Wärme aus dem Abwasserkanal

Rauenberg liegt im Rhein-Neckar-Kreis im Norden Baden-Württembergs und hat 8000 Einwohner. Am Standort einer ehemaligen Ziegelei wurde ab 2002 das Baugebiet Märzwiesen realisiert. Das Kinderhaus war eine der letzten Baumaßnahmen dort. Träger der Einrichtung ist die Stadt. Derzeit werden insgesamt 29 Kinder im Krippenbereich und 37 Kinder im Kindergartenbereich von insgesamt 18 Mitarbeiterinnen (12 Vollzeit/6 Teilzeit) betreut.

Wärme- und Kältequelle Abwasser

Man nehme einen Wärmeüber­trager, setze ihn in den Abwas­serstrom des Straßenkanals und verbinde diesen mit einer Wärmepumpe im Gebäude. Ca. 30 Anlagen dieser Art existieren tatsächlich bereits, die dem so genannten Rohabwasser bis zu 1000 kW entziehen. Bedingung ist allerdings ein Kälte- oder Wärmebedarf von 50 kW oder mehr. Die technische und wirtschaftliche Eignung sollte durch eine Machbarkeitsstudie belegt sein. Das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr in Baden-Württemberg fördert derartige Studien bis zu 50 %.

„Abwasser ist kein Abfallprodukt, sondern ein Wertstoff mit viel ungenutzter Energie. Doch die Bewirtschaftung von Abwassersystemen setzt Fachwissen und Erfahrung voraus. Das Ziel ist eine rentable und nachhaltige Betriebsweise“, so Mark Biesalski, Leiter der Uhrig Kanaltechnik GmbH mit Firmensitz in Geisingen an der Donau. „Therm-Liner“, ein patentiertes System zur Wärmerückgewinnung aus dem Kanal, versorgt das Kinderhaus Märzwiesen in Rauenberg seit Dezember 2010.

Voraussetzungen

Abwasser ist eine sichere, lokal vorhandene Energiequelle. Das Temperaturniveau im Abwasser ist mit ca. 12 bis 20 °C relativ konstant. Wird im Sommer eine Kühlleistung benötigt, oder in Ländern mit hoher Außentemperatur eine Klimatisierung, dann wird aus der Wärmepumpe eine Kältemaschine und aus dem Abwasser eine „Kältequelle“ [2]. Die im Abwasser steckende Wärmeenergie wird wieder verwendet und ermöglicht so eine Kälte- oder Wärmeerzeugung mit ca. 40 % weniger CO₂-Ausstoß.

Drei Standorte sind generell für die Energiegewinnung aus Abwasser geeignet: Noch im Gebäude, in der Kanalisation selbst oder nach dem Klärprozess, wenn das gereinigte Abwasser die Kläranlage verlässt. Eine Rückgewinnung der Abwasserwärme im Gebäude ist nur sinnvoll, wo regelmäßig große Mengen Abwasser mit möglichst hohen Temperaturen anfallen. Gleichzeitig muss der Verursacher auch eine sinnvolle Verwendung für die nun zur Verfügung stehende Wärmeenergie haben. In Frage kommen hierfür Krankenhäuser, Hallenbäder oder Industrieanlagen.

Die Wärmeentnahme aus der Kanalisation bietet sich an, wenn kontinuierlich größere Wassermengen zur Verfügung stehen. Um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, sollte die Energiequelle Abwasserkanal folgende Richtwerte erfüllen:

Das Projekt des Kinderhaus Märzwiesen erfüllt diese Voraussetzungen. Der Kanalquerschnitt ist mit DN 1800 sehr gut für die nachträgliche Montage der Wärmeübertragerelemente geeignet.

Technik

Die hier verwendeten Systeme zur Energiegewinnung aus Abwasser lassen sich sowohl in bestehende Kanäle einbauen, idealer Weise zum Zeitpunkt der Sanierung, als auch direkt bei Neubauten. Am Boden des Kanals eingesetzte Wärmeübertragerelemente aus V4A-Edelstahl werden vom Abwasser überströmt und leiten die Wärme unmittelbar in die Heizzentrale zur Wärmepumpe. Die Temperaturdifferenz des Transportmediums Wasser zwischen Vor- und Rücklauf beträgt 4 K. Die Wärmepumpe benötigt ihrerseits Zufuhr von Energie (Elektrizität oder Gas), allerdings deutlich weniger als für die Erzeugung der so gewonnenen Wärme sonst erforderlich gewesen wäre. „Entscheidend für die Effizienz der Heizanlage ist die Jahresarbeitszahl JAZ“, sagt Leonhard Schmitt, einer der beiden Geschäftsführer vom Planungsbüro Schmitt und Partner (PSP), der für die Planung der technischen Gebäudeausrüstung im Kinderhaus Märzwiesen verantwortlich war.

Das Prinzip „Energie aus Abwasser“ ist Stand der Technik, zumindest seit Erscheinen des Merkblattes DWA-M 114 im Juni 2009 [1]. Es beschreibt Ein­satz­möglichkeiten und Grenzen, gibt Informatio­nen für Ge­mein­den, Stadt­ent­wässerungen und Pla­nungs­büros. Ent­halten sind auch Anfor­derungen seitens Kläranlage und Kanal und Muster­verträge für Vereinbarungen zwischen Bauherr und Kanal­betreiber.

Wirtschaftlichkeit

Im Abwasser steckt eine große Wärmemenge, die mittels moderner Wärmepumpentechnologie zur Beheizung von Gebäuden verwendet werden kann. Das Potential dieser erneuerbaren Energiequelle ist sehr groß, mit der Abwasserwärme könnten – vom Angebot her – 10 % aller Gebäude in Deutschland beheizt werden. Aufgrund steigender Energiepreise einerseits und dem technologischen Fortschritt im Bereich der Wärmepumpen und Wärmeübertrager andererseits wird die Abwasserwärmenutzung zunehmend wirtschaftlich interessanter. Entsprechende Rahmenbedingungen vorausgesetzt, sind Anlagen zur Abwasserwärmenutzung im Vergleich zu fossilen Heizanlagen schon heute betriebswirtschaftlich wettbewerbsfähig. Bei richtiger Planung und Ausführung entstehen weder für das Entwässerungssystem noch für die Abwasserreinigung Nachteile [1].

Auch wenn diese Heizungsanlagen zu niedrigeren Betriebskosten führen, bedarf es zunächst höherer Investitionen als bei konventionellen Erdgas-/-ölheizungen. Positiv wirkt sich bei der Kostenvergleichsrechnung die lange Nutzungsdauer der Wärmeübertrager aus. Die Wartungskosten sind bei Wärmeübertragern gering, da insbesondere bei Bauarten ohne mechanisch bewegte Teile kein Verschleiß auftritt. Die Energiekosten sind von der Bauart der Wärmepumpe (elektrisch oder gasbetrieben) abhängig sowie vom Betriebskonzept. Sie sind wesentlich geringer als die der konventionellen Systeme [1]. Beim Kinderhaus Märzwiesen ist die zu erwartende Verschmutzung durch Ablagerung und Biofilm auf den Wärmeübertragern bei der Bemessung der Anlagengröße berücksichtigt, so dass dafür keine Wartung anfällt.

Der Wärmeabnehmer (z. B. der Bauherr) muss entscheiden, ob er die Realisierung in Eigenregie ausführen will oder erfahrene Contractoren für Planung, Bau und Betrieb anfragen will. Die Stadt Rauenberg  hat sich für die erste Möglichkeit entschieden. Thomas Glasbrenner, Leiter des Bauamtes, schlüsselt die Kosten und Einsparungen folgendermaßen auf:

Die Amortisation der Abwassernutzungsanlage ist in Abhängigkeit der Energieteuerung und bei Bewilligung der noch fehlenden Fördermittel in elf Jahren möglich. Obwohl üblicherweise bivalent geplant wird, die Grundlast mit erneuerbarer Energie, die Spitzenlast mit konventioneller Brennwerttechnik, ist in diesem Fall ein monovalentes Heizsystem im Einsatz. Grund: ein höherer Anteil bei Energie- und CO₂-Einsparung. Der Nachteil ist ein kostenintensiverer Betrieb, was zu der relativ langen Amortisationszeit führt.

Die Stadtverwaltung legt Wert darauf, dass im ersten Gebäude Rauenbergs mit Abwasser-Wärmenutzung die Öffentlichkeit Anteil an den Ergebnissen hat. Deshalb soll zukünftig permanent die erreichte Leistung durch Monitoring im Eingang des Kinderhauses Märzwiesen sichtbar werden.

Literatur