Wärme aus dem Abwasserkanal
Was liegt im Interesse des Klimaschutzes näher, als Abwärme zu nutzen? Für die Wärme im Neubau der Kindertagesstätte Märzwiesen wird das Abwasser im Kanal vor dem Gebäude genutzt. Die ökonomischen und ökologischen Vorteile lassen sich auf viele zukünftige Projekte im In- und Ausland übertragen.
Die Stadt Rauenberg wirbt auf ihrer Website: „Klimaschutz zahlt sich aus – unter diesem Motto startete am 1. März 2008 das Bundesumweltministerium in Kooperation mit der Deutschen Energie-Agentur (dena) und den Verbraucherzentralen eine breit angelegte Informationskampagne. Ziel ist es, den Einsatz erneuerbarer Energien für die Wärmegewinnung zu fördern und den Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxids (CO2) zu verringern“. Mit dem Kinderhaus Märzwiesen wird die Kommune zum Vorkämpfer dieser Initiative und zeigt, dass es ihr Ernst damit ist.
Ein Ort für Kinder
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 Wärmetauscher, 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, das patentierte System zur Wärmerückgewinnung aus dem Kanal, versorgt das Kinderhaus Märzwiesen in Rauenberg seit Dezember 2010.
Was sind die Voraussetzungen?
Abwasser ist eine sichere, lokal vorhandene Energiequelle. Das Temperaturniveau im Abwasser ist mit ca. 12 – 20 °C sehr 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:
-begehbarer Kanal min. DN 300
- Trockenwetterabfluss min. 10 l/s
- Abwassertemperatur ab 10 °C ideal
Das Projekt Kinderhaus Märzwiesen erfüllt diese Voraussetzungen. Der Kanalquerschnitt ist mit DN 1800 sehr gut für die nachträgliche Montage der Wärmetauscherelemente geeignet.
Wie funktioniert die Technik?
Die hier verwendeten Systeme zur Energiegewinnung aus Abwasser lassen sich sowohl in bestehende Kanäle einbauen, idealerweise zum Zeitpunkt der Sanierung, als auch direkt bei Neubauten. Am Boden des Kanals eingesetzte Wärmetauscherelemente 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 Kelvin. 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 einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl JAZ“, sagt Leonhard Schmitt, einer der beiden Geschäftsführer von PSP, zuständig für die Planung der technischen Gebäudeausrüstung im Kinderhaus Märzwiesen. „Wir haben hier ein elektrisch betriebenes Gerät mit JAZ 4,0 gewählt, so dass wir insgesamt auf eine Energieeinsparung von ca. 47% kommen. Die Auswertung des ersten normalen Betriebsjahres steht noch bevor, wir berichten auf unserer Website, wenn neue Zahlen vorliegen.“
Einschlägige Fakten: DWA-M 114
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.
Im Abwasser steckt eine große Wärmemenge, die mittels moderner Wärmepumpentechnologie zur Beheizung von Gebäuden verwendet werden kann. Das Potenzial 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 Wärmetauscher 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].
Langfristig wirtschaftlich
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 Wärmetauscher aus. Die Wartungskosten sind bei Wärmetauschern 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 Wärmetauschern 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 von der Stadtverwaltung schlüsselt die Kosten und Einsparungen folgendermaßen auf:
- Die Gesamtbaukosten des Kinderhauses belaufen sich auf 2,545 Mio € inkl. Außenanlagen und Honoraren. Die reinen Baukosten ohne Honorare liegen bei 2,1 Mio €
- Fördermittel wurden beantragt und gewährt von Ausgleichstock, Krippenförderung des Bundes, sowie Konjunkturprogramm II. Derzeit beantragt aber noch nicht beschieden sind Mittel aus dem Programm Klimaschutz-Plus der KEA
- Die Kosten der Wärmeversorgungsanlagen inkl. der Abwassernutzungsanlage belaufen sich auf insgesamt 0,194 Mio €
Die Amortisation der Abwassernutzungsanlage ist in Abhängigkeit der Energieteuerung und bei Bewilligung der noch fehlenden Fördermittel in 11 Jahren möglich. Wird üblicherweise die Grundlast mit erneuerbarer Energie, die Spitzenlast mit konventioneller Brennwerttechnik abgedeckt, so 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 hat an den Ergebnissen. Deshalb soll zukünftig permanent die erreichte Leistung durch Monitoring im Eingang des Kinderhauses Märzwiesen sichtbar werden.
