Abwasser eignet sich zur Abwärmenutzung

von Jürg Wellstein

Eine unsichtbare Wärmequelle ist im Abwasser zu finden. Sowohl in der Kanalisation als auch in Kläranlagen und einzelnen Gebäudekomplexen sind aber bereits Anlagen zur Energienutzung realisiert worden. Forschungsund Entwicklungsarbeiten befassen sich mit planerischen Details, Möglichkeiten zur Standardisierung und Wirtschaftlichkeitsfragen.

Bei der Suche nach möglichen Energiequellen für Niedertemperaturwärme fällt der Blick immer wieder auf das kommunale Abwasser. Mit Wärmetauschern entnimmt man einem Abwasserstrom Wärme und kann sie nach Bedarf mit einer Wärmepumpe auf eine Nutztemperatur heben. Die Wärme gewinnt man in der Kanalisation, in der Kläranlage und durch direkte Wärmerückgewinnung im Gebäude. Während die kurze Distanz von der Kanalisation zu den Wärmeabnehmern von Vorteil ist, lässt sich aus dem Ablauf einer Kläranlage in der Regel mehr Leistung entziehen. Das im Gebäude integrierte System stellt nur bei grossen Überbauungen, wie Spitäler, Bäder, Industrien usw., eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung dar.

Eine in Agglomerationen ernst zu nehmende Energiequelle

«Das Abwasser stellt eine interessante, ständig verfügbare Wärmequelle in Agglomerationen dar. In den vergangenen Jahren haben wir uns intensiv mit den Rahmenbedingungen für seine Nutzung zur Energiegewinnung befasst», bestätigt Dr. Oskar Wanner, Eawag in Dübendorf. Im vergangenen Herbst hat er einen Anwendungskurs durchgeführt, bei dem Forschungs- und Entwicklungsresultate präsentiert sowie Erfahrungen mit Projektierungen und mit bereits laufenden Anlagen ausgetauscht wurden.

Abwasser enthält viel Wärmeenergie. Aus einem Kubikmeter können bei einer Abkühlung um 1 Kelvin pro Stunde über 1 kW Wärme entzogen werden. Die aus dem Abwasser nutzbare Wärmemenge ist neben der möglichen Abkühlung vor allem durch den Volumenstrom gegeben. So liefert beispielsweise bei einer Abkühlung des Abwassers um 1 Kelvin ein Volumenstrom von 70 Liter pro Sekunde rund 300 kW, bei 2000 Liter pro Sekunde wird hingegen eine Leistung von 8 MW erreicht. Das Potenzial an Abwasser ist in der Schweiz beachtlich: Täglich stehen ca. 5 Mio. m3 mit einer Temperatur von 10–20 °C zur Verfügung – dies auch im Januar und Februar. Potenzialstudien haben gezeigt, dass ein theoretisches Angebot für ca. 10 Prozent der Gebäude vorhanden ist und dass rund 3 Prozent realisierbar sein könnten.

Eine im 2007 von Oskar Wanner und Michele Steiner (beide Eawag) durchgeführte Umfrage hat beispielsweise ergeben, dass über 90 Prozent der bereits erstellten Anlagen für die Heizwärmenutzung eingesetzt werden. Neben monovalent betriebenen Anlagen sind auch bivalent ausgelegten Systemen vorhanden, die ein oder zwei zusätzliche Energieträger (Gas, Heizöl, Strom usw.) verwenden. Über 40 Prozent der Anlagen sind in der Kanalisation installiert, über 50 Prozent in der Kläranlage und je zu einem Drittel werden dabei Rinnen-, Röhren- oder Platten-Wärmetauscher genutzt. Für deren Reinigung stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung: Hochdruck- und chemische Reinigung, Spülung oder ein manueller Einsatz. Rund 20 Prozent der Anlagen benötigt keine Wärmetauscher-Reinigung.

Wirtschaftlich bei höheren Energiepreisen

In einer vom Bundesamt für Energie (BFE) unterstützten Untersuchung zu Potenzialen und Wirtschaftlichkeit hat die Dr. Eicher + Pauli AG in Liestal entsprechende Abschätzungen durchgeführt. Zum einen zeigen Wärmekosten und Effizienz bei grösseren Anlagen bessere Werte auf, zum andern ergeben sich wirtschaftliche Vorteile erst in direktem Vergleich mit andern Energieträgern und mit der Netzgrösse bzw. der Abnehmersituation. Der Bau eines Nahwärmeverbunds ist dabei ein kritischer Faktor. Die lange Nutzungsdauer (Amortisation) stellt jedoch ein starkes Argument gegenüber variierenden oder steigenden Energiepreisen dar. Heute lässt sich mit der GIS-Methode eine Potenzialabschätzung für einzelne Kläranlagen durchführen und so die wirtschaftlichen Chancen abschätzen.

Rahmenbedingungen für eine energetische Abwassernutzung

Die Nutzung der Abwasserenergie wird von einigen massgebenden Rahmenbedingungen geprägt, die in Forschungsprojekten untersucht wurden. Oskar Wanner hat sich, unterstützt durch das BFE, mit der Leistungsminderung von Wärmetauschern durch Verschmutzung, mit dem Wärmehaushalt in der Kanalisation und mit den Auswirkungen eines Wärmeentzugs auf die nachfolgende Kläranlage und den Vorfluter befasst.

Zur Untersuchung des Wärmehaushalts in der Kanalisation wurde die interaktive Simulationssoftware «Tempest» erarbeitet, mit der die räumliche und zeitliche Veränderung der Abwassertemperatur berechnet werden kann: Je höher die Abwassertemperatur und länger die Kanalisation ist, umso mehr fällt die Temperaturabnahme auf der Fliessstrecke ins Gewicht. Man hat dabei auch erkannt, dass sich für die Wärme- und Kälteerzeugung aus Abwasser in der Regel nur grössere Sammelkanäle eignen. Nur in diesen lassen sich die Nachteile von stark schwankenden Abwassermengen vermeiden. Denn die Kanalisation ist keine konstante Wärmequelle. Deshalb müssen die örtlichen Gegebenheiten genau analysiert werden, bevor ein Wärmetauscher in einer Kanalisationsstrecke eingebaut wird.

Bei einer Abwasserwärmenutzung vor der Kläranlage müssen verschiedene gesetzliche Bedingungen für das Einleiten des Abwassers eingehalten werden. Deshalb sind auch die Einflüsse der Wärmeentnahme auf den Betrieb der Kläranlagen Gegenstand der Forschung gewesen: In der Kanalisation variieren sowohl die Temperatur als auch die Abwassermenge und sind von Tageszeit, Jahreszeit, Regen, Schneeschmelzwasser usw. abhängig. In der Biologie der Kläranlage werden diese Werte jedoch in der Regel ausgeglichen. Die Wachstumsgeschwindigkeit der hier eingesetzten Bakterien nimmt bei verminderter Temperatur aber ab. Würde das Abwasser permanent zu tief abgekühlt, hätte dies eine Leistungseinbusse der Kläranlage, z.B. einen niedrigeren Wirkungsgrad der Stickstoffelimination und veränderte Verhältnisse beim Sauerstoffbedarf zur Folge. So sollte die Abwassertemperatur im Kläranlagenzulauf 10 °C bzw. 11 °C nur im Ausnahmefall unterschreiten.

Bei einer Abwasserenergienutzung nach der Kläranlage limitiert die Gewässerschutzverordnung die Änderung der Wassertemperatur von Fliessgewässern gegenüber dem unbeeinflussten Zustand auf höchstens 3 Kelvin. Das aktive Kühlen von Gebäuden und ein entsprechender Wärmeeintag in die Gewässer werden heute als ökologisches Problem erkannt, vor allem dann, wenn sich eine grössere Verbreitung der Nutzung ergeben würde.

Der Verschmutzung des Wärmetauschers auf der Spur

Mit Untersuchungen der Biofi lmbildung an einem Laborwärmetauscher konnten an der Eawag verschiedene massgebende Faktoren der Verschmutzung ermittelt werden. Oskar Wanner: «Wir haben festgestellt, dass vor allem die Abwasserzusammensetzung sowie das Abflussregime die Leistungsminderung von Wärmetauschern durch Verschmutzung bestimmen.» In einem kürzlich abgeschlossenen, vom Axpo-Naturstromfonds unterstützten Forschungsprojekt sind diese Erkenntnisse an Wärmenutzungsanlagen in der Praxis überprüft worden. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Intensität der Verschmutzung von Anlage zu Anlage sehr unterschiedlich ist und dass von den Anlagenbetreibern eine ganze Reihe von Massnahmen entwickelt worden ist, mit denen sich das Verschmutzungsproblem lösen lässt.

Beispiele zeigen den Weg auf

Als Beispiel für die Wärmenutzung nach der Kläranlage sei die ARA Werdhölzli bei Schlieren erwähnt, die das Abwasser der Stadt Zürich sowie von Vertragsgemeinden reinigt: 70–90 Mio. m3 pro Jahr. Hier betreut das Elektrizitätswerk Zürich (ewz) als Contractor einen neu geschaffenen Energieverbund, der mit der Versorgung des Postzentrums Zürich-Mülligen begonnen hat und in den kommenden Jahren weitere Abnehmer integrieren wird. 4 MW Leistung sind bereits realisiert, 21 MW sollen es mit insgesamt zwei Energieverteilzentralen noch werden. Ziel und Herausforderung zugleich ist die optimale Nutzung von Wärme und Kälte in einer Verbundlösung sowie deren Komplexität.

Die Kombination von Heizen und Kühlen aus Abwasser wurden beispielsweise auch in Luzern realisiert. Eine von der EBM als Contractor betreute Kanalisationsanlage für das Gebäude der Concordia Versicherung wurde 2007 dort installiert.

Die von der FEKA-Energiesysteme AG in der 132 Mietwohnungen umfassenden Null-Energie-Siedlung «Eulachhof» in Winterthur installierten zwei Anlagen zur Abwasserwärmenutzung gehören zu den bereits ca. 200 in der Schweiz in Gebäuden realisierten Systemen.

Eine attraktive Energiequelle

Die im Abwasser gespeicherte Wärme stellt eine attraktive Form erneuerbarer Energie dar. Die Technologie ist erprobt; zudem wurde in den letzten 20 Jahren in der Schweiz ein grosses Fachwissen aufgebaut, das heute auch in anderen Ländern Anwendung findet. Planungswerkzeuge sind erarbeitet worden, Themenbroschüren ergänzen das Informations angebot. Bereits erfahrene Planungsbüro und Contractors stehen für Analysen und Realisierungen zur Verfügung. Die Abwasserenergienutzung kann durchaus auch ökonomisch interessant sein, aber Oskar Wanner meint: «Für mich persönlich steht vor allem der ökologische Aspekt im Vordergrund: Es ist sinnvoll, die produzierte Wärme nicht einfach in die Umwelt zu verpuffen, sondern sie noch ein zweites Mal zu nutzen, und nicht unsere Gewässer damit aufzuheizen.»

Kontakte
Dr. Oskar Wanner
Eawag Dübendorf
oskar.wanner@dont-want-spameawag.ch 

EnergieSchweiz für Infrastrukturen
Förderbeiträge an Energieanalysen, neutrale Beratungen
www.bfe.admin.ch/infrastrukturanlagen 

BFE-Energieforschung: Programmleitung Umgebungswärme
Prof. Dr. Thomas Kopp
tkopp@dont-want-spamhsr.ch
www.energieforschung.ch