Was ist prädiktive Regelung in der Abwasserbehandlung?

Lisa Pauli · 15 Okt. 2026

Prädiktive Regelung in der Abwasserbehandlung ist ein modellbasiertes Steuerungsverfahren, das Prozessparameter vorausschauend berechnet und Stellgrößen anpasst, bevor Abweichungen entstehen. Statt auf Störungen zu reagieren, simuliert das System kontinuierlich verschiedene Szenarien und wählt die energetisch und prozessual günstigste Betriebsstrategie. Für Kläranlagen bedeutet das: weniger Energieverschwendung, stabilere Ablaufwerte und eine deutlich höhere Prozesstransparenz. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um Funktionsweise, Einsatzbereiche und Wirtschaftlichkeit dieser Technologie.

Wie funktioniert prädiktive Regelung in einer Kläranlage?

Prädiktive Regelung in einer Kläranlage funktioniert, indem ein Algorithmus auf Basis von Echtzeitdaten und Prozessmodellen zukünftige Betriebszustände simuliert und Stellgrößen wie Belüftungsleistung oder Pumpenleistung proaktiv anpasst. Das System berechnet fortlaufend, welche Einstellungen in den nächsten Minuten oder Stunden den Betrieb kosten-, energie- oder emissionseffizient halten, und setzt diese Vorgaben automatisch um.

Der Kern des Verfahrens ist ein digitales Prozessmodell, das die Kläranlage als System abbildet: Zulaufmengen, Schmutzfrachten, biologische Abbauprozesse, Energieverbrauch der Aggregate und externe Einflüsse wie Witterung oder Tageszeit fließen als Parameter ein. Alle 15 Minuten aktualisiert das System dieses Modell mit neuen Messwerten und berechnet auf dieser Grundlage die optimale Betriebsstrategie für den nächsten Zeitraum.

Die berechneten Stellbefehle werden über eine Hardwareschnittstelle an die bestehende Anlagensteuerung übermittelt, ohne dass die vorhandene Leittechnik vollständig ersetzt werden muss. Das Verfahren arbeitet also als übergeordnete Optimierungsschicht, die mit der vorhandenen Infrastruktur kommuniziert und diese gezielt steuert.

Welche Prozesse in der Kläranlage lassen sich prädiktiv regeln?

Prädiktiv regelbar sind in einer Kläranlage vor allem die Belüftung der Belebungsbecken, die Schlammbehandlung, der Pumpenbetrieb sowie die Nutzung von Eigenstrom aus Blockheizkraftwerken oder Photovoltaikanlagen. Diese Prozesse machen den größten Teil des Energieverbrauchs aus und bieten gleichzeitig das höchste Optimierungspotenzial.

Biologische Reinigungsstufe und Belüftung

Die Belüftung der Belebungsbecken ist der mit Abstand energieintensivste Prozess einer Kläranlage und verursacht häufig 50 bis 70 Prozent des gesamten Stromverbrauchs. Prädiktive Regelung passt die Gebläseleistung kontinuierlich an die tatsächliche Sauerstoffnachfrage an, die sich aus Zulaufmenge, Schmutzfracht und biologischer Aktivität ergibt. So wird weder zu viel noch zu wenig belüftet, was sowohl Energie spart als auch die Nitrifikation stabilisiert.

Energiemanagement und Eigenstromnutzung

Kläranlagen mit Blockheizkraftwerk oder Photovoltaik können durch prädiktive Steuerung ihren Eigenstromanteil gezielt erhöhen. Das System erkennt, wann günstig erzeugter Strom verfügbar ist, und verschiebt den Betrieb energieintensiver Aggregate wie Schlammpumpen oder Entwässerungsaggregaten in diese Zeitfenster. Auch die Einspeisung in das Netz lässt sich so optimieren, wenn Eigenverbrauch und Netzpreise gegeneinander abgewogen werden.

Was unterscheidet prädiktive Regelung von klassischer PID-Regelung?

Der wesentliche Unterschied zwischen prädiktiver Regelung und klassischer PID-Regelung liegt im Zeithorizont: Ein PID-Regler reagiert auf aktuelle Abweichungen vom Sollwert, während prädiktive Regelung zukünftige Zustände berechnet und Stellgrößen anpasst, bevor eine Abweichung überhaupt entsteht. PID-Regelung ist reaktiv, prädiktive Regelung ist vorausschauend.

Ein PID-Regler arbeitet mit drei Parametern: proportionalem Anteil, Integralanteil und Differenzialanteil. Er vergleicht den aktuellen Istwert mit dem Sollwert und korrigiert die Stellgröße entsprechend. Das funktioniert gut bei stabilen, linearen Prozessen, stößt aber bei komplexen, dynamischen Systemen wie einer biologischen Klärstufe an Grenzen. Dort verändern sich Zulaufmengen, Schmutzfrachten und Temperaturen ständig, und ein PID-Regler kann nur auf bereits eingetretene Abweichungen reagieren.

Prädiktive Regelung hingegen berücksichtigt Wechselwirkungen zwischen mehreren Prozessgrößen gleichzeitig und optimiert über einen definierten Zeithorizont. Sie kann zum Beispiel vorhersagen, dass eine erhöhte Zulaufmenge in zwei Stunden eine höhere Belüftungsleistung erfordern wird, und die Gebläse bereits jetzt entsprechend vorbereiten. Das reduziert Spitzenlasten, verbessert die Ablaufqualität und senkt den Energieverbrauch strukturell.

Welche Daten und Messtechnik braucht prädiktive Regelung?

Prädiktive Regelung benötigt kontinuierliche Echtzeitdaten aus dem laufenden Betrieb: Zulaufmengen und Schmutzfrachten, Sauerstoffgehalte in den Becken, Energieverbrauch der Hauptaggregate, Schlammvolumenindex sowie externe Daten wie Wetterdaten und Strompreise. Ohne eine zuverlässige Datenbasis kann das Prozessmodell keine belastbaren Prognosen berechnen.

Die Messtechnik muss dafür nicht zwingend neu installiert werden. In vielen Kläranlagen sind bereits Sensoren und Messgeräte vorhanden, die jedoch nicht systematisch ausgewertet werden. Prädiktive Regelung erschließt dieses vorhandene Datenpotenzial, indem sie die Signale zusammenführt, bereinigt und in das Prozessmodell einspeist.

Wo Messlücken bestehen, lassen sich gezielte Nachrüstungen vornehmen. Besonders relevant sind Online-Messgeräte für Ammonium, Nitrat und Sauerstoff in der Belebungsstufe sowie Energiezähler an den Hauptverbrauchern. Zertifizierte Online-Messsysteme, die Frachten kontinuierlich erfassen, erhöhen zudem die Rechtssicherheit gegenüber Behörden und reduzieren den administrativen Aufwand bei der Abwasserabgabe.

Wie hoch sind die Energieeinsparungen durch prädiktive Regelung?

Die erzielbaren Energieeinsparungen durch prädiktive Regelung in Kläranlagen liegen je nach Ausgangssituation und Anlagengröße typischerweise im Bereich von 10 bis 30 Prozent des Stromverbrauchs der geregelten Prozesse. Den größten Hebel bietet dabei die Optimierung der Belüftung, da dieser Prozess den dominanten Anteil am Gesamtenergieverbrauch hat.

Die tatsächliche Einsparung hängt von mehreren Faktoren ab: dem bisherigen Betriebsregime, der Variabilität der Zulaufmengen, dem Zustand der Aggregate und dem Grad der bereits vorhandenen Automatisierung. Anlagen mit stark schwankenden Zulaufmengen, etwa durch industrielle Einleiter oder saisonale Einflüsse, profitieren besonders stark, weil prädiktive Regelung genau diese Dynamik ausgleicht.

Neben der direkten Stromeinsparung entstehen weitere wirtschaftliche Vorteile: stabilere Ablaufwerte reduzieren das Risiko von Grenzwertüberschreitungen und damit verbundene Abwasserabgaben, längere Wartungsintervalle durch gleichmäßigeren Aggregatbetrieb senken die Instandhaltungskosten, und eine bessere Eigenstromnutzung aus Blockheizkraftwerken verringert den Fremdbezug weiter.

Wann lohnt sich prädiktive Regelung für ein Klärwerk?

Prädiktive Regelung lohnt sich für ein Klärwerk, wenn der Energieverbrauch der Belüftung oder anderer Hauptaggregate einen relevanten Kostenfaktor darstellt, die Zulaufmengen oder Schmutzfrachten schwanken und die Anlage über eine ausreichende Datenbasis oder die Bereitschaft zur Nachrüstung verfügt. Ab einer Anlagengröße von etwa 10.000 Einwohnerwerten aufwärts sind die Einsparpotenziale in der Regel groß genug, um eine wirtschaftliche Amortisation zu erreichen.

Besonders geeignet sind Kläranlagen, die bereits über ein Prozessleitsystem verfügen, da die prädiktive Regelung als übergeordnete Optimierungsschicht integriert werden kann, ohne die bestehende Infrastruktur zu ersetzen. Auch Anlagen, die Eigenstrom aus Blockheizkraftwerken oder erneuerbaren Energien erzeugen, profitieren überproportional, weil die Technologie die Eigenstromnutzung gezielt maximiert.

Ein weiterer Faktor ist der regulatorische Druck: Mit der Reform des Abwasserabgabengesetzes und den steigenden Anforderungen der europäischen Kommunalabwasserrichtlinie wächst der wirtschaftliche Anreiz, die Reinigungsleistung kontinuierlich zu verbessern und Grenzwertüberschreitungen zu vermeiden. Prädiktive Regelung schafft dafür die technische Grundlage. Förderprogramme wie das BAFA-Programm zur Energie- und Ressourceneffizienz können die Investitionskosten zudem erheblich reduzieren und die Amortisationszeit verkürzen.

Prädiktive Regelung für Kläranlagen: Wie manageE Sie dabei unterstützt

Wir bei manageE verbinden langjährige Erfahrung in der Prozessleittechnik mit eigenentwickelter Messtechnik und modellbasierter Optimierung, um Kläranlagen ganzheitlich effizienter zu machen. Unser Ansatz beginnt nicht mit der Technologie, sondern mit dem Prozess: Wir analysieren, wo Transparenz fehlt, wo Energie verschwendet wird und wo prädiktive Steuerung den größten Hebel bietet.

Prozessmodellierung und Systemintegration: Wir entwickeln ein auf Ihre Anlage zugeschnittenes Prozessmodell und integrieren die prädiktive Regelung als Huckepack-Lösung in Ihre bestehende Leittechnik, ohne aufwendige Systemwechsel.
Eigenentwickelte Messtechnik: Unsere Hardware erfasst Echtzeitdaten zuverlässig und kostengünstig, schließt Messlücken und liefert die Datenbasis, die prädiktive Regelung benötigt.
Kontinuierliche Optimierung: Das System aktualisiert seine Simulation alle 15 Minuten mit neuen Messwerten und passt die Betriebsstrategie automatisch an veränderte Bedingungen an.
BAFA-Förderfähigkeit: Unsere Messtechnik ist beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle als förderfähig gelistet, was die Investitionskosten für Ihre Anlage deutlich senken kann.
Ganzheitliche Begleitung: Von der ersten Analyse über die Konzeption bis zur vollständigen Umsetzung begleiten wir Sie bei jedem Schritt, ohne Sie mit Technik allein zu lassen.

Wenn Sie wissen möchten, welches Einsparpotenzial in Ihrer Kläranlage steckt und wie prädiktive Regelung konkret bei Ihnen funktionieren kann, freuen wir uns auf ein Beratungsgespräch.