Behagliche Wärme aus dem Abwasserkanal

Kaum zu glauben - doch die Anlage funktioniert bestens, die Kinder fühlen sich wohl und vom Kanal ist nichts zu riechen. Dass für die behagliche Wärme im Neubau der Kindertagesstätte Märzwiesen das Abwasser im Kanal vor dem Gebäude herhalten muss, wirkt zunächst befremdend. Bei genauerem Hinsehen erkennt man Vorteile, die gut nachvollziehbar sind - und sich auf viele zukünftige Projekte im In- und Ausland übertragen lassen. Was liegt im Interesse des Klimaschutzes näher, als Abwärme zu nutzen?

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.

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 (zwölf Vollzeit/sechs Teilzeit) betreut.

Wärme- und Kältequelle Abwasser

Man nehme einen Wärmeübertrager, setze ihn in den Abwasserstrom des Straßenkanals und verbinde diesen mit einer Wärmepumpe im Gebäude. Etwa 30 Anlagen dieser Art existieren tatsächlich bereits, die dem so genannten Rohabwasser bis zu 1000 Kilowatt entziehen. Bedingung ist allerdings ein Kälte- oder Wärmebedarf von 50 Kilowatt 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 Prozent.

"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.

Voraussetzungen

Abwasser ist eine sichere, lokal vorhandene Energiequelle. Das Temperaturniveau im Abwasser ist mit 12 bis 20 Grad Celsius 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 etwa 40 Prozent 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:

• Kanalquerschnitt min. DN 300
• Trockenwetterabfluss min. 10 l/s
• Abwassertemperatur ab 10 Grad Celsius ideal

Das Projekt Kinderhaus Märzwiesen erfüllt diese Voraussetzungen. Der Kanalquerschnitt ist mit DN 1800 sehr gut für die nachträgliche Montage der Wärmeübertragerelemente geeignet.

Technik

Die hier verwendeten Systeme zur Energiegewinnung aus Abwasser lassen sich sowohl in bestehende Kanäle einbauen, idealer Weise zum Zeitpunkt der Sanierung, als auch direkt bei Neubauten. Am Boden des Kanals eingesetzte Wärmeübertragerelemente 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 vier 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 der Heizanlage ist die Jahresarbeitszahl JAZ", sagt Leonhard Schmitt, einer der beiden Geschäftsführer vom Planungsbüro Schmitt und Partner (PSP), der für die Planung der technischen Gebäudeausrüstung im Kinderhaus Märzwiesen verantwortlich war.

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.

Wirtschaftlichkeit

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 - zehn Prozent aller Gebäude in Deutschland beheizt werden. Aufgrund steigender Energiepreise einerseits und dem technologischen Fortschritt im Bereich der Wärmepumpen und Wärmeübertrager 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).

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 Wärmeübertrager aus. Die Wartungskosten sind bei Wärmeübertragern 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 Wärmeübertragern bei der Bemessung der Anlagengröße berücksichtigt, so dass dafür keine Wartung anfällt.

Der Wärmeabnehmer (zum Beispiel 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, Leiter des Bauamtes, schlüsselt die Kosten und Einsparungen folgendermaßen auf:

• Die Gesamtbaukosten des Kinderhauses belaufen sich auf 2,545 Millionen Euro inklusive Außenanlagen und Honoraren. Die reinen Baukosten ohne Honorare liegen bei 2,1 Millionen Euro.
• 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 inklusive der Abwassernutzungsanlage belaufen sich auf insgesamt 0,194 Millionen Euro.

Die Amortisation der Abwassernutzungsanlage ist in Abhängigkeit der Energieteuerung und bei Bewilligung der noch fehlenden Fördermittel in elf Jahren möglich. Obwohl üblicherweise bivalent geplant wird, die Grundlast mit erneuerbarer Energie, die Spitzenlast mit konventioneller Brennwerttechnik, 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 an den Ergebnissen hat. Deshalb soll zukünftig permanent die erreichte Leistung durch Monitoring im Eingang des Kinderhauses Märzwiesen sichtbar werden.

Wärme aus dem Abwasserkanal im Vergleich

Einige realisierte Beispiele

• Paris, Palais de l'Elysée
• Paris, Schwimmbad "Marranne"(10 l/s, 92 kW Entzug)
• Stuttgart-Bad Cannstatt, TERROT AREAL (500 l/s, 120 kW Entzug)
• Speyer, Yachthafen (90 l/s, 180 kW Entzug)
• Fürth, Rathaus (150 l/s, 215 kW Entzug)
• Rauenberg, Kinderhaus "Märzwiesen"(15 l/s, 36 kW Entzug)
• Berlin, Neubau Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (10 l/s, 41 kW Entzug).Erstes Projekt mit Direkt-Verdampfer,das heißt, der Wärmeübertrager im Abwasserkanal ist Bestandteil der Wärmepumpe.

Weitere Projekte und Informationen:www.energie-aus-abwasser.de

Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

Seit dem 01.01.2009 ist das Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz - EEWärmeG) vom 7. August 2008 (BGBl. 1 Nr. 36 vom 18. August 2008, S. 1658) in Kraft getreten.

Zweck dieses Gesetzes ist es, insbesondere im Interesse des Klimaschutzes, der Schonung fossiler Ressourcen und der Minderung der Abhängigkeit von Energieimporten, eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Wärme aus Erneuerbaren Energien zu fördern.

Laut EEWärmeG wird Abwasserwärme nicht als erneuerbare Energie eingestuft (§ 2 Abs.1), sondern als Abwärme (§ 2 Abs. 2). Die Nutzung von Abwärme ist eine Ersatzmaßnahme, wenn der Wärmeenergiebedarf zu mindestens 50 Prozent aus Anlagen zur Nutzung von Abwärme gedeckt wird (§ 7). Dabei ist eine Mindest-Jahresarbeitszahl gemäß der Anlage zum Gesetz, Abschnitt III und IV von 4,0 bei Nutzung der Wärmepumpe nur für Heizung und von 3,8 bei Nutzung für Heizung und Warmwasser zu erreichen (1).

Literatur

1) DWA-Regelwerk: Merkblatt DWA-M 114. Energie aus Abwasser, Wärme und Lageenergie. (Hrsg.:)DWA, Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Hennef, Juni 2009.

2) Energie aus Abwasser. Regenerativ, innovativ, wirtschaftlich. Informationsschrift der Uhrig Kanaltechnik GmbH. Geisingen, 2011.

Projektdaten Kinderhaus Märzwiesen, Rauenberg

Adresse: Schönbornstraße 28, 69231 Rauenberg
Fertigstellung: Dezember 2010
Bauherrschaft: Stadt Rauenberg, Baden-Württemberg
Planung: Planungsbüro Schmitt und Partner (PSP), Mauer
Heizbedarf: 45 kW
Elt.-Wärmepumpe: 2 Stück Typ TTF 20 GM, Fab. Tecalor
Jahresarbeitszahl: 4.0
Kanalquerschnitt, Abwassermenge: DN 1800, 15 l/s
Wärmeübertrager im Kanal: Therm-Liner Form A, Fab. Uhrig Kanaltechnik
Länge, Entzugsleistung: 10 m, 36 kW
Energieeinsparung: ca. 47 %
CO2-Reduzierung: ca. 45 %