Pufferspeicher für flüssiges Gold: Wärmeenergie aus Abwasser nutzen

Von Dipl.-Ing. Klaus W. König

Aufgrund steigender Energiepreise wird die Abwasserwärmenutzung zunehmend wirtschaftlich interessant. Sie ist Stand der Technik, seit mehr als drei Jahrzehnten in der Schweiz und in Deutschland bekannt für die Schwimmbadbeheizung, für die Trocknung von Klärschlamm und – bei geeigneten Temperaturverhältnissen – für gewerbliche Nutzungen.

Der technologische Fortschritt bei Wärmepumpen und Geräten zur Wärmeübertragung in Verbindung mit einem Kalten Nahwärmenetz ermöglicht, neben Einzelobjekten auch komplette Wohngebiete auf diese Weise effizient und klimaschonend mit Wärme zu versorgen. Ingenieure der Haustechnik nennen die Abwasserwärme flüssiges Gold und wollen so viel wie möglich davon speichern. Nach Angaben des Umweltministeriums Baden-Württemberg ist das Potential beträchtlich, zehn Prozent aller Gebäude könnten damit versorgt werden.

Ohne Brennstoff heizen

Schmuck und Münzen wird man in der Kanalisation selten finden. Sonstige Ablagerungen sind nicht wertvoll genug, um sie zu heben. Doch bei der im Abwasser mitgeführten Wärme sprechen einige von „flüssigem Gold“, das unter unseren Siedlungsgebieten unsichtbar aber stetig fließt, Tag und Nacht, Sommer wie Winter. Ob es sich lohnt, den Schatz zu „bergen“, hängt vom Einzelfall ab. Und wie so oft wächst die Wirtschaftlichkeit mit der Anlagendimension.

In der Gemeinde Schallstadt, südwestlich von Freiburg im Breisgau, waren die Voraussetzungen im Neubaugebiet Weiermatten günstig. Ein Wohngebiet mit ca. 200 Wohnungen sowie das neue Rathaus entstanden unweit eines vorhandenen Abwasserkanals. Auf Brennstoffe, ob regenerativ oder synthetisch, kann komplett verzichtet werden. Bauherr und Betreiber des Kalten Nahwärmenetzes ist die Energiedienst AG, ein in Südbaden tätiges Unternehmen. Der am Hochrhein ansässige regionale und klimaneutrale Energieversorger produziert und liefert Strom aus 100 % Wasserkraft, unterhält Wärmenetze, unter anderem aus industrieller Abwärme, und betreibt über ein Tochterunternehmen das regionale Stromnetz.

Der vorhandene Kanal in Schallstadt-Weiermatten sammelt die Abwässer der benachbarten Gemeinden Ebringen und Pfaffenweiler, hat einen Trockenwetterabfluss von rund 23 Liter pro Sekunde und einen Durchmesser von 90 Zentimetern. Er ist Eigentum des Abwasserzweckverbandes Breisgauer Bucht, dem somit offiziell Wasser und Wärme gehören.

Die kostenfreie Entnahme wurde gestattet, nicht jedoch Einbauten im Kanal. Damit schied eine Technikvariante aus, die ihre Wärmetauscher auf der Kanalsohle platziert. Stattdessen wird in Schallstadt ein Teilstrom des Abwassers in ein Entnahmebauwerk abgezweigt. Elektrische Pumpen, durch einen Schlammrechen vor groben Partikeln geschützt, fördern das Abwasser zu den Wärmetauschern in der Heizzentrale. Von dort fließt das abgekühlte Wasser im Freispiegel zurück. Das ist der so genannte Primärkreislauf, dessen Temperatur an der Entnahmestelle des Kanals im Winter erfahrungsgemäß etwa 10 bis 12 °C beträgt, im Sommer über 20 °C.

Kaltes Wärmenetz - ein paradoxer Begriff

Im Unterschied zur klassischen Fernwärmeversorgung arbeitet das Kalte Nahwärmenetz, hier als Sekundärkreislauf zwischen Wärmetauschern und Wärmepumpen bei den Anschlussnehmern, mit niedrigen Temperaturen. Damit werden die Wärmeverluste in der Leitung minimiert.

Nahwärmenetze wie in Schallstadt sind mehrere hundert Meter lang, Fernwärmenetze viele Kilometer. Im letzten Abschnitt, dem Gebäude mit den Nutzern, übernimmt die Wärmepumpe die Bereitstellung der gewünschten Warmwasser- und Heiztemperatur. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischem Strom, funktioniert wie ein Kühlschrank mit dem physikalischen Prinzip von abwechselnder Kompression und Entspannung, erzielt aber den gegenteiligen Effekt. Je tiefer das Temperaturniveau der Gebäudeheizungen liegt, desto effizienter, weil stromsparend, können die Wärmepumpen arbeiten.

Erfahrungen bisheriger Pilotprojekte sind zusammengefasst im Merkblatt DWA-M 114 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA) von April 2020. Darin werden die Aspekte der Wärme aus Abwasseranlagen hinsichtlich Planung, Bau, Unterhalt und Wirtschaftlichkeit ausführlich beschrieben.

In Schallstadt sind das Rathaus sowie Ein- und Mehrfamilienhäuser mit insgesamt 200 Wohnungen die Wärmebezieher. Da es sich ausnahmslos um Neubauten handelt, konnte deren Heiztechnik von vornherein auf ein tiefes Temperaturniveau ausgelegt werden. Im Sommer funktionieren die Wärmepumpen in umgekehrter Weise als Kältemaschinen zur Raumkühlung. Allerdings wird die Wärme nicht in den Abwasserkanal eingespeist, sondern im Quartier „versenkt“. Dazu dient ein thermischer Puffer, ein 500 Kubikmeter fassendes unterirdisches Wasserbecken – das noch weitere Vorteile bringt.

Sektorenkopplung - die Steigerung der Effizienz

Der unterirdische Wasserbehälter ist ein thermischer Puffer, ein wesentliches Element des Kalten Nahwärmenetzes. Er schafft den Ausgleich von „Angebot und Nachfrage“ in Bezug auf Wärme und befindet sich unmittelbar vor der Heizzentrale, die in einem Anbau des neuen Rathauses untergebracht ist. Den Pufferbehälter nutzt der Betreiber im Sommer als „Senke“ für überschüssige Wärme aus der Kühlung der Gebäude, die mit Hilfe der Wärmepumpen und des Kalten Nahwärmenetzes in das Wasservolumen eingetragen wird.

Im Winter besteht die Möglichkeit, das System andersherum zu betreiben, falls die Abwasserwärme nicht ausreicht. Dann wird der Sekundärkreislauf nicht nur über die Wärmetauscher, sondern auch durch das Pufferbecken „gefahren“ – Dreiwegeventile im Armaturenschacht vor der Heizzentrale machen das Beimischen möglich.

Da umgebendes Erdreich und Grundwasser in der kalten Jahreszeit den Puffer (Betonbehälter und 500 Kubikmeter Wasservolumen) von außen temperieren, ist zusätzlich in gewissen Grenzen für Wärme-Nachschub gesorgt. Sollte das nicht reichen, laufen die Wärmepumpen während absolutem Spitzenbedarf kurzzeitig mit einem schlechteren COP, das heißt erhöhtem Stromeinsatz, da die Quelltemperatur absinkt.

Mittelfristig besteht die Option, Abwärme aus einem benachbarten Gewerbegebiet in den Pufferbehälter einzuspeisen. Oder es kommt zur Kopplung der Sektoren Strom- und Wärmemarkt, indem nicht benötigte elektrische Energie nach dem Prinzip „Power-to-Heat“ mit einem hohen Wirkungsgrad in Wärme umgewandelt und für das Kalte Nahwärmenetz nutzbar gemacht wird. Die Wanddurchführungen im Beton sind bereits vorhanden.

Pufferspeicher - das unterirdische Depot

Pufferspeicher aus Beton in der hier verwendeten Bauart und Größenordnung werden im Fertigteilwerk hergestellt, in Segmenten zum gewünschten Termin zur Baustelle gebracht und innerhalb von zwei Tagen montiert. Das machen die Monteure des Herstellers, unterstützt durch einen Autokran, damit die Gewährleistung in einer Hand liegt. Für den Aushub vorab, für den Anschluss der Leitungen sowie das Verfüllen der Baugrube danach wird ein Tiefbauunternehmen beauftragt. So kann nach etwa acht Tagen das Gelände oberhalb des Behälters vom Garten- und Landschaftsbaubetrieb fertiggestellt werden – bei Bedarf wie in Schallstadt sogar als Parkplatz, denn das Speicherbauwerk aus Betonfertigteilen ist gemäß Statik mit 0,5 Meter Mindestüberdeckung für PKW und LKW befahrbar.

Andreas Bölling, beim Hersteller Mall für diesen Großbehälter verantwortlich, nennt einen weiteren Vorteil der Fertigteilbauweise: „Einstiegsöffnungen und Wanddurchführungen für Leitungen wurden von uns nach Wunsch des Auftraggebers bereits bei der Fertigung integriert. Das beschleunigt den Baufortschritt vor Ort“. Sein Team hat auch die Domschächte auf die Abdeckung des Behälters gesetzt und die Verbindungstaschen an den Elementstößen mit Spezialmörtel verschlossen sowie die Leitern zum Einstieg im Behälter montiert.

Der Lastabtrag in den Baugrund erfolgt über eine etwa 25 Zentimeter starke Schotterschicht mit 5 Zentimetern Splittauflage, die vor der Montage in die Baugrube eingebracht wurde. Die Bodenplatten der Betonelemente haben einen Überstand nach außen zur Auftriebssicherung. Die Auflast nach Verfüllen der Baugrube wirkt dem Auftrieb des leeren Behälters bei hohem Grundwasserstand entgegen.

Wärmetauscher - eine saubere und sichere Sache

Ob zwischen Pufferspeicher bzw. Wasserdepot und Wärmenetz oder im Regelbetrieb zwischen Abwasser und Wärmenetz, rein physikalisch gesehen wird Wärme nicht getauscht, sondern übertragen. Im Anbau des neuen Rathauses Schallstadt stehen in der Heizzentrale zwei baugleiche Wärmetauscher-Geräte nebeneinander, die man demnach auch Wärmeübertrager nennen könnte. Bei Spitzenbedarf sind sie gleichzeitig in Betrieb, sonst abwechselnd. Das Abwasser, das im Siebschacht beim Kanal entnommen wird, fließt im Primärkreislauf zu diesen Wärmetauschern und um zwei bis vier Kelvin abgekühlt zum Kanal zurück.

Die Energiedifferenz wird auf den Sekundärkreislauf, das Kalte Nahwärmenetz, übertragen. In den Wärmetauschern begegnen sich beide Kreisläufe, wobei das klare Wasser des Nahwärmenetzes in einer Vielzahl dünner Edelstahlrohre fließt. Die Rohre liegen als „Batterie“ parallel angeordnet im trüben Abwasserstrom und übertragen die Wärme sehr gut, solange sich kein Belag aus gelösten organischen Feinstoffen des Abwassers auf ihnen bildet.

Um das zu vermeiden, fährt ein Reinigungsschlitten ein- bis zweimal pro Tag innerhalb der beiden Wärmetauscher automatisch über die Rohroberflächen. „Ein patentiertes Verfahren“, erklärt Wolfgang Schnabl, Vertriebsingenieur des Herstellers Huber. „Während der Reinigung ist der Primärkreislauf für 200 Sekunden unterbrochen, um den Feinschlamm abzulösen und auszuspülen. Das Wasser im Sekundärkreislauf zirkuliert jedoch weiter und nimmt ungestört Wärme auf“. Laut Schnabl genügt je Gerät eine vierstündige Wartung pro Jahr, wenn zusätzlich einmal in 7 – 10 Jahren ein ganzer Wartungstag eingeplant wird.

Wärmepumpen - die einzige Wärmequelle im Haus

Decken Wärmepumpen wie bei diesem Projekt den Wärmebedarf vollständig ab, sind die Investitionskosten niedrig. Eine solche „monovalente“ Betriebsweise mit nur einem System für Grund- und Spitzenlast kommt mit wenig Technik im Heizungskeller aus. Bei Wärmepumpen ergeben sich weitere Vorteile dadurch, dass ein Brennstofflager nicht nötig ist und der Schornstein entfallen kann. Vergleichbar mit Wärme aus Grundwasser (8 bis 15 °C) werden bei einem Kalten Nahwärmenetz Wasser-Wasser-Wärmepumpen verwendet. Da die Energie in beiden Fällen schon auf einem relativ hohen Temperaturniveau liegt, sind auch die Betriebskosten der Wärmepumpen niedrig.

Die Steuerung des Kalten Nahwärmenetzes schaltet den Primärkreislauf und damit auch die Wärmetauscher zeitweise ab, wenn die Wärmepumpen in den Gebäuden keinen Bedarf haben oder das Abwasser zu viel Energie liefert. Stefan Schlachter, Projektleiter der Energiedienst AG, beschreibt das so: „Die handelsüblichen Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die in den Gebäuden stehen, funktionieren nur bis ca. 20 °C Quelltemperatur störungsfrei. Daher unterbrechen wir ab etwa 16 °C Netztemperatur vorsorglich die Abwasserentnahme und den Betrieb der Wärmetauscher“. Das ist im Sommer gelegentlich der Fall. Da nicht nur die Heizung, sondern auch die Warmwasserbereitung über die Wärmepumpen erfolgt, sinkt die Netztemperatur allmählich so weit ab, bis der Normalbetrieb mit Abwasserwärme automatisch wieder anläuft.

Elektrischer Strom - der Brennstoffersatz

Es ist kein Geheimnis, dass Wärmepumpen elektrischen Strom benötigen und die Wirtschaftlichkeit vom Verhältnis dieser investierten elektrischen Energie zur gewonnenen thermischen Energie abhängt. Energiedienst AG ist zunächst nur Contractor der Wärmelieferung inkl. Hausanschluss für das Gebiet Weiermatten, das Quartier neue Ortsmitte, die Gruppe der Plusenergiehäuser und das neue Rathaus.

Wer die Wärmepumpen betreibt und woher der dazu erforderliche Strom kommt, ist unterschiedlich. Die Bewohner einiger Gebäude beziehen die elektrische Energie aus eigenen Photovoltaikanlagen. Zusätzlich oder alternativ bietet Energiedienst den Wärmenutzern den zu 100 Prozent regenerativ erzeugten Strom aus eigenen Wasserkraftwerken am Hochrhein an. Die Gemeinde Schallstadt, Eigentümerin des Rathauses, hat für dieses Gebäude das Komplettangebot von Energiedienst (Lieferung von Wärme und Betrieb der Wärmepumpe) angenommen.

Mit einer errechneten Jahresarbeitszahl (JAZ) von 5,56 läuft die Wärmepumpe im Rathaus sehr effizient. Das bedeutet, im Vergleich zur abgegebenen Wärmeenergie beträgt die Aufnahme an elektrischer Energie nur rund 18 %. Eine wichtige Größe, denn der Strom für die Wärmepumpe kann allgemein als Ersatz für Brennstoff gesehen werden. Er stammt bei Energiedienst aus erneuerbarer Ressource und entspricht damit den Kriterien des Klimaschutzes.

Dazu kommen, wie immer bei der Verwendung einheimischer regenerativer Energien, volkswirtschaftliche Vorteile: Kapital für Energieimport fließt nicht aus Deutschland ab, neue Arbeitsplätze entstehen, zusätzliche Steuereinnahmen stärken die beteiligten Kommunen.

Zusammenfassung

Das mit einem unterirdischen Pufferspeicher kombinierte Kalte Nahwärmenetz in Schallstadt versorgt, frei von Leitungsverlusten, 200 Wohnungen und ein öffentliches Gebäude mit Heizung, Kühlung und Warmwasser. Diese Quartierlösung ist ein auf viele Orte übertragbares Beispiel für die dringend erforderliche Energiewende im Wärmemarkt. Die Nutzung der Abwasserwärme ersetzt Primärenergie in einem beträchtlichen Umfang, dient dem Klimaschutz durch CO₂-Einsparung, entspricht der regenerativen Energie im Sinne des Gebäudeenergiegesetzes und spart Investitionen in Brennstofflager sowie Betriebskosten für Brennstoffe.

Darüber hinaus ergeben sich volkswirtschaftliche Vorteile, denn die Ausgaben für den Bau, ebenso die Einnahmen aus der Contracting-Dienstleistung, bleiben zum großen Teil in der Region – wie auch die daraus resultierenden Arbeitsplätze und Steuereinnahmen. Das 500 Kubikmeter große Wasserdepot im Pufferspeicher bietet thermischen Ausgleich, um im Sommer das Quartier zu kühlen und im Winter Heizwärme zu gewinnen. Weitere Option: Einspeisen von Abwärme aus einem benachbarten Gewerbegebiet und aus der Sektorenkopplung mit der Energiewirtschaft durch das „Power-to-Heat“-Verfahren. Eine dezentrale Lösung in dieser Größenordnung hat Vorbildcharakter – und wird deshalb vom Land Baden-Württemberg finanziell gefördert.

 

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