FlexAqua – Wie KI mehr Effizienz ins Klärwerk bringt

Forschung Erneuerbare Energie Klimaschutz

Strom und Wärme dann verbrauchen, wenn sie gerade besonders klimafreundlich und günstig sind: Das klingt smart! Doch wie kann das in einer komplexen Anlage wie dem Großklärwerk in Köln-Stammheim gelingen? Das Forschungsprojekt FlexAqua probiert es mit Künstlicher Intelligenz als Energiemanager aus.

Die Rahmenbedingungen

Das Großklärwerk Köln-Stammheim reinigt täglich enorme Mengen Abwasser. Die riesige Anlage am rechten Rheinufer reinigt das Schmutzwasser von 800.000 Menschen sowie industrielle Abwässer. Bis zu 8,2 Kubikmeter pro Sekunde fließen bei Regen aus dem Kölner Mischwasser-Kanalnetz über das Einlaufpumpwerk in das Klärwerk mit seinen riesigen Rechen, Becken und Faultürmen. Die ausgeklügelten physikalischen und biologisch-chemischen Reinigungsstufen greifen dabei wie Zahnräder ineinander.

Die Energie, die für die Aufbereitung des Wassers nötig ist, produziert das Großklärwerk zu einem großen Teil selbst. Photovoltaikanlagen auf dem Dach und Blockheizkraftwerke, die mit dem Klärgas aus den Faultürmen betrieben werden, erzeugen auf nachhaltige Weise Strom und Wärme. Die Stadtentwässerungsbetriebe Köln setzen bei ihrer energieintensiven Anlage bewusst auf umweltfreundliche Technologien. So sparen sie Kosten, verringern den CO₂-Fußabdruck der Abwasserreinigung – und helfen dabei, die Klimaziele der Stadt zu erreichen. Das macht das Großklärwerk zugleich zum idealen Versuchslabor für das Forschungsprojekt FlexAqua.

Das Projekt wird von der Europäischen Union und dem Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW 2021-2027 gefördert.

Mechanisch, biologisch, chemisch: Klärwerke reinigen Abwasser in einem mehrstufigen Prozess

Energie smarter einsetzen

Energielieferanten: In den Faultürmen des Großklärwerks entstehen Klärgase. Aus ihnen wird im angrenzenden Blockheizkraftwerk Wärme und Strom.

Das Ziel des vom Land NRW und der EU geförderten Vorhabens ist ein flexibleres Energiemanagement. Der Betrieb des Großklärwerks soll künftig noch besser auf die eigene Energieproduktion abgestimmt werden. So könnten Teile des energieintensiven Reinigungsprozesses zeitlich so verschoben werden, dass sie dann stattfinden, wenn besoners viel Strom durch Photovoltaik, das Blockheizkraftwerk oder andere erneuerbare Quellen wie Windkraft erzeugt wird. Denkbar ist auch eigenes Biogas für ein energieintensives Regenereignis zurückzuhalten und bei niedrigen Preisen Strom zu beziehen. Die nachhaltigen Energieträger werden so möglichst effizient genutzt und weniger Energie muss zugekauft werden.

Um dies zu erreichen, arbeiten Wissenschaftler der Bergischen Universität Wuppertal und der Universität Duisburg-Essen eng mit dem IT-Unternehmen EnFlex.It und den Stadtentwässerungsbetrieben Köln zusammen. Ihr Vorhaben ist ambitioniert. Denn was einfach klingt, ist in Wahrheit hochkomplex. Warum? Unzählige Faktoren beeinflussen die Abläufe im Klärwerk genauso wie die Produktion von regenerativer Energie. Wie viele Liter Schmutz- und Regenwasser fallen zum Beispiel in einem bestimmten Zeitraum an? Wann entsteht ein besonders hoher Strombedarf (Spitzenlasten), also wann wird besonders viel Energie benötigt? Wie beeinflusst das Wetter die Produktion von Wind- und Sonnenstrom?

Ein digitaler Zwilling für das Klärwerk

All diese Einflüsse sind nur schwer zu prognostizieren. Sie sind aber entscheidend für das intelligente Steuerungssystem, das das FlexAqua-Team entwickeln möchte. Die Forscher setzen deshalb auf die Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI), genauer gesagt auf Methoden des maschinellen Lernens. Dabei werden unzählige Echtzeitdaten rund um Wasserzulauf, Wetter und Energieproduktion analysiert und im Anlagenmodell, das mit Machine Learning laufend verbessert wird, verarbeitet. So können immer genauere Vorhersagen getroffen werden.

Dieses möglichst genaue virtuelle Abbild des Großklärwerks bildet als sogenannter digitaler Zwilling die Grundlage für den Prototypen des smarten Assistenzsystems. Dieses soll den Mitarbeitenden in der Leitstelle des Klärwerks in Zukunft Vorschläge machen, wie sie die Anlage energieeffizienter steuern können. In der Leitstelle laufen alle Fäden zusammen. Hier überwachen Techniker sämtliche Prozesse der Abwasserreinigung – auch mit der neuen Steuersoftware behalten sie das letzte Wort. Die KI unterstützt, aber Entscheidungen trifft weiterhin der Mensch.

„Ein flexibles Energiemanagement bietet großes Potenzial, um die Abwasserreinigung nachhaltiger zu gestalten und Kosten zu sparen.“
Mathias Brune, Betriebsingenieur bei den StEB Köln

Klärwerke als Puffer für Energienetze

Das Potenzial eines smarten Assistenten in der Leitstelle ist groß. Zwar lässt sich die Abwasserreinigung nicht 100-prozentig mit der regenerativen Energieerzeugung in Einklang bringen. Aber schon kleine Veränderungen im zeitlichen Ablauf bewirken viel – nicht nur im Großklärwerk Köln-Stammheim, sondern auch in anderen Abwasseranlagen.

Darüber hinaus unterstützt ein intelligentes Energiemanagement die Energiewende. Da die Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen schwankt, wird es zunehmend schwieriger, die Netze – und die Strompreise – stabil zu halten. Große Industriebetriebe oder Infrastrukturanlagen wie das Klärwerk können dabei unterstützen: indem sie mal Stromverbraucher und mal Stromlieferant sind. Bei Engpässen könnte das Großklärwerk Strom aus eigener Produktion ins öffentliche Netz einspeisen. Umgekehrt könnte es überschüssigen grünen Strom aufnehmen und verbrauchen, der sonst das Netz überlasten würde. Das geht nur, wenn der laufende Betrieb flexibel ist.

Mit dem bis Mitte 2027 laufenden Forschungsprojekt FlexAqua liefert das Großklärwerk in Köln-Stammheim somit einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Klimawende. Nebenbei spart die smarte Steuerung des Betriebs Energiekosten. Und das freut am Ende alle Kölnerinnen und Kölner.