Nur durch die koordinierte Bewirtschaftung aller Energieströme kann die angestrebte Energieautarkie bei gleichzeitig geringer BHKW-Taktung, hoher Anlageneffizienz und wirtschaftlichem Betrieb dauerhaft erreicht werden. Die Auswertung der SoC-Verteilung des Batteriespeichers zeigt bereits einen überwiegenden Betrieb in mittleren Ladezustandsbereichen. Dennoch treten vereinzelt Vollladungen des Speichers auf. Diese Situationen entstehen insbesondere bei hoher photovoltaischer Erzeugung, gleichzeitig geringer Last. Aus Sicht der Batterieschonung sind solche Vollladungen möglichst zu vermeiden, da sich die Alterung von Lithium-Ionen-Systemen bei dauerhaft hohen Ladezuständen beschleunigen kann. Variationen im Rahmen der Simulationen zeigen, dass durch zusätzliche prädiktive Funktionen innerhalb des Energie-Management-Systems weitere Optimierungen möglich sind. So konnte durch die frühzeitige Erkennung einer drohenden Überschreitung des oberen SoC-Grenzwertes die Auslastung des Batteriespeichers weiter in den bevorzugten Betriebsbereich zwischen 20 % und 80 % Ladezustand verschoben werden. Gleichzeitig ließ sich die Anzahl der Volladezyklen des Batteriespeichers deutlich reduzieren. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen bestehen insbesondere in einer vorausschauenden Leistungs- anpassung der BHKWs unter Berücksichtigung folgender Einflussgrößen:

• aktueller Ladezustand des Batteriespeichers, • momentaner Füllstand des Gasspeichers, • prognostizierte PV-Erzeugung, • erwartete Lastzustände der Belüftungsaggregate, • bekannte Schaltvorgänge größerer Verbraucher.

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Durch die Verknüpfung dieser Informationen kann das BHKW bereits vor dem Erreichen kritischer Speicherzustände geregelt oder abgeschaltet werden. Gleichzeitig können drohende Lastspitzen frühzeitig erkannt und durch eine rechtzeitige Leistungsanhebung des BHKWs kompensiert werden. Die zusätzlichen EMS-Funktionen führen in einzelnen Simulationsvarianten zu einer geringfügigen Erhöhung der jährlichen BHKW-Starts. Dieser Effekt erscheint jedoch im Verhältnis zu den erzielten Verbesserungen der Batterieschonung und der Speicherlebensdauer als technisch vertretbar. Die Erhöhung der Startanzahl wird durch die weiterhin sehr geringe BHKW-Taktung gegenüber einem Betrieb ohne Batteriespeicher deutlich überkompensiert. Die Software-Implementierung des Energie-Management-Systems übernimmt damit eine Schlüsselrolle für den zukünftigen Betrieb des Energiesystems am Standort Bersenbrück. Während die Hardwarekomponenten die technischen Voraussetzungen für einen energieautarken Betrieb schaffen, entscheidet die EMS-Strategie über die tatsächliche Nutzung der vorhandenen Flexibilitäten. Es wird daher empfohlen, die EMS-Algorithmen nach Inbetriebnahme der Gesamtanlage anhand realer Betriebsdaten kontinuierlich zu optimieren und an die tatsächlichen Last- und Erzeugungsverhältnisse anzupassen. Unter diesen Voraussetzungen kann davon ausgegangen werden, dass weitere Verbesserungen hinsichtlich Speicherlebensdauer, Eigenverbrauchsquote, BHKW-Betriebsverhalten und Gesamtwirkungsgrad der Anlage erreichbar sind. Das Energie-Management-System ist damit als wesentlicher Erfolgsfaktor für die langfristige Energieneutralität des Kläranlagenstandortes Bersenbrück anzusehen.

Der Erkenntnis-Gewinn zu der Variation der BHKW-Schalt- und Regel-Strategien soll anhand von folgenden Beispielen verdeutlicht werden. Die folgenden Simulationsergebnisse beruhen alle auf dem gleichen Hardware-Setup mit 190kWel. BHKW und einem Batteriespeicher mit 250kW Lade-Endlade-Leistung und einer Kapazität von 400kWh. Es wurden nur die Regel-Algorithmen des BHKWs angepasst:

Simulations-Ergebnisse mit Variation der BHKW-Logik:

Software V08 Software V10

BHKW-Leistung: Mittelwert: [kW] 87,7 87,5 kW

Netzeinspeisung: [kWh] 0,1 0,1 kWh

Netzbezug: [kWh] 0,1 0,1 kWh

BHKW-Anzahl der Starts im Zeitraum: [Anzahl] 502 672 Anzahl

BHKW-Anzahl der Starts pro Tag: [Anzahl/Tag] 0,64 0,86 Anzahl/Tag

BHKW-Laufzeit bei 50% PN: [Std / Tag] 15,6 14,0 Std/Tag

BHKW-Laufzeit im Regelbereich 50% - 100% PN: [Std / Tag] 4,1 5,3 Std/Tag

Batterie-Vollladezyklen EFC im Zeitraum: [Anzahl] 1598,9 810,7 Anzahl

Batterie-Vollladezyklen EFC pro Tag: [Anzahl/Tag] 2,05 1,04 Anzahl/Tag

Tabelle4: Angaben für den Analysezeitraum des Datensatz von 07/2024 bis 08/2026

Es zeigt sich eine starke Verbesserung beim EFC für den Batterie-Speicher und seine Lebensdauer. Die Software-Versionen V08 und V10 sind direkt in den Simulations-Modellen hinterlegt.

20260829_KA-BSB_Simulation_Energiebereitstellung_auf_15min-Werten_V08.xlsx 20260904_KA-BSB_Simulation_Energiebereitstellung_auf_15min-Werten_V10.xlsm inkl. BHKW-Power-Makros

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26. Bewertung der Batterie-Auslegung

Die im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführten Simulationen zeigen, dass der Einsatz eines Batteriespeichers einen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung des Energiesystems am Standort Bersenbrück leistet. Die gewählte Auslegung mit einer Lade- und Entladeleistung von 250 kW sowie einer Nenn-Speicherkapazität von 400 kWh erfüllt die definierten technischen Zielkriterien vollständig.

Durch die Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie aus der BHKW- und PV-Betrieb werden Erzeugung und Verbrauch zeitlich voneinander entkoppelt. Dadurch kann das BHKW deutlich länger in einem energetisch günstigen Betriebszustand betrieben werden, ohne auf kurzfristige Lastschwankungen unmittelbar reagieren zu müssen. Insbesondere die stark schwankenden Leistungsanforderungen der biologischen Reinigungsstufe können durch den Batteriespeicher wirksam abgepuffert werden.

Die nachfolgende Bewertung basiert auf der zuletzt simulierten EMS-Software-Version V10, welche gegenüber den vorangegangenen Varianten eine deutlich reduzierte Batteriebeanspruchung erzielt und deshalb als Referenz für den weiteren Anlagenbetrieb herangezogen wird.

Die Simulation weist nach, dass die Zahl der BHKW-Starts von ursprünglich rund 2.150 Starts pro Jahr auf lediglich 314 Starts pro Jahr reduziert werden kann. Dies entspricht einer Verringerung um rund 85 %. Die durchschnittliche Startfrequenz sinkt von 5,9 Starts pro Tag ohne Batteriespeicher auf 0,86 Starts pro Tag. Damit wird das für industrielle BHKW-Anlagen angestrebte Ziel von weniger als 1,2 Starts pro Tag deutlich unterschritten.

Aus technischer Sicht führt diese Verringerung der Taktung zu einer deutlichen Reduzierung der mechanischen und thermischen Belastungen des Gasmotors. Insbesondere die Anzahl der Kaltstarts, thermischen Lastwechsel sowie die Beanspruchung von Anlasser, Ventilen, Turbolader und Gasregelstrecke werden erheblich reduziert. Hierdurch ist eine Verlängerung der Standzeiten relevanter Komponenten sowie eine Stabilisierung der Wartungsintervalle zu erwarten. Die Betriebssicherheit des Gesamtsystems steigt entsprechend an.

Auch hinsichtlich der Beanspruchung des Batteriespeichers zeigt die Simulation ein günstiges Ergebnis. Mit durchschnittlich 1,04 Vollladezyklen pro Tag bleibt die Belastung unter dem vorgegebenen Grenzwert von 2,5 Vollzyklen pro Tag. Die Auslegung kann damit als langfristig kompatibel mit den üblichen Herstellergarantien moderner Industriespeicher angesehen werden. Gleichzeitig wird die installierte Speicherkapazität ausreichend ausgenutzt, wodurch eine wirtschaftlich sinnvolle Balance zwischen Investitionskosten und Systemnutzen erreicht wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Batteriespeichers liegt in der Erhöhung des Eigenverbrauchsgrades. Überschüssige elektrische Energie aus den Photovoltaikanlagen sowie dem BHKW kann zeitversetzt genutzt werden, anstatt in das öffentliche Netz eingespeist zu werden. Gleichzeitig werden kurzzeitige Leistungsdefizite aus dem Speicher gedeckt, sodass der Bezug von elektrischer Energie aus dem EVU-Netz praktisch vollständig entfällt. Die Simulation weist sowohl für den Netzbezug als auch für die Netzeinspeisung nur noch vernachlässigbar kleine Restenergiemengen aus. Damit wird ein nahezu energieautarker Betrieb des Standortes erreicht.

Die gewählte Speichergröße von 250 kW / 400 kWh stellt darüber hinaus einen sinnvollen Kompromiss zwischen technischer Leistungsfähigkeit und Investitionsaufwand dar. Zwar führen größere Batterie- Kapazitäten zu einer weiteren Verringerung der Ladezyklen sowie zu einer geringfügigen Reduzierung der BHKW-Starts, der zusätzliche Nutzen fällt jedoch im Verhältnis zu den zusätzlichen Investitionskosten zunehmend geringer aus. Die Variante8 der Batteriespeicher-Konfigurationen stellt somit den technisch und wirtschaftlich sinnvollsten Auslegungspunkt innerhalb der untersuchten Varianten dar.

Zusammenfassend wird die Auslegung des Batteriespeichers mit 250 kW Lade-/Entladeleistung und 400 kWh Speicherkapazität ausdrücklich empfohlen. Die gewählte Dimensionierung ermöglicht einen nahezu energieautarken Anlagenbetrieb, reduziert die Belastung des BHKWs erheblich, verbessert die Nutzung der vorhandenen Klärgas- und PV-Energie und stellt gleichzeitig eine langfristig wirtschaftliche Lösung für das Energiemanagement am Standort Bersenbrück dar.

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27. Energiefluss-Diagramm der KA Bersenbrück inkl. Batteriespeicher - (Planungsstand 09/2026)

Für die Erstellung des Energiefluss-Diagramm wurden Bestandsdaten des Zeitraums 08/2025 – 07/2026 zusammengetragen und mit den simulierten Daten der Zubauten des BHKWs und des Batteriespeichers ergänzt. Damit erhält man ein genähertes Modell der Energieflüsse für den Standort Bersenbrück inkl. der geplanten Zubauten (KSF + HPW + Batteriespeicher). Die Energiebalken- und Energiefluss-Stärken im Diagramm sind maßstäblich dargestellt. Die Angaben im Diagramm entsprechen Jahres-Energiemengen für den jeweiligen Energiefluss.

Abb.20: Energiefluss-Diagramm der KA-BSB mit simulierten Zubauten der KSF inkl. Batteriespeicher

Der EVU-Bezug bzw. die Einspeise-Energie geht nahezu gegen Null. Des Weiteren weist das Energiefluss- Diagramm eine erhebliche ungenutzte Menge an Klärgas aus, welche für eine „sonstigen Verwendung“ zur Verfügung steht. Dieser Klärgasüberschuss kann als Reserve für zusätzlich benötigte elektrische oder thermische Energie am Standort gesehen werden. Aus diesem Grund sehen wir die Energie-Autarkie des Standortes als unkritisch an. Diese These gilt nur unter der Voraussetzung, dass der Klärschlamm genügend biogenes Energie-Potential mitbringt.

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28. Transformator-Auslastung und EVU-Bezug

Wie bereits in der Bestandsaufnahme in Kapitel 6 beschrieben ist am Standort des Klärwerks Bersenbrück der Anschluss and EVU-Netz über die Mittelspannungsebene realisiert. Die Transformation auf die Niederspannungsebene erfolgt über einen standorteigenen Transformator mit einer Scheinleistung von 630 kVA, welcher betriebssicher in einem separaten Schaltraum des Hauptgebäudes untergebracht ist. Von dort aus erfolgt die Zuordnung und Verteilung der elektrischen Bezugsleistung über die Niederspannungs- hauptverteilung (NSHV).

Abb.21: Histogramm über den Leistungsaustausch mit dem EVU-Netz in drei Varianten

Die Simulation zeigt, dass im finalen Ausbauzustand mit BHKW und Batteriespeicher im Normal-Betrieb praktisch kein EVU-Netz-Bezug oder EVU-Netz-Einspeisung mehr stattfindet. Die Einträge der Simulation liegen alle bei 0kW. Der Netzanschluss wird durch den Zubau der Klärschlammfaulung entlastet. Selbst bei der Betrachtung ungünstiger Lastfälle, oder bei Ausfall einzelner Komponenten wie z.B. Speicher sind keine Überlastungsfälle für den Netzanschluss mit 630 kVA erkennbar.

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Wir empfehlen dennoch den Leistungsbezug und die eingespeiste Leistung gegen die Trafo-Leistung zu überwachen. Das Energie-Management-System EMS sollte die Trafoauslastung mit ggf. 15%iger Reserve überwachen, Alarme und Warnungen rausgeben und entsprechen reagieren.

Grenzwert für Trafoleistung: 630kVA mit 15% Reserve -> 535 kW

Unter der Bedingung: Phasenwinkel cos(phi) = 1

Grenzfall 1: Es gibt einen Fall der ggf. kritisch in Bezug auf die Trafo-Auslastung sein könnte. Wenn der Notstrom- Generator mit 434kW Nennleistung über die Regelenergie unter Volllast angefordert wird, gleichzeitig die PV-Anlage im Maximum einspeist, der Anlagenbedarf relativ gering ist, das BHKW manuell gestartet wurde und der Batteriespeicher ausgefallen ist, dann droht ggf. eine Überlastung des Transformators.

Regelenergie Notstrom: -434 kW Einspeisung

PV-Anlage: -140 kW Einspeisung

Anlagenbedarf: 45 kW Bezug

BHKW (manueller-Betrieb 50%): -95 kW Einspeisung

Batteriespeicher (Störung): 0 kW Ausgleich

resultierende Trafo-Leistung: |-625 | kW > 535 kW -> Überlast !!!

Grenzfall 2: Ein weiterer Fall der ggf. kritisch in Bezug auf die Trafo-Auslastung sein könnte, wäre, wenn der Notstrom- Generator mit 434kW Nennleistung über die Regelenergie unter Volllast angefordert wird, gleichzeitig die PV-Anlage im Maximum einspeist, der Anlagenbedarf relativ gering ist und die Klärschlammfaulung abgeschaltet wurde. (theoretisch ist dieser Fall heute schon denkbar)

Regelenergie Notstrom: -434 kW Einspeisung

PV-Anlage: -140 kW Einspeisung

Anlagenbedarf (KSF aus): 20 kW Bezug

BHKW (aus): 0 kW Einspeisung

Batteriespeicher (aus): 0 kW Ausgleich

resultierende Trafo-Leistung: |-554| kW > 535 kW -> Überlast !!!

Grenzfall 3: Ein weiterer Fall der ggf. kritisch in Bezug auf die Trafo-Auslastung sein könnte, wäre, wenn der Notstrom- Generator aus ist, gleichzeitig die PV-Anlage keine Leistung produziert, der Anlagenbedarf durch manuelles Einschalten aller Aggregate maximal hoch ist, das BHKW und der Batteriespeicher abgeschaltet sind, dann droht ggf. eine Überlastung des Transformators. Die folgende Betrachtung zeigt für diesen Fall keine Überlastungsgefahr.

Regelenergie Notstrom: 0 kW Einspeisung

PV-Anlage: 0 kW Einspeisung

Anlagenbedarf (manuell ein): 450 kW Bezug

BHKW (aus): 0 kW Einspeisung

Batteriespeicher (aus): 0 kW Ausgleich

resultierende Trafo-Leistung: |450| kW > 535 kW -> OK !!!

Diese Grenzfälle liegen weit ab des Normalbetriebes. Die Simulation hat gezeigt, dass der Anlagenbezug im Normalbetrieb maximal bei 232,3kW bzw. minimal bei -98,4kW liegt. Diese Werte werden im Normalbetrieb zu 100% vom geplanten Batteriespeicher aufgenommen, sodass am Netz-Verknüpfungspunkt keine Leistung mehr ausgetauscht werden sollte. (Konfiguration: KA + KSF + HPW + PV1 + PV2 + Batteriespeicher)

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29. Zusammenfassung und Empfehlung

Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass der geplante Ausbau der Kläranlage Bersenbrück um eine zentrale Klärschlammfaulung unter den zugrunde gelegten Randbedingungen technisch geeignet ist, den Standort weitgehend energieautark zu betreiben. Die durchgeführten Analysen der elektrischen und thermischen Energieflüsse, der Klärgasproduktion, der BHKW-Betriebsweise sowie der Speichertechnologien bestätigen, dass die geplante Anlagenkonfiguration die Anforderungen an einen energieeffizienten und zukunftsfähigen Anlagenbetrieb erfüllt.

Im Rahmen der Untersuchung wurden die vorhandenen Verbrauchsdaten des Kläranlagenstandortes analysiert und mit den prognostizierten Lasten der geplanten Klärschlammfaulung sowie des Hauptpumpwerkes kombiniert. Daraus ergibt sich für den zukünftigen Gesamtstandort ein mittlerer elektrischer Energiebedarf von rund 2.470 kWh pro Tag. Die aus der Massen- und Energiebilanz abgeleitete Klärgasproduktion liegt oberhalb der zur Energieautarkie benötigten Gasmenge, sodass ausreichend Energiereserven vorhanden sind. (Unter der Voraussetzung, dass der Klärschlamm und die Co-Substrate den notwendigen Energie-Eintrag liefern)

Die Untersuchungen zum Gasspeicher zeigen, dass das geplante Speichervolumen von 800 m³ ausreichend dimensioniert ist, um die zeitliche Entkopplung zwischen kontinuierlicher Klärgasproduktion und schwankendem Energiebedarf sicherzustellen. Selbst die unwahrscheinliche Annahme einer extrem langen Belüftungsphase mit schwacher Frischgaszufuhr aus dem Fermenter würde das Gasspeichervolumen abfedern können (siehe Kapitel 14). Für den Fall, dass überschüssiges Klärgas anfällt, werden keine großen Speicherreserven benötigt, da eine Klärgasausspeisung als Weitervermarktung geplant ist.

Auch die Wärmeversorgung des Standortes wird durch die anfallende Wärmeproduktion der stromgeführten Betriebsweise des BHKWs vollständig abgedeckt. Die geplante Wärmespeicheranlage mit 22 m³ Speichervolumen ist ausreichend dimensioniert, um während der BHKW-Stillstandzeiten in der Heizperiode den Wärmebedarf lückenlos zu decken.

Die Analyse der 15-Minuten-Leistungsdaten verdeutlicht, dass ein alleiniger BHKW-Betrieb zwar den überwiegenden Teil des Strombedarfs decken kann, jedoch mit einer vergleichsweisen hohen Taktung verbunden wäre. Durch die Integration eines Batteriespeichers wird diese Problematik wirkungsvoll gelöst. Die Simulationen zeigen, dass ein Batteriespeicher mit 250 kW Lade- und Entladeleistung sowie 400 kWh Speicherkapazität einen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Auslegungspunkt darstellt. Dadurch wird die Anzahl der BHKW-Starts um rund 85 % reduziert und gleichzeitig eine nahezu vollständige Energieautarkie erreicht.

Von besonderer Bedeutung für den zukünftigen Anlagenbetrieb ist das Energie-Management-System (EMS). Die Simulationen zeigen, dass die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems nicht allein von der installierten Hardware abhängt. Erst durch die intelligente Koordination von Klärgasproduktion, Gasspeicher, BHKW, Wärmespeicher, Batteriespeicher, Photovoltaikanlagen und Verbrauchern kann das volle Optimierungspotential ausgeschöpft werden. Die EMS-Strategie ist damit ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die langfristige Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Gesamtanlage.

Auch hinsichtlich des bestehenden Netzanschlusses ergeben sich nach derzeitigem Kenntnisstand keine Einschränkungen. Der vorhandene Transformator mit 630 kVA Leistung bietet ausreichende Reserven für den Normalbetrieb. Kritische Betriebssituationen wurden identifiziert und können durch geeignete Überwachungs- und EMS-Funktionen beherrscht werden.

Zusammenfassende Empfehlungen • Umsetzung der geplanten Klärschlammfaulung gemäß aktueller Planung. • Beibehaltung des vorgesehenen Gasspeichervolumens von 800 m³. • Umsetzung des vorgesehenen Wärmespeichers mit 22 m³ Heizwasservolumen. • Einsatz eines Batteriespeichers mit 250 kW Lade-/Entladeleistung und 400 kWh Speicherkapazität. • Stromgeführter Betrieb der BHKW-Anlage. • Implementierung eines prädiktiven Energie-Management-Systems mit Berücksichtigung von Gasspeicher, Batteriespeicher, PV-Erzeugung und Belüftungsbetrieb. • Kontinuierliche Optimierung der EMS-Strategien auf Basis realer Betriebsdaten nach Inbetriebnahme.

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Projekt-Risiken Als größtes Projektrisiko wird aktuell der tatsächliche Gasertrag angesehen. Die prognostizierte Energieneutralität des Standorts kann nur erreicht werden, wenn die prognostizierten Gasproduktion gemäß Massen- und Energiebilanz erreicht wird. Dieser Gasertrag ist maßgeblich von den Inputstoffen und deren organischer Energie-Fracht abhängig.

Gesamtergebnis Unter den getroffenen Annahmen wird die geplante Anlagenkonfiguration als technisch geeignet bewertet, den Kläranlagenstandort Bersenbrück bereits ab der Inbetriebnahme der Klärschlammfaulung weitgehend energieautark und energieneutral zu betreiben. Die vorhandenen und geplanten Energie- und Speicherreserven werden als ausreichend bewertet. Es wäre eine dringende Empfehlung den Batteriespeicher aus dem Energie-Konzept in die tatsächliche Ausführungsplanung zu übernehmen. Aus technischer Sicht bestehen keine erkennbaren Hindernisse für die Umsetzung des vorgestellten Energiekonzeptes.

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