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So funktioniert die thermische Nutzung von Abwasserwärme

  • Abwasser ist eine ständige und in großem Umfang verfügbare Energiequelle. Millionen von Haushalten, aber auch Gewerbe und Industrie leiten täglich riesige Mengen an Wärmeenergie über das Abwasser in die Kanalisation ein.
  • Energie aus Abwasser kann mit Abwasserwärmetauschern zurückgewonnen und zu Heiz- und Kühlzwecken beispielsweise mit Hilfe einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden.
  • Mit Energie aus Abwasser lassen sich Gebäude sowohl heizen als auch kühlen. Die thermische Abwassernutzung ist ökonomisch und ökologisch sinnvoll und kann dem Klimaschutz und der Energiewende helfen.
  • Die Quelle Abwasser bietet insbesondere im urbanen Raum erhebliches Potenzial. Bis zu 14% des Wärmebedarfs in Gebäuden in Deutschland lassen sich mit Energie aus Abwasser decken.

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Verbreitung und Einsatzbereiche

Bis zu 14% des Wärmebedarfs in Gebäuden in Deutschland lässt sich mit Wärme aus Abwasser decken. Die Wärme-Quelle Abwasser bietet insbesondere im urbanen Raum erhebliches Potenzial, als Heizquelle zu dienen. Denn Quelle und Nachfrage passen hier optimal zusammen.

Heizen und Kühlen mit Wärme aus Abwasser lässt sich in jedem Gebäude ab einem Leistungsbedarf von etwa 20 kW. (Grafik: UHRIG Energie GmbH)
Heizen und Kühlen mit Wärme aus Abwasser lässt sich in jedem Gebäude ab einem Leistungsbedarf von etwa 20 kW. (Grafik: UHRIG Energie GmbH)

Zukünftig wird mit einer deutlich steigenden Nachfrage gerechnet. Zum einen hat die Technologie zur Abwasserwärmegewinnung ihre Marktreife erzielt. Zum anderen machen es der Klimawandel notwendig, Quartiere so effizient und CO2-frei wie möglich zu beheizen und zu kühlen.

In Europa gibt es schon über 200 Anlagen, mit denen Abwasserwärme dezentral aus der Kanalisation gewonnen wird. Die meisten stehen in Deutschland, weitere in Frankreich, den Niederlanden und Skandinavien. Die Anlagengrößen variieren und liegen in einem Leistungsbereich von 20 kW bis 2 MW. Der Break Even liegt bei einem Leistungsbedarf von etwa 20 kW. Dies entspricht in etwa 10 Wohneinheiten bzw. einer kleineren Gewerbeimmobilie.

Abwasser ist im Winter durchschnittlich 10 bis 12°C warm, im Sommer zwischen 17 und 20°C. Diese Temperatur steht für Wärme bzw. thermische Energie, mit der Gebäude im Winter beheizt und im Sommer gekühlt werden können.

Wirklich nutzbar wird die Abwasserwärme durch eine Wärmepumpe, die die Abwasserwärme auf ein Temperaturniveau von 35 bis 55 °C "hochpumpt". Mittlerweile gibt es aber auch zahlreiche Projekte, bei denen auf einem höheren Temperaturniveau eingespeist wird. Besonders gut eignet sich Abwasserwärme auch für die Einspeisung in kommunale oder städtische Wärmenetze. Diese Nah- oder Fernwärmenetze können sowohl kalte als auch warme Netze sein.

Experten-Wissen: Durch die Wärmerückgewinnung wird das Abwasser abgekühlt und gelangt kälter in die Flüsse. Für die Gewässer ist dies ein Vorteil: Fauna und Flora gedeihen besser, wenn das eingeleitete Wasser weniger Abwärme einträgt. Abwasserwärmenutzung kann somit auch einen Beitrag an den Gewässerschutz leisten.

Gewinnung von Abwasserwärme

Energie lässt sich aus dem Abwasser grundsätzlich an drei Stellen gewinnen:

  • Gebäude: Bei Bauten, die einen hohen Abwasseranfall aufweisen (Krankenhäuser, Heime, Industriebetriebe, Hallenbäder), kann die Abwasserwärme innerhalb des Gebäudes zurück gewonnen werden. Zu diesem Zweck wird das Abwasser vor der Einleitung in die Kanalisation in einem Speicher gesammelt, wo ihm die Wärme entzogen wird. Vorteil dieses Systems sind die relativ hohen Abwassertemperaturen.
  • Kanalisation: Die Wärmegewinnung aus Abwasserkanälen bringt den Vorteil, dass größere und kontinuierliche Wassermengen zur Verfügung stehen. Diese Art der Abwasserwärmenutzung ist außerdem interessant, weil sich viele größere Bauten im Zentrum von Siedlungsgebieten befinden, wo auch große Abwasserkanäle vorhanden sind.
  • Kläranlage: Bei diesem System wird die Energie aus gereinigtem Abwasser gewonnen. Dies vereinfacht die technische Konzeption der Wärmeentnahme. Die Anwendung kommt allerdings nur in Frage, wenn sich in der Umgebung der Kläranlage Gebäude oder Neubaugebiete befinden.

Die heute gebräuchlichste Form der Abwasserwärmerückgewinnung ist die aus dem öffentlichen Kanalnetz, da hier die Energiemengen groß sind und sich viele mögliche Abnehmer in der Nähe befinden. Hierzu setzt man i.d.R. auf Edelstahl-Wärmetauscher, die individuell an den Abwasserkanal angepasst werden.

Abwasserwärmetauscher im Hallenfreibad Bochum-Hofstede (Foto-Copyright: Stadtwerke Bochum / Quelle: waermepumpe-regional.de)
Abwasserwärmetauscher im Hallenfreibad Bochum-Hofstede (Foto-Copyright: Stadtwerke Bochum / Quelle: waermepumpe-regional.de)
Installation eines Abwasser-Wärmetauschers in der Sohle eines Schöneberger Abwasserkanals. (Foto-Copyright: Berliner Wasserbetriebe / Quelle: waermepumpe-regional.de)
Installation eines Abwasser-Wärmetauschers in der Sohle eines Schöneberger Abwasserkanals. (Foto-Copyright: Berliner Wasserbetriebe / Quelle: waermepumpe-regional.de)

Bei der Wärmegewinnung aus gereinigtem Abwasser wird der Wärmetauscher außerhalb des Kanals angeordnet – in der Regel in einer Energiezentrale, wo sich auch die Wärmepumpe befindet. Dies setzt voraus, dass das Abwasser aus dem Kanal gepumpt und nach dem Wärmeentzug wieder zurückgeführt wird. Die Lösung mit einem kanalexternen Wärmetauscher ist auch bei der Nutzung von Rohabwasser möglich. Zum Schutz des Wärmetauschers vor Verschmutzung muss das Abwasser in diesem Fall vorgereinigt werden.

Experten-Wissen: Durch den Schmutz im Abwasser bildet sich auf der Oberfläche eines Abwasserwärmetauschers mit der Zeit ein Biofilm. Dieser verschlechtert die Wärmeübertragung. Bei der Dimensionierung von Wärmetauschern muss diesem Umstand Rechnung getragen werden. Zwei Strategien kommen dabei zur Anwendung. Im ersten Fall wird der Wärmetauscher in Abhängigkeit der Abwasserqualität periodisch gereinigt. Damit lässt sich die Einbuße bei der Energiegewinnung in Grenzen halten; es entsteht aber ein höherer Wartungsaufwand. Im anderen Fall wird auf die Reinigung verzichtet und die Einbuße der Energiegewinnung durch eine größere Wärmetauscherfläche kompensiert, was höhere Investitionskosten bedeutet.

Heizen und Kühlen mit Abwasser

Das Funktionsprinzip ist recht einfach: Wasser durchströmt in Rohren den Abwasserwärmetauscher. Das Wasser ist kälter als das Abwasser im Kanal, sodass das Wasser im Wärmetauscher durch die Abwasserwärme erwärmt wird. So findet eine voneinander systemisch getrennte Wärmeübertragung vom Abwasser zum Wasser über den Edelstahl-Wärmetauscher statt.

Das nun erwärmte Wasser fließt vom Abwasserwärmetauscher durch eine Rohrleitung zur Heizzentrale und bildet den Vor- und Rücklauf zur Wärmepumpe. Mithilfe von ein wenig Strom macht die Wärmepumpe die aus dem Kanal gewonnene Wärme dann nutzbar.

Vorteilhaft ist, dass sich das Temperaturniveau von Abwasser selbst nach der Gewinnung großer Energiemengen sehr schnell wieder erholt. Zum einen geschieht dies durch neue Zuflüsse in die Kanalisation, zum anderen durch die ständige Aufnahme von Umgebungswärme aus dem Boden. Man kann in ein Kanalnetz also eine Vielzahl von Anlagen zur Gewinnung von Abwasserwärme einbauen. Wichtig ist nur, dass ein gewisser Abstand zwischen den Anlagen besteht.

Als Faustregel gilt: Nach einer Abwasserwärmenutzungsanlage sollte in etwa das zwei- bis dreifache der Länge der Anlage selbst als sogenannte Erholungsstrecke eingeplant werden. Ist eine Anlage zur Energiegewinnung aus Abwasser 100 Meter lang, dann kann etwa 200 bis 300 Meter danach wieder eine Anlage installiert werden.

Wie viel Energie aus dem vorhandenen Abwasser gewonnen werden kann, lässt sich mit den nachfolgenden Formeln* abschätzen:

Energieangebot innerhalb eines Gebäudes

Energierückgewinnung in kWh pro Tag = Täglicher Abwasseranfall (m3/d) mal Faktor 20

 

Energieangebot eines Abwasserkanals

Entzugsleistung in kW1 = Tagesmittelwert des Trockenwetterabflusses (l/s) mal Faktor 82

 

Energieangebot in gereinigtem Abwasser

Entzugsleistung in kW1 = Tagesmittelwert des Trockenwetterabflusses (l/s) mal Faktor 16

Annahmen: Mögliche Abkühlung des Abwassers innerhalb des Gebäudes 15 °C, mögliche Abkühlung des Abwassers im Kanal 3 °C, mögliche Abkühlung des gereinigten Abwassers 6 °C, Sicherheitsfaktor für den Trockenwetterabfluss 0.64

* Quelle: Ratgeber "Heizen und Kühlen mit Abwasser" der Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Seite 24

Im Sommer können Abwasserenergieanlagen auch zur Raumkühlung eingesetzt werden. Die Wärmepumpe wirkt dabei in „umgekehrter“ Weise als Kältemaschine. Möglich ist aber auch eine direkte Nutzung der Abwasserkälte mittels Bauteilkühlung. Drei unterschiedliche Betriebsarten sind beim Kühlen mit einer Abwasserwärmeanlage möglich:

  • Reiner Kühlbetrieb der Wärmepumpe (Kältemaschine): Die überschüssige Abwärme aus der Kälteerzeugung wird über den Zwischenkreis und den Kanalwärmetauscher ans Abwasser abgegeben. Diese Betriebsart wird typischerweise im Sommer angewendet.
  • Kombinierter Heiz- und Kühl-Betrieb der Wärmepumpe: In diesem Fall bezieht die Wärmepumpe sowohl Abwärme aus den zu kühlenden Räumen als auch dem Abwasser und gibt sie ans Heiznetz ab. Diese Lösung ist typisch für Gewerbe- und Industrieanlagen, wo zeitgleich Wärme und Kälte benötigt werden.
  • Kühlen ohne Wärmepumpe (Free-Cooling): Bei diesem System wird die anfallende Abwärme über den Kanalwärmetauscher direkt dem Abwasser zugeführt. Dieses System kommt dort zum Einsatz, wo die verlangte Kühltemperatur über derjenigen des Abwassers liegt – beispielsweise bei Komfortklimaanlagen

Eignung von Abwasserkanälen

Gute Standorte für die Energiegewinnung aus Abwasser befinden sich in Städten und Ballungsgebieten, aber auch in kleineren Ortschaften in der Nähe von ausreichend großen Abwassersammlern. Letztlich stellen sich bei jedem Immobilienprojekt mit Blick auf die Option Abwasserwärmenutzung die gleichen Fragen.

  • Wo befindet sich der nächste öffentliche Kanal?
  • Wieviel Abwasser führt er?
  • Welche Temperatur hat das Abwasser?

Abwasser-Wärmetauscher lassen sich sowohl in Bestandskanäle als auch in neue Kanäle einbauen. Voraussetzung ist i.d.R. eine Kanaldimension von DN 400 aufwärts, da kleinere Kanäle nicht genug Wasser führen.

Laut des Ratgebers "Heizen und Kühlen mit Abwasser" der Deutsche Bundesstiftung Umwelt sollte der Abwasserkanal für einen wirtschaftlichen Betrieb folgende Kriterien erfüllen:

  • Wassermenge: Die Energiegewinnung aus Abwasserkanälen erfordert aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine Wassermenge von mindestens 15 Litern pro Sekunde (Tagesmittelwert bei Trockenwetter).
  • Temperatur des Abwassers: Eine hohe Temperatur des Abwassers erlaubt eine große Abkühlung und damit einen großen Energieentzug. Günstig sind die Voraussetzungen, wenn die Abwassertemperatur auch im Winter über 10 °C liegt.
  • Größe, Lage: Die baulichen Maßnahmen zur Wärmeentnahme aus einem Kanal werden erleichtert, wenn der Kanalquerschnitt groß (über 1.000 mm) und die Verlegungstiefe gering ist.
  • Zugänglichkeit: Ein guter Zugang zum Abwasserkanal (Einstiegsmöglichkeiten) reduziert die Kosten für die Installation und die spätere Wartung des Kanalwärmetauschers.
  • Verbindung zum Objekt: Der Bau der Verbindungsleitung vom Kanal oder der Kläranlage zur Heizzentrale im Gebäude kann einen wichtigen Kostenpunkt darstellen. Kann für die Leitungsführung eine bestehende Verbindung – beispielsweise ein Seitenkanal – genutzt werden, oder kann die Leitung in unbebautem Terrain verlegt werden, lassen sich die Investitionen gering halten.
  • Alter des Kanals: Besonders prüfenswert ist die Nutzung von Abwasserenergie immer dann, wenn ein Kanal saniert werden muss.

Neben den klassischen Freispiegelkanälen gibt es auch Abwasserdruckleitungen, die nicht begehbar sind. In solchen Druckleitungen kann man die Abwasserwärmenutzung ebenfalls realisieren, aber im Regelfall muss man den Wärmetauscher um die Druckleitung herum spannen oder die Druckleitung durch einen Leitungsabschnitt ersetzen, in der ein Wärmetauscher integriert ist.

Druckleitungen werden meist dann energetisch erschlossen, wenn der Einbau der Wärmetauscher mit der Sanierung oder dem Neubau einer Druckleitung zusammenfällt. Letztlich ist aber in jedem Projekt eine Einzelfallprüfung notwendig und ratsam.

Wieviel kostet Energie aus Abwasser?

In Abhängigkeit von den jeweiligen Rahmenbedingungen vor Ort liegen die Investitionskosten für die Energiegewinnung aus Abwasser (mit dem Therm-Liner von UHRIG) bei etwa 500 bis 1000 Euro/kW Wärmetauscherleistung. In diesen Kosten enthalten sind die Produktion und der Einbau der Wärmetauscher, inklusive der Verrohrung bis zum Schacht. Damit sind die Anschaffungskosten etwas günstiger als die Bohrung von Erdwärmesonden.

An Standorten mit guten Voraussetzungen bietet Energie aus Abwasser Wärmegestehungskosten von etwa 7 bis 8 ct/kWh Heizleistung. Es handelt sich dabei um eine Vollkostenbetrachtung der kompletten Technologie. Enthalten sind

  • Kapitalkosten Wärmetauscher inkl. der Verbindungsleitungen mit den Erschließungskosten
  • Kapitalkosten für die Wärmepumpe
  • Pumpen- und Wärmepumpenstrom
  • Wartungs- und Instandhaltungsaufwand

Der oben genannte Betrag wird oft verglichen mit den reinen Beschaffungskosten, z.B. Gas-Tarife. Vergessen wird dabei, dass Kapitalkosten für Heizung und Infrastruktur hierbei nicht enthalten sind.

Umgesetzt werden viele Projekte mittlerweile im Contracting, sodass dem Endkunden ein fester Preis in ct/kWh für Wärme oder Kälte angeboten wird. Das bietet Transparenz und eine hohe Preisstabilität. Kunden haben so auf Wunsch nichts mit Betrieb oder der Anschaffung der Anlage zu tun, sondern beziehen Wärme oder/und Kälte „rundum sorglos“ zu einem festen Preis.

Experten-Wissen: Kostenvergleiche zwischen Abwasserenergieanlagen und herkömmlichen Energiesystemen zeigen meistens ein ähnliches Bild: Die höheren Investitionen bei der Anschaffung stehen deutlich niedrigeren Energiekosten beim Betrieb gegenüber. Wenn sämtliche wirtschaftlichen Aspekte in die Kostenbetrachtung einbezogen werden (Life-Cycle-Kosten), schneiden Abwasserenergieanlagen indessen in vielen Fällen besser ab.

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Dieser Text beruht in Auszügen auf den Unternehmensinformationen "Häufig gestellte Fragen - Energie aus Abwasser mit dem Therm-Liner von UHRIG", die uns mit freundlicher Genehmigung von Stephan von Bothmer - Geschäftsbereich Energie aus Abwasser der UHRIG Energie GmbH aus Geisingen - Hersteller der Therm-Liner-Wärmetauscher für Abwasserkanäle - zur Verfügung gestellt wurden.

"Ratgeber: Thermische Nutzung von Abwasserwärme" wurde am 14.08.2019 das letzte Mal aktualisiert.