Wärmegewinnung aus Abwasser

Die Nutzung von Abwasserwärme zur Gebäudebeheizung oder zur Erzeugung von Trinkwarmwasser birgt ein erhebliches Potenzial, das sich durch die voranschreitende Reduktion des Wärmebedarfs in Gebäuden und die Absenkung der Temperaturen für die Raumwärmebereitstellung perspektivisch weiter erhöhen wird. Das Temperaturspektrum des Abwasser in Bischofszell liegt im Jahresverlauf zwischen 8 und 26 °C. Grundsätzlich kann Abwasserwärme an verschiedenen Stellen entzogen werden, etwa direkt im Gebäude, in Abwasserkanälen oder – wie in Bischofszell – im Bereich der Kläranlage, die ein besonders hohes Abwasseraufkommen mit einem konstanten Durchfluss aufweisen und damit wichtige Voraussetzungen für eine stabile und effiziente Wärmeentnahme erfüllen.

Im Abwärmenutzungsverfahren selbst ist eine leistungsfähige Wärmepumpentechnik für einen guten Energie-Output entscheidend. Hohe Wirkungsgrade der eingesetzten Umwandlungstechnologie lassen sich jedoch nur dann verlässlich erzielen, wenn die Betriebsparameter der Wärmepumpe auf einem optimalen Niveau gehalten werden können; dies betrifft insbesondere die Taktungsfrequenz, die Arbeitstemperaturen und die Laufzeiten der integrierten Anlagen. Eine bestmögliche Ausschöpfung von Abwärme aus Abwasser erfordert also exakt arbeitende WP-Systeme, deren potenzielles Leistungsvermögen wiederum von der Qualität der Volumenstromführung und der gewählten Speicherlösung innerhalb der Versorgungsinfrastruktur abhängen. Eine ausbalancierte Systemhydraulik wird damit zur zentralen Voraussetzung für eine effektive Weiterverwertung von Niedertemperatur-Aufkommen. Wie eine entsprechend hohe Hydraulik-Qualität hergestellt und unter allen Betriebsbedingungen stabil gehalten werden kann, ist seit vielen Jahren Forschungsgegenstand des Vorarlberger Familienunternehmens Zortea. Die aus der Forschungs- und Entwicklungsarbeit hervorgegangene Speicherlösung „Zortström“ wurde nach Unternehmensangaben bereits mehr als 8.000 Mal in Projekten eingesetzt und verfügt über zahlreiche Patente.

Technologie-Prinzip

Das in jedem Projekt identische Ziel der „Zortström“-Technologie ist die bedarfs- und effizienzoptimierte Koordination von Energieerzeuger- und Verbraucherseite – unabhängig davon, welche und wie viele Systemtypen und Leistungsklassen Bestandteil einer neuen oder bereits bestehenden energetischen Infrastruktur sind.

Das in der Praxis umgesetzte Hydraulik-Prinzip beruht auf drei Primärfunktionen:

Einbindung von Wärme- und Kälteenergie aus unterschiedlichen, voneinander entkoppelten Quellen in ein zentrales Speichersystem. Beim Einsatz etwa von WP-Technologie werden die erforderlichen Voraussetzungen für eine verbraucheffiziente und laufzeitoptimierte Anlagenfahrweise durch die Bereitstellung der jeweils korrekten Betriebsparameter (Rücklauftemperaturen, Volumenströme etc.), eine hochflexible Leistungsmodulation und eine effektive Einspeise-Priorisierung geschaffen.

Strömungsberuhigte Bereithaltung von (multivalent produzierter/gewonnener) thermischer Energie in einem gemeinsamen Speicherkomplex mit beliebig vielen Temperaturstufen. Speziell entwickelte Systemeinheiten sorgen für eine dauerhaft exakte Trennung der vordefinierten Temperaturniveaus und eine zügige Temperaturregulierung von Vorlauf- und Speicherwasser. Ein integrierter Gleitschichtraum übernimmt eine zusätzliche Pufferfunktion, in die Energiekapazitäten eingespeist und im Bedarfsfall wieder abgerufen werden können. Auf diese Weise lassen sich die Anlagenlaufzeiten einer Wärmepumpe effektiv erhöhen und die Versorgungssicherheit auch bei Spitzenlasten gewährleisten.

Stabile und bedarfskonforme Versorgung unterschiedlicher Verbraucher mit heterogener Leistungsabnahme. Sämtliche Verbraucherkreise werden vollständig voneinander entkoppelt und mit dem jeweils spezifischen Wärmeniveau versorgt. Das „Zortström“-System erlaubt situative Lastveränderungen unmittelbar ohne Temperatur- und Volumenstrombeeinflussung und ohne gegenseitige Störungen der Pumpenfunktionen.

Die physikalisch präzisierte Konstruktionsweise der Speichertechnologie und seine Betriebscharakteristika ermöglichen es, dass alle Vorläufe, aber auch die niedertemperierten Rückläufe der verschiedenen Heiz- und Kühlkreis getrennt voneinander und vollumfänglich in die passende Temperaturstufe eingebunden werden können. Auf diese Weise lassen sich auch Abwärmekapazitäten der Abwasserkläranlage in Bischofszell effizient in das neu ausgebaute Fernwärmenetz integrieren und durch ein frei wählbares Spitzenlastsystem – hier drei Gaskessel mit einer Gesamtleistung von 1,5MW – ergänzen.

Individuell geplant

Im Januar 2023 erhielt Zortea den finalen Auftrag aus Bischofszell, eine geeignete Speicherlösung zu entwerfen, die den Anforderungen einer regenerativ basierten Quartriesversorgung gerecht werden sollte. Das Resultat: ein 12 m hoher „H-Zortström“ mit einem Gesamtvolumen von 60 m³ Wasserinhalt. Der Standort des Speichers wurde im Vorfeld auf dem Areal der ARA Bischofszell neu geschaffen. Durch die partnerschaftliche Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten enstand eine neue Heizzentrale, die neben dem Schichtspeicher auch die drei angeschlossenen Spitzenlastkessel mit Abgaswärmeübertragern sowie eine 1,4 MW starke Wärmepumpe beherbergt.

Der Zortström selbst wurde so ausgelegt, dass er die Netzvorgaben des zu versorgenden Stadtgebiets im Sittertal mit seinen Bestandsgebäuden und seinen Nutzern sicher und effizient erfüllen kann. Die Präzision des Schichtaufbaus im Speicher ist dabei so hoch, dass der Primärprozess der Abwasserreinigungsanlage durch den Wärmeverbund mit ca. 85 °C versorgt und umgekehrt die überschüssige Wärme aus dem BHKW und Biogaskessel an den Wärmeverbund abgegeben werden kann. Das BHKW erzeugt ganzjährlich Strom sowie Abwärme, welche für den Vorgang der Schlammfaulung benötigt wird. Aktuell wird das Fernwärmenetz in einem Temperaturspektrum von 65 bis 70 °C in Abhängigkeit von der Außentemperatur mit jeweils einem Vor- und einem Rücklauf versorgt. Dabei wird die Rücklauftemperatur aus dem Fernwärmenetz konstant gehalten, sodass die Wärmepumpe eine Temperaturerhöhung auf 70 °C erzeugen kann.

Durch die hohe Schichtungsqualität und der speziell auf die Anlagenanforderungen angepasste Aufbau des Speichers kann die installierte Großwärmepumpe ihre Leistungsstärke voll abrufen. Darüber hinaus lassen sich die Spitzenlast-Gaskessel mit maximalem Brennwert betreiben. Die Abnahmeleistung des Fernwärme-Netzes liegt im Vollausbau bei rund 3,3 MW – dies entspricht in etwa dem jährlichen Heizbedarf von 350 Wohneinheiten.

Fazit

Moderne Wärmeverbundlösungen können als Instrument zur Dekarbonisierung der kommunalen Energieversorgung besonders effektiv realisiert werden. Zentrale Voraussetzung ist – neben der Bereitstellung optimierter Netztemperaturen und der Reduktion von Wärmeverlusten – eine prioritäre Einbindung leistungsfähiger Energietechnik und der überwiegende Einsatz regenerativer Primärenergie. Ein effizientes Hydrauliksystem kann komplexe Erzeugungs- und Verteilprozesse dabei zu einem hoch präzisen Netzmanagement mit weitreichenden energetischen Einsparpotenzialen koordinieren. Den transformativen Fortschritt untermauert im Thurgauer Städtchen Bischofszell die prognostizierte Öko-Bilanz des neuen Wärmeverbunds: Im Endausbau soll der erneuerbare Anteil der Energieerzeugung bei fast 90 % liegen. Das entspricht einer jährlichen Reduktion von 400 t CO₂.