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Anwendung und Vervollkommnung energieeffizienter Verfahren und Ausrüstungen in der Aquakultur

Dr. F. Rümmler, Institut für Binnenfischerei e.V. Potsdam-Sacrow

Vortrag auf der öffentlichen Vortragsveranstaltung des VDFF am 31.08.2010 im Rahmen des Deutschen Fischereitags in München

1. Einleitung Der Begriff Energieeffizienz bezeichnet das Verhältnis von gewünschtem Nutzen durch den Einsatz von Energie zum dazu erforderlichen Aufwand an Energie. Dabei tragen alle Maßnahmen, die dazu dienen, die Menge verbrauchter Energie zu verringern, zur Erhöhung der Energieeffizienz bei. Es gibt eine Reihe von Veranlassungen zur Verbesserung der Energieeffizienz bzw. zur Energieein-sparung. In erster Linie sind es betriebswirtschaftliche, monetäre Anreize, die Klein- und Mittelunternehmen zur Erhöhung der Energieeffizienz bzw. zum Energiesparen veranlassen bzw. veranlassen sollten. Auslöser sind dabei die gegenwärtigen und zukünftig zu erwartenden Energiepreise und der Anteil der Energiekosten an den Gesamtkosten eines Unternehmens. Daneben können auch zeitlich meist begrenzte Subventionen zur Einführung und breiteren Nutzung neuer umweltschonender aber noch teurer Formen der Energieerzeugung sowie energiesparender Techniken ein Anreiz sein. Weiterhin kann es gesetzliche Anforderungen geben, die Energieeffizienz bei Bauten, Verfahren usw. zu verbessern. Möglichkeiten für die Verbesserung der Energieeffizienz bilden alle entsprechenden Maßnahmen, Geräte, Einrichtungen und Verfahren, die der wissenschaftlich-technische Fortschritt bereitstellt. Dabei sind für die Binnenfischerei und speziell die Aquakultur sowohl die allgemein, meist in ei-nem weiten Bereich der Wirtschaft eingesetzten Geräte, Fahrzeuge und Verfahren als auch spezielle wirtschaftszweigspezifische Geräte und Verfahren von Bedeutung. 2. In der Aquakultur genutzte Energieformen und Umfang ihrer Anwendung sowie Maß-

nahmen zu ihrem effizienten Einsatz Für die Betrachtung möglicher Verbesserungen der Energieeffizienz in der Aquakultur müssen als erstes die genutzten Energieformen und der Umfang ihrer Anwendung betrachtet werden. Anschlie-ßend werden mögliche Maßnahmen zu ihrem effizienten Einsatz diskutiert. Dabei werden nur die unmittelbaren fischereitechnologischen Prozesse betrachtet. Im Wesentlichen handelt es bei den in der Aquakultur genutzten Energieformen um Kraftstoffe und Elektroenergie und in geringerem Umfang um Wärmeenergie. Daneben ist das eingesetzte Futter die umfangreichste Energieformen. 2.1 Futter Die Größenordnung des Futtereinsatzes in der deutschen Binnenfischerei lässt sich auf der Basis der Höhe der Fischerzeugung und einer abgeschätzten Futterverwertung für die einzelnen Teilbereiche überschlägig zu ca. 25 Tsd. t Getreide und ca. 29 Tsd. t extrudierter Pelletfuttermittel abschätzen. Das entspricht bei Preisen von 160 €/t Getreide und 1.250 €/t Pellets einem Gesamtwert von ca. 40 Mio. €/a. Die jährlich in Deutschland eingesetzte Energie der Futtermittel kann insgesamt mit ca. 1,07 Mrd. MJ bzw. 298 Tsd. MWh veranschlagt werden. Auf elektrische Verbraucher umgerechnet würde das einer ganzjährig genutzten Anschlussleistung von 34 MW entsprechen. Möglichkeiten der Energieeinsparung bzw. der Verbesserung der Effizienz des Einsatzes dieser Energieform bestehen in der Steigerung der Futterverwertung bzw. der Senkung des Futterquotien-

2  ten, die ohnehin ein zentrales Ziel der fischereilichen Bewirtschaftung sind. Die Art des eingesetz-ten Futters, wie z. B. Hochenergiefuttermittel mit optimiertem Energie/Protein-Verhältnis, das Füt-terungsmanagement, insbesondere die Verabreichung der optimalen Futtermenge und die spezifi-schen Umwelt-, Haltungs- und Bewirtschaftungsbedingungen sind hierbei die wichtigsten Einfluss-größen. Für einen effizienten Einsatz der heutigen qualitativ sehr hochwertigen aber auch teuren Futtermit-tel ist die Verabreichung einer optimalen Futtermenge, die durch die Fische vollständig aufgenom-men und in einen hohen Zuwachs umgesetzt wird von entscheidender Βedeutung. Nur so lässt sich die angestrebte sehr gute Futterverwertung erzielen. Die optimale Futtermenge ergibt sich aus der Multiplikation der festzulegenden optimalen be-standsbezogenen Fütterungsrate mit der möglichst genau bestimmten Fischbestandsmasse. Die Grundlage für die Festlegung der Fütterungsrate sind die Fütterungstabellen der Hersteller. Die-se geben die prozentual auf den Bestand bezogene täglich zu verabreichende Futtermenge in Ab-hängigkeit von der Stückmasse der Fische und der Temperatur an und wurden anhand von Fütte-rungsversuchen ermittelt. Diese Werte werden anschließend entsprechend den standortspezifischen Bedingungen und u. U. temporärer Ereignisse nach den vorhandenen Erfahrungen des Anlagenbe-treibers korrigiert. Als zweites ist eine möglichst genaue Kenntnis des vorhandenen Fischbestandes erforderlich. Deren Ermittlung kann auf verschiedene Art und Wiese erfolgen. Beim Besatz wird meist eine Bestimmung der gesamten Fischmasse sowie der mittleren Stückmas-se aus Stichprobenwägungen vorgenommen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Zählung aller Fische und wiederum der Stückmassebestimmung aus Stichprobenwägungen. Die Massebestim-mung und Zählung des Gesamtbestandes wäre die beste Variante. Für die Berechnung der optimalen Futtermenge ist im weiteren Aufzuchtverlauf vor allem die Kenntnis der Stückzahl erforderlich. Dabei werden die Verluste von der Besatzstückzahl abgezo-gen. Zusätzlich werden wöchentlich oder 14tägig Stichprobenwägungen zur Stückmassebestim-mung durchgeführt. Beim Sortieren der Fische erfolgt im einfachsten Fall eine Zwischenhälterung der sortierten Frak-tionen und anschließend deren Wägung zur Bestandsmassebestimmung sowie Stichprobenwägun-gen zur Stückmassebestimmung. Beim Einsatz von Sortiermaschinen kann die Wägung oder Zählung der einzelnen Fraktionen be-reits mit entsprechenden Geräten an den Ausläufen der Sortiermaschine vorgenommen werden. Zu-sätzlich sind immer Stichprobenwägungen zur Stückmassebestimmung erforderlich. In kleineren Anlagen werden die Fütterungsraten häufig nur auf der Grundlage grob abgestufter Ta-bellen und von Erfahrungswerten festlegen. Insgesamt sind dabei leichter Abweichungen zwischen geschätztem und realen Bestand möglich. In größeren Anlagen, die über entsprechende Geräte und Einrichtungen für das Zählen, Wägen und Sortieren der Fische, automatische Fütterungsanlagen sowie PC-gestützte Bestandsführungs- und Fütterungsprogramme verfügen, lassen sich die Differenzen zwischen geschätztem und wahren Be-stand gering halten (Abb. 1 - 5). Auf dieser Grundlage lässt sich eine sehr gute Futterverwertung bei gleichzeitig noch hoher Stückmassezuwachsrate erreichen. In beiden Fällen ist aber neben den Fütterungstabellen bzw. -programmen auch immer das Fress-verhalten der Fische ein wesentliches Regulativ für die zu verabreichende Futtermenge. 2.2 Kraftstoffe Kraftstoffe werden insbesondere für Kraftfahrzeuge eingesetzt, die Transportaufgaben erfüllen. Der Umfang des Kraftstoffeinsatzes für Arbeitsmaschinen dürfte gegenüber dem für Transporte gering sein. Die Größenordnung der Transportwegstrecke in der deutschen Binnenfischerei wurde für den Fischtransport und den Futtermitteltransport auf 5,6 Mio. km LKW-Fahrten und 1,14 Mio. l Diesel pro Jahr geschätzt. Daraus ergibt sich ein Energieeinsatz für die Transporte von 11,2 Tsd. MWh bzw. 1,37 Mio. € für den Dieselkraftstoff. Auf elektrische Verbraucher umgerechnet würde das eine

3  ganzjährig genutzte Anschlussleistung von 1,3 MW bedeuten. Der Energieeinsatz durch das Futter ist um das ca. 30-fache höher als der für die wesentlichsten Transporte. Zur Verbesserung der Energieeffizienz beim Transport ist neben der Optimierung der Transportwe-ge und des Transportumfangs vor allem die Verringerung des Kraftstoffeinsatzes pro gefahrenem Kilometer von Bedeutung. Diese Zielstellung ist für das gesamte Transportwesen charakteristisch. Daher werden die Verbesserungen durch den wissenschaftlich-technischen Fortschritt auf diesem Gebiet auch in der Fischerei automatisch Anwendung finden. 2.3 Technische Wärme Technisch erzeugte Wärmeenenergie wird in größerem Umfang in Warmwasser-Durchflussanlagen genutzt. In den gegenwärtig in Deutschland betriebenen zwei Warmwasser-Durchflussanlagen mit offenem Kreislauf werden insbesondere Satzkarpfen während des Winterhalbjahres aufgezogen (Abb. 6). In beiden Fällen wird warmes Wasser aus Braunkohlekraftwerken genutzt.

Abb. 1: Selbstständig arbeitende Sortierungsanlage in einer teilgeschlossenen Kreislaufanlage in Dänemark (selbstständig fahrendes Treibgitter, Vakuumsauggerät, Sortiermaschine und Waagen an den einzelnen Ausläufen der Sortiermaschine)

  Abb. 2: Selbstständig fahrendes Treibgitter Abb. 3: Waagen an den einzelnen Ausläufen der Sortiermaschine

4  Die in den Anlagen genutzte Wärmemenge stellt Abwärme des Kraftwerks dar, die ansonsten über die Kühltürme in die Atmosphäre abgegeben werden würde. Der Wärmeenergieeinsatz liegt in die-sen Anlagen bei ca. 6,5 MWh/t Fischzuwachs. Insgesamt werden für die beiden offenen Warmwas-seranlagen ca. 1,6 Tsd. MWh pro Jahr eingesetzt. Die Nutzung des Warmwassers erfolgt in beiden Fällen kostenlos. Eine effiziente Nutzung der verfügbaren Wärmeenergie ist durch das Bestreben, mit dem verfügba-ren Warmwasser eine möglichst große Fischmasse zu halten bzw. zu produzieren, von vornherein gegeben. Dies drückt sich in dem angestrebten minimalen spezifischen Frischwassereinsatz von 5 m³/t*h und darunter aus. Die geringe Größenordnung des Energieeinsatzes ergibt sich vor allem da-durch, dass die durchschnittliche Temperaturabsenkung beim Durchlaufen der Anlage mit weniger als 1 °C sehr gering ist.

Abb. 4: Automatische Fütterungsanlage

Abb. 5: Bestandsführungsprogramm Ein weiterer Einsatz von technischer Wärmeenergie ist aufgrund unserer klimatischen Bedingungen in geschlossenen Warmwasser-Kreislaufanlagen erforderlich. Die hier aufgezogenen Warmwasser-

Teichkarte Seite 1Teich 10 S1 Produktionscode 20100027Fischtyp RAINFutterniveau 0,84Datum KG. STÜCK GRÖSSEMittlere Temperatur 14,4Eingesetzt 06.06.2010 833 5001 166,6 Zuwachs in % 1,02Zugang/Abgang 127 Betriebstage 34Zuwachs 404 Summe Futter 415- Tote Fische 1 Fütterung % 1,04- Verkauft 0 FQ 1,02Saldo 09.07.2010 1.363 5760 236,6

Datum Temperatur Kg Futter Futter Verluste Zuwachs in % Biomasse Grösse FQ Stückzahl06. Jun 14,5 0 Ecolife 19 4,5 962 166 5.79507. Jun 14,5 0 Ecolife 19 4,5 962 166 5.79508. Jun 14,5 10 Ecolife 19 4,5 1,23 974 168 0,83 5.79509. Jun 14,5 10 Ecolife 19 4,5 1,22 986 171 0,83 5.76610. Jun 14,5 10 Ecolife 19 4,5 1,2 998 173 0,83 5.76611. Jun 14,5 12 Ecolife 19 4,5 1,49 1.013 175 0,8 5.76612. Jun 14,5 12 Ecolife 19 4,5 1,46 1.028 178 0,8 5.76613. Jun 14,5 12 Ecolife 19 4,5 1,44 1.043 180 0,8 5.76614. Jun 13 12 Ecolife 19 4,5 1,42 1.058 183 0,8 5.76615. Jun 14,5 12 Ecolife 19 4,5 1,4 1.073 186 0,8 5.76616. Jun 14,5 13 Ecolife 19 4,5 1,48 1.089 188 0,81 5.76617. Jun 9,8 13 Ecolife 19 4,5 1,45 1.105 191 0,81 5.76618. Jun 10 13 Ecolife 19 4,5 1,43 1.121 194 0,81 5.76619. Jun 10 13 Ecolife 19 4,5 1 1,41 1.136 197 0,81 5.76520. Jun 14,5 13 Ecolife 19 4,5 1,39 1.152 199 0,81 5.76521. Jun 14,5 13 Ecolife 19 4,5 1,37 1.168 202 0,81 5.76522. Jun 14,5 13 Ecolife 19 4,5 1,36 1.184 205 0,81 5.76523. Jun 14,5 13 Ecolife 19 4,5 1 1,34 1.199 208 0,81 5.76424. Jun 14,5 15 Ecolife 19 4,5 1,49 1.217 211 0,83 5.76425. Jun 13 15 Ecolife 19 4,5 1,46 1.235 214 0,83 5.764

5  fische benötigen je nach Art eine optimale Wassertemperatur von 23 - 28 °C. Um einen ökono-misch effizienten Wärmeenergieeinsatz zu ermöglichen, ist eine wärmeisolierte Halle für den Pro-duktionsteil erforderlich. Zusätzlich sollte für die in der Anlage tätigen Arbeitskräfte ein akzeptab-les Raumklima hergestellt werden. In einer Fischproduktionsanlage tritt ein Wärmegewinn durch die eingesetzte elektrische Energie, vor allem die der Pumpen und Gebläse, den biochemischen Abbau der Stoffwechselendprodukte der Fische sowie die Sonneneinstrahlung im Sommer auf. Bei guter Wärmeisolierung können diese Energiequellen von Mitte Mai/Anfang Juni bis Mitte/Ende August bereits ausreichend sein, um Wassertemperaturen um 23° C aufrecht zu erhalten. Der darüber hinausgehende Heizenergiebedarf setzt sich aus dem Wärmebedarf zur Aufheizung des eingespeisten Frischwassers und der zugeführ-ten Frischluft sowie dem Bedarf zum Ausgleich der Wärmeverluste des Anlagenwassers zusammen. Letztere entstehen durch die Wärmeverluste der Halle und des Bodens an die Umgebung. Der Wärmeenergiebedarf und sein Stellenwert innerhalb der Gesamtkosten für den Betrieb ge-schlossene Warmwasser-Kreislaufanlagen werden dadurch häufig überschätzt. Bei der Betrachtung der Betriebskosten geschlossener Warmwasser-Kreislaufanlagen liegen die anteiligen Kosten für die Wärme nur bei wenigen Prozent. Das Vorhandensein kostengünstiger Wärme stellt damit einen interessanten aber nicht entscheidenden Standortvorteil für geschlossene Warmwasser-Kreis-laufanlagen dar. Ohne Berücksichtigung von Beispielen der kostenlosen Luxuswärmenutzung ergibt sich, auch in Abhängigkeit von der erforderlichen Temperatur durch die aufgezogene Fischart und des angestreb-ten Raumklimas, ein Bereich des Wärmeenergieeinsatzes von ca. 3 - 8 MWh/t Fischzuwachs. Be-zogen auf die gegenwärtige Produktionshöhe der geschlossenen Warmwasser-Kreislaufanlagen in Deutschland von ca. 1000 t/a ergibt sich ein Energieeinsatz von 5,5 Tsd. MWh pro Jahr mit einem Kostenumfang von ca. 193 Tsd. €/a (Erdgasnutzung mit 100 % Wirkungsgrad).

Abb. 6: Warmwasser-Durchflussanlage Schwarze Pumpe Prinzipiell lassen sich für geschlossene Warmwasser-Kreislaufanlagen alle bekannten Formen der Wärmeerzeugung einsetzen, solange sie im speziellen Fall wirtschaftlich sinnvoll sind. In vielen Fällen kann die Kraft-Wärme-Kopplung, d.h. der Einsatz von Blockheizkraftwerken (BHKW´s) ei-ne ökonomisch sinnvolle und energieeffiziente Lösung sein. Als Energieformen können hier Erdgas oder Biogas eingesetzt werden. Es können Wirkungsgrade von 90 % und darüber der eingesetzten Primärenergie erreicht werden. Bei der Erdgasnutzung kommt eine Verbesserung der energetischen Effizienz durch die Kombinati-on mit einem Brennwertkessel zur Wasseraufheizung während der thermischen Spitzenbelastungs-zeit im Winter und einem Kreuzwärmetauscher bei der Lüftung hinzu. In beiden Fällen wird ein Großteil der Wärme des abgeleiteten Gasstromes zurückgewonnen und dadurch eine hohe Energie-effizienz erreicht.

6  Das Stromaggregat des BHKW´s dient zur Elektroenergie-Normalversorgung der Anlage und die dabei entstehende Abwärme wird zum großen Teil für die Deckung des Wärmebedarfs der Kreis-laufanlage genutzt. Das öffentliche Elektroenergienetz bildet die zusätzliche unabhängige Elektro-energieversorgung für Havariefälle. Bei der Kopplung von Fischproduktionsanlagen mit Biogasanlagen liegen etwas andere Verhältnis-se vor. Hier steht die Nutzung der Abwärme der Biogasanlage im Vordergrund. Einen Vorteil durch die Vergütung nach dem EEG kann aber nur der Betreiber der Biogasanlage erzielen. Da der reale Wärmebedarf der Fischproduktion in den üblichen Maßstäben nicht allzu hoch ist, sind auch die er-zielbaren Vergütungen begrenzt. Der Energieeinsatz für die Wärmenutzung in geschlossenen und offenen Anlagen der Aquakultur von z. Z. 7,1 Tsd. MWh/a ist der geringste Wert im Vergleich zum Futter und den Kraftstoffen. 2.4 Elektroenergie Der Elektroenergieeinsatz steht sehr häufig im Mittelpunkt der Betrachtungen zur Energieeffizienz in der Aquakultur. Elektroenergie wird in erster Linie für Arbeitsmaschinen, d.h. den Betrieb von Motoren und in ge-ringerem Umfang zur Beleuchtung der Anlagen genutzt. Der Energieaufwand für Strahlungserzeu-ger (UV und Ozon) sowie elektrische Wärmeerzeugung ist vernachlässigbar. Der Umfang des Elektroenergieeinsatzes in der Aquakultur lässt sich aufgrund des universellen Einsatzes dieser Energieform und der Vielgestaltigkeit der Anlagen nicht abschätzen. Bei der Erhöhung der Energieeffizienz der elektrischen Beleuchtung werden die üblichen Maßnah-men wie Leuchtstofflampen und Energiesparlampen eingesetzt. Beim Einsatz von Motoren für Geräte zum Lebendfischumschlag, d.h. Vakuumsauggeräte, Fisch-pumpen, Sortiermaschinen usw. stehen die funktionellen Aspekte im Vordergrund. Die Energieeffi-zienz ist hier insbesondere durch die begrenzte Nutzungsdauer eher zweitrangig. Der Einsatz von Motoren erfolgt zum anderen für Pumpen, Gebläse und Antriebe von Geräten (z.B. Siebtrommelfilter), die zur Realisierung der verfahrenstechnischen Prozesse in der Aquakultur ge-nutzt werden. Dazu gehören Wasserförderung, Belüftung, Begasung und Entgasung sowie mecha-nische und biologische Reinigung. Der ständige oder über längere Zeiträume notwendige Betrieb dieser Prozesse führt zu entsprechenden Energieaufwendungen und der Suche nach Möglichkeiten der Energieeinsparung. Beim Einsatz von Pumpen und Gebläsen stellt sich häufig die Aufgabe, den Förderstrom zu regulie-ren, um ihn den technologischen Erfordernissen anzupassen. In der herkömmlichen Art und Weise läuft der Antriebsmotor im Bereich der Nennleistung und der gewünschte Förderstrom wird durch die Regulierung eines Drosselorgans unter Energieverlust eingestellt. Besser regelbar und ohne Energieverlust kann die Veränderung des Förderstromes durch Frequenz-umrichter erfolgen. Diese erzeugen eine steuerbare Frequenz (und Spannung) des Stromes durch die die Drehzahl des Motors und damit der Durchfluss bzw. die Förderhöhe der Pumpe oder des Geblä-ses verändert werden. Ein Energieverlust tritt dadurch nicht mehr auf. Bei leistungsstärkeren Pum-pen wird in der Regel schnell eine Amortisation des Frequenzumrichters erreicht. Frequenzumrich-ter gibt es für 230 V und 400 V. Allerdings können nur Drehstrommotore eingesetzt werden und diese müssen für Frequenzumrichter geeignet sein. Die Stellmöglichkeiten des Durchflusses über Frequenzumrichter lassen sich auch zur einfachen Ferneinstellung des Durchflusses und für Regelungszwecke nutzen. In der Warmwasseranlage Schwarze Pumpe kann mit Hilfe eines Frequenzumrichters die Kreislaufwassermenge vom PC-Visualisierungssystem aus eingestellt werden oder es erfolgt mit dem Frequenzumrichter als Stell-glied eine automatische Regelung der Kreislaufwassermenge, um bei schwankender Zufluss-wassermenge einen konstanten Wasserwechsel in den Becken aufrecht zu erhalten (Abb. 7 - 9).

7  3. Energieeffiziente Verfahren der Aquakultur Bei der Anwendung und Vervollkommnung energieeffizienter Verfahren und Ausrüstungen in der Aquakultur sind weiterhin die speziellen anlagentechnologischen Gestaltungen zu betrachten. Deren Energieeffizienz ist vielfach ein entscheidender Anwendungs- und Einsatzgrund. Insbesondere sind hierbei die Prozesse der Wasserförderung sowie Belüftung, Sauerstoffbegasung und Entgasung von Bedeutung. Da die Anlagen zur Realisierung dieser Prozesse in der Regel kon-tinuierlich arbeiten und sich durch die Laufzeit ein entsprechend hoher Energieeinsatz ergibt, kommt einer energieeffizienten Anlagengestaltung eine große Bedeutung zu.

Abb. 7: Schema der Warmwasser-Durchflussanlage Schwarze Pumpe mit Kreislaufführung

Abb. 9: Pumpensumpf der Unterwasserpumpe

der Anlage Schwarze Pumpe mit Fre-quenzumrichter links

Abb. 8: Schema der Warmwasser-Durchfluss-anlage Schwarze Pumpe am PC-Visualisierungssystem mit Einstell-möglichkeiten oder Regelung der Kreislaufwassermenge

8  3.1 Nutzung des Gefälles Eine naheliegende Möglichkeit einer energieeffizienten Gestaltung besteht in der Nutzung des ge-gebenenfalls im Wasserzulauf zur Anlage oder zwischen Anlagenteilen vorhandenen Gefälles. Dadurch erfolgt zum einen der Wasserdurchfluss im einfachen Anlagendurchlauf ohne Energieauf-wand und das verbleibende Gefälle kann zum Betrieb von Belüftungs-, Entgasungs- oder Sauers-toffbegasungsanlagen genutzt werden. Ein höherer Energieeinsatz ist jedoch dann notwendig, wenn unter diesen Voraussetzungen Wasser zur Erreichung der notwendigen Wasserwechselraten wieder umgepumpt werden muss. Zur Belüftung und Entgasung sind insbesondere offene Füllkörperkolonnen mit Füllkörperschüt-tungen aus losen Füllkörpern oder Füllkörperblöcken einsetzbar (Abb. 10). Neben der hydrauli-schen Belastung, die im Bereich von 100 - 200 m/h liegt, ist hier vor allem die Höhe der Schüttung entscheidend. Bei einer Schüttungshöhe von 2 m lässt sich in der Regel eine Annäherung an die Sättigungskonzentration von über 90 % erreichen.

Abb. 10: Offene Füllkörperkolonne zur Belüftung und Entgasung (l.) und geeignete Füllkörper (r.)

Abb. 11: Strahlenreaktoren mit Düsen (Jetkästen), Schema (l.), Betrieb in einer Forellenanlage (r.)

Düsen

Überlauf

Zulauf

Sauerstoff-zufuhr

Ablauf zur Anlage

Abgasung u. Gasraumfixierung

Höhen-differenz

> 50 - 70 cm

Gasraum

9  Für die Sauerstoffbegasung sind Strahlenreaktoren mit Düsen, auch als Jetkästen bezeichnet, ein-setzbar (Abb. 11). Messungen haben bei einem optimalen Wasserdurchfluss von 5 l/s pro Düse mit 20 mm Auslaufdurchmesser bei 12 - 14 °C eine Konzentrationsaufstockung um 5 mg/l und einen Sauerstoffeintrag von ca. 85 g/Düse ergeben. Die Kosten liegen durch die Investition und den Sauerstoffeinsatz bei 0,3 €/kg Sauerstoffeintrag oder ca. 0,25 €/kg Zuwachs. Ein weiteres Verfahren, das mit vorhandenem Gefälle auskommt, ist die U-Rohrbegasung (Abb. 12).

Abb. 12: Schema der U-Rohrbegasung 3.2 Offene Kreislaufanlagen Bei der Sauerstoffanreicherung für offene Kreislaufsysteme ist eine deutliche Entwicklung hin zu energieärmeren Verfahren bei gleichzeitiger Schaffung optimierter Sauerstoffkonzentrationen er-folgt. In den ostdeutschen Forellenrinnenanlagen wurden bei einem minimalen spezifischen Frischwas-sereinsatz von 20 m³/t*h zur Erzeugung ausreichender Sauerstoffkonzentrationen die drei- bis fünf-fache Zuflusswassermenge über Belüftungskaskaden oder Tosbecken umgepumpt (Abb. 13 u. 14). Zum Austrag der Kotreste ist ein Wasserwechsel in den Rinnen von 5 - 10 h-1 erforderlich. Der Energieeinsatz liegt bei der Nutzung von Rohrgitterkaskaden im Bereich von 3 - 10 kW*h/kg O2.

Abb. 13: Forellenrinnenanlage im Osten Deutschlands Zur Verbesserung der Energieeffizienz dieser Anlagen sind mehrere Wege möglich.

10  In wenigen Fällen wurde eine Ergänzung der Anlagengestaltung durch einen parallel zur Kaskade betriebenen Sauerstoffreaktor vorgenommen (Abb. 14). Die spezifische Sauerstoffeintragsleistung dieser Geräte liegt bei ca. 2,5 kW*h/kgO2. Am Auslauf des Reaktors werden O2-Konzentrationen von 25 - 30 mg/l erreicht, der Sauerstoffverlust liegt bei ca. 25 % und die Kosten für den O2-Eintrag betragen ca. 0,67 €/kgO2. Der Durchfluss über die Kaskade kann jetzt bis auf den für die Rinnen er-forderlichen minimale Wasserwechsel reduziert werden. Auf diese Art und Weise kann aber nur eine geringfügige oder keine Senkung des Energieaufwan-des pro kg eingetragenem Sauerstoff erreicht werden, da zusätzlich höhere O2-Konzentrationen auf-rechterhalten werden, um die Futterverwertung, das Wachstums und die Überlebensrate der Fische zu verbessern. Trotzdem ist insbesondere durch den höheren sommerlichen Haltebestand insgesamt eine Verbesserung der Gesamtökonomie erfolgt.

Abb. 14: Ergänzung der ursprünglich vorhandenen Belüftungskaskade durch einen parallel be- triebenen O2-Reaktor in einer ostdeutschen Forellenrinnenanlage, Schema (o.), Bild (u.) Die zweite Möglichkeit zur Verbesserung der Energieeffizienz dieser Anlagen, die noch nicht reali-siert wurde, besteht im Einsatz von Propellerpumpen und schwimmenden Niederdruckbegasern. Das Umpumpen der Wassermenge zur Sicherung des erforderlichen Wasserwechsels in den Rinnen erfolgt durch Propellerpumpen, deren Förderhöhe nur den Gefälleverlust in der Anlage von ca. 1 - 1,5 m ausgleichen muss. Die O2-Anreicherung wird mit Hilfe schwimmender Niederdruckbegaser in der Zulaufrinne oder dem ehemaligen Pumpensumpf vorgenommen (Abb. 15). Ein bereits unter-suchter Niederdruckbegaser ist der Typ FAS KR 94 L, der bei einem O2-Eintrag von 1,0 kgO2/h 20 % O2-Verluste, eine spezifische Eintragsleistung von 0,6 kW*h/kgO2 und einen Kostenaufwand von 0,33 €/kgO2 ergab (Abb. 16).

Zulaufrinne Zulauf

Kaskade

Pumpen

AblaufrinneAblauf

O2-Reaktor

30 Rinnen 10 * 2 * 0,7 m

(produktiv 9 * 2 * 0,7 m)

3 Becken 20 * 4 * 1,0 m

11   Abb. 15: Schema einer offenen Kreislaufanlage mit Propellerpumpen und schwimmenden Niederdruckbegasern

Abb. 16: Schwimmender Niederdruckbegaser, Schema (l.), Bild (r.) Werden die drei Varianten für einen Haltebestand von 1,0 t Fisch, einer Bestandsdichte von 80 kg/m³, einem fünffachen Wasserwechsel in den Rinnen sowie einem Sauerstoffverbauch der Fische von 0,25 kgO2/t*h verglichen, so ergibt sich für die Variante Propellerpumpen und Niederdruckbe-gaser mit 1,7 gegenüber 4,2 bzw. 4,3 kW*h/kgO2 bzw. 0,43 gegenüber 1,04 bzw. 1,08 kW/t Be-stand ein bedeutend niedriger Wert (Tab. 1). Allerdings reicht es hierbei nicht, nur die Energiekos-ten zu betrachten. Es muss die Gesamtökonomie der Verfahrensgestaltung einschließlich Sauers-toffeinsatz, Sauerstoffverluste, Investitionskosten und biotechnologischen Verbesserungen betrach-tet werden. Tab. 1: Vergleich der drei Varianten für den offenen Kreislauf

KaskadeKaskade +O2-Reaktor

Propellerpumpen + Niederdruckbegaser

Rinnen- anlagen

Fließkanal-anlagen

O2-Auslaufkonzentration (mg/l) 6 7 7 7 Förderhöhe der Pumpen (m) 3 3 / 10 1,0 0,2 Leistung (kW, kW/t Bestand) 1,04 1,08 0,43 0,2 spez. O2-Eintragsleistung kW*h/kgO2 4,2 4,3 1,7 0,8 Zusatzkosten Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff

Zulaufrinne Zulauf

schwimmende Niederdruckbegaser

Propeller-pumpen

Δ h= 1,0 - 1,5 m

AblaufrinneAblauf

30 Rinnen 10 * 2 * 0,7 m

(produktiv 9 * 2 * 0,7 m)

3 Becken 20 * 4 * 1,0 m

12  3.3 Teilgeschlossene Kaltwasser-Kreislaufanlagen In Fließkanalanlagen nach dänischem Vorbild erfolgen die Wasserförderung und die Sauerstoffan-reicherung durch HP-Förderer (Mammutpumpen, Airlift). Dabei kann es sich um teilgeschlossene Kreislaufanlagen (Abb. 17) oder um entsprechende Anlagen ohne Biofilter mit offenem Kreislauf und hin- und rücklaufenden Fließkanälen handeln. Der Austritt der Druckluft der HP-Förderer wird in 2,0 oder 4,0 m Tiefe vorgenommen. Dazu ist der Einsatz von Drehkolbengebläsen erforderlich. Durch die Tiefe des Luftaustritts werden Stick-stoff-Übersättigungen von ca. 13 % bei 4 m, und ca. 4 % bei 2 m Einblastiefe erzeugt. Außerdem ist der CO2-Austrag durch die HP-Belüftung sehr gering. Für die Anlagendurchströmung ist eine Förderhöhe der HP-Förderer von nur wenigen Zentimetern (ca. 10 cm) erforderlich. Dadurch werden Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 5 - 10 cm/s und ein Wasserwechsel von 3 - 4 h-1 gewährleistet. Allerdings ist die Energieeffizienz des Sauerstoffeintrags und der Wasserförderung durch die HP-Förderer sehr schlecht. Es werden 9 - 10 kW pro kgO2/h benötigt bzw. nur ca. 95 m³/h pro kW ge-fördert. Die Grundlage dieser Gestaltung waren die niedrigen Elektroenergie- und hohen O2-Preise in Dänemark. In deutschen Fließkanalanlagen nach diesem Prinzip mit und ohne Biofilter wurden durch den zu-sätzlichen Einsatz schwimmender Niederdruckbegaser einige dieser Probleme "repariert" (Abb. 18). Durch die schwimmenden Niederduckbegaser erfolgt neben dem ergänzenden Sauerstoffeintrag gleichzeitig ein guter N2- und CO2-Austrag. Es bleibt aber der insgesamt hohe Energieaufwand be-stehen. Eine energieeffizientere deutsche Variante dieser Technologie wären schwimmende Niederdruck-begaser als alleiniges Mittel für den O2-Eintrag sowie die Wasserförderung für die geringe Förder-höhe von ca. 20 cm mit Propellerpumpen. Dieses Prinzip wäre sowohl für offene als auch teilge-schlossene Kreislaufanlagen anwendbar. Durch die geringere Förderhöhe in den Fließkanalanlagen gegenüber den Rinnenanlagen lässt sich bei diesem Verfahrensprinzip wahrscheinlich noch einmal eine Halbierung des Energieeinsatzes er-reichen (Tab. 1). Gegenwärtig wird der Bau zwei kleinerer Anlagen nach diesem Verfahrensprinzip vorbereitet. 3.4 geschlossene Warmwasser-Kreislaufanlagen Bei der Verbesserung der Energieeffizienz geschlossener Warmwasser-Kreislaufanlagen ist als ers-tes das Durchfluss - Pumpe - Energie - Problem von Bedeutung. Die einzelnen verfahrenstechnischen Teilprozesse oder Teilstufen des geschlossenen Kreislaufs werden durch den Wasserdurchfluss miteinander verbunden. Für den Wasserdurchfluss der einzel-nen Teilprozesse ergeben sich u. U. unterschiedliche Anforderungen, die in dem Gesamtsystem des geschlossenen Kreislaufs miteinander in Übereinstimmung gebracht werden müssen (Abb. 19). Für die Fischhaltungseinrichtungen ergibt sich der Wasserdurchfluss als Produkt von Volumen und einer Wasserwechselrate, die für die Selbstreinigung der Becken ausreichend sein muss. Das Volu-men wird auf der Grundlage von Bestandsmasse und Bestandsdichte ermittelt. Für die Berechnung des Durchflusses durch das Sauerstoffeintragssystem wird der Sauerstoffbedarf des Fischbestandes durch die Differenz der O2-Konzentration zwischen Auslauf der Sauerstoffan-reicherung und Auslauf der Fischhaltungseinrichtungen dividiert. Beim Sauerstoffeintrag mit Sauerstoffbegasungsreaktoren und der Nutzung von Rundbecken kön-nen diese beiden Durchflüsse QH und QS in der Regel ohne weiteren Aufwand aufeinander abge-stimmt werden. Die Gestaltung der mechanischen Reinigung nach den Durchflüssen für die Haltungseinheiten und den Sauerstoffeintrag ist bei den meist angewandten Siebtrommelfiltern durch die Festlegung der Siebfläche ebenfalls unkritisch. Der Durchfluss QR durch den Biofilter ergibt sich aus der NH4-Exkretion der Fische als abzubauen-der NH4-Massestrom und der NH4-Konzentrationsdifferenz zwischen Zulauf cENH4 und Ablauf

13  cANH4 des Biofilters. Der prozentuale NH4-Konzentrationsabbau zwischen Zulauf und Ablauf des Biofilters wird als Filtereffizienz E angegeben.

Abb. 17: Schema der teilgeschlossenen Kaltwasser-Kreislaufanlagen nach dänischem Vorbild Abb. 18: Einsatz schwimmender Niederdruckbegaser in einer offenen Kreislaufanlage mit hin- und rücklaufendem Fließkanal Der Durchfluss QR bzw. die hydraulische Belastung des Filters und die Filtereffizienz E müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die NH4-Konzentration (bzw. NH3-Konzentration oder NO2-Konzentration) am Auslauf der Fischhaltungseinheiten cENH4 für die Fische akzeptable Werte be-sitzt. Bei geringer Filtereffizienz, d.h. einem Biofilter mit begrenzter Substratoberfläche, sind höhere Durchflusse QR erforderlich, die u. U. größer als QH und QS sind. Dadurch ist ein zusätzlicher Kreislauf für den Biofilter im Bypass zum Pumpensumpf erforderlich. Es entsteht ein Zwei-Pumpen-System mit meist verdoppeltem Energieaufwand (Abb. 20).

14  Um dieses Zwei-Pumpen-System zu vermeiden muss der Biofilter ausreichend dimensioniert sein, so dass eine Filtereffizienz von 50 % und mehr erreicht wird. Gleichzeitig muss der entstehende Höhenverlust gering sein. Hierfür geeignete Verfahren sind neben den seit langem bekannten gefluteten Tropfkörpern die ge-genwärtig immer breiter angewandten Fließbettreaktoren. Bei letzteren wird durch die kleinen Füll-körper eine hohe spezifische Besiedelungsoberfläche für die nitrifizierenden Bakterien gebildet. Durch die Drucklufteinspeisung wird das Bett aus Füllkörpern in ständiger Turbulenz gehalten und mit Sauerstoff versorgt. Da die Intensität der Turbulenzen der Füllkörper durch den Umfang der Drucklufteinspeisung beeinflusst wird, dürfte dadurch auch die hydraulische Belastung in gewissem Umfang unabhängig vom Wasserdurchfluss veränderbar sein. Nachteilig ist der für die Drucklufter-zeugung erforderliche Energieaufwand. Abb. 19: Schema des geschlossenen Kreislaufs mit Formeln für die Durchflüsse der einzelnen Teilprozesse Abb. 20: Schema des geschlossenen Kreislaufs als Zwei-Pumpen-System mit geringer Energieeffi- zienz

15  Eine ältere aber m. E. sehr energieeffiziente Biofilterbauweise ist der Tauchtropfkörper aus rotie-renden Scheiben oder Füllkörperschüttungen bzw. -blöcken. Für die Rotation ist nur ein geringer Energieaufwand erforderlich. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass die hydraulische Belastung des rotierenden Tauchtropfkörpers weitgehend unabhängig vom Durchfluss ist und durch Verände-rung der Drehzahl beeinflusst werden kann. Verfahrenstechnisch ist diese Biofilterbauart durch sei-ne weitgehende "Abkopplung" vom Durchfluss, die geringe Verlusthöhe und den geringen Energie-aufwand optimal. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten. Abb. 22: Schema des geschlossenen Kreislaufs als Ein-Pumpen-System mit hoher Energieeffi- zienz und Biofiltern, deren hydraulische Belastung unabhängig vom Wasserdurchfluss verändert werden kann Eine weitere Baustelle bei der Verbesserung der Energieeffizienz geschlossener Kreislaufanlagen ist der Sauerstoffeintrag. Die für die Sauerstoffbegasung meist noch eingesetzten O2-Reaktoren er-fordern einen Energieaufwand von 2,5 kW*h/kgO2 und darüber. Auch hier bietet sich eine Ent-kopplung von Wasserförderung und Sauerstoffeintrag durch Propellerpumpen und schwimmende Niederdruckbegaser oder feinblasige Ausströmung in entsprechender Wassertiefe an.