Wärmegewinnung aus Abwasser - Praxiserfahrungen in der Schweiz - Teil 1

10.11.2005

Die im Abwasser enthaltene Wärme wird heute meist ungenutzt in die Umwelt abgegeben. Die Abwasserwärme besteht v. a. aus Abwärme von Industrie und Privathaushalten, die ins Abwasser abgegeben wird. Das Nutzungspotential dieser Wärme ist sehr groß: Pro m³ Abwasser kann bei einer Abkühlung von 1 °C theoretisch 1.16 kWh Wärmeenergie entzogen werden. Eine durchschnittliche Abwasser-Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von 4 kann damit rund 1.5 kWh Nutzwärme produzieren. Damit kann im Winter geheizt und das ganze Jahr Warmwasser bereitgestellt werden (im Sommer kann umgekehrt mit dem Abwasser auch gekühlt werden). Für die Übertragung der Wärme aus dem Abwasser auf die Wärmepumpe, welche die Abwasserwärme schliesslich in nutzbare Heizwärme umwandelt, braucht es geeignete Wärmetauscher in der Kanalisation.

1. Einleitung

Im vorliegenden Bericht werden nach einigen allgemeinen Aussagen zur Abwasserwärmenutzung Beispiele bestehender Anlagen in der Schweiz mit besonderem Augenmerk auf die Wärmetauscher und deren Betrieb und Unterhalt beschrieben. Die Grundlagen dazu bilden Projektberichte und Betriebsanalysen ([1] - [4]) sowie einzelne Gespräche mit Anlagenbetreibern. Weiter werden allgemeine Praxiserfahrungen beschrieben.
2. Allgemeines

Das theoretische Wärmeangebot aus dem Abwasser von Kanalisationen und ARA reicht in der Schweiz aus, um 5-10 % aller an eine ARA angeschlossenen Einwohner mit Heizwärme und Warmwasser versorgen zu können. Mit Abwasserwärme könnte also theoretisch der Heizbedarf von rund 500'000 Einwohnern gedeckt werden. Das Wärmeangebot ist also gross genug, wichtiger ist die Frage nach geeigneten Abnehmern und Einsatzmöglichkeiten. Die Wärme kann entweder dem gereinigten Abwasser im Ablauf einer ARA oder dem Rohabwasser aus der Kanalisation vor der ARA entnommen werden. Die Nutzung von Abwasserwärme kommt in der Regel für mittlere Trockenwetter­abflussmengen ab 15-40 l/s, d.h. für Gemeinden ab 3'000-10'000 Einwohnern, und in Kanälen mit einem Innendurchmesser von mindestens 800 mm in Frage. Geeignete Wärmeabnehmer (Heizung und Warmwasser) sind Wohnsiedlungen und grössere Gebäude in unmittelbarer Nähe der Kanalisation oder ARA im Leistungsbereich von 50 kW bis mehrere MW. Für die Bereitstellung von Prozesswärme (Vorlauftemperaturen >60 °C nötig) sind Abwasser-Wärmepumpen nicht geeignet.
Die Leistungszahl (COP) einer Wärmepumpe gibt an, welche thermische Nutz- oder Heiz­leistung WH die Wärmepumpe im Bezug auf die benötigte Elektrische Antriebsleistung PEL erreicht. Die Heizleistung ergibt sich aus der Summe von PEL und der entnommenen Wärme aus dem Abwasser WA mittels Wärmetauscher (Übertragungsleistung des Wärmetauschers). Wertet man die Energiedaten im Jahresverlauf aus, ergibt sich die Energieeffizienz einer Abwasser-WP durch ihre Jahresarbeitszahl (JAZ), d.h. die erzeugte Nutzwärmeenergie [kWh] im Verhältnis zur benötigten Antriebsenergie [kWh] (inkl. alle Hilfsenergien). Die Wärmequelle Abwasser erreicht auch im Winter relativ hohe Temperaturen im günstigen Bereich von 10-15 °C, was im Vergleich zu den üblichen Wärmequellen Luft, Erdreich oder Grundwasser höher ist und einen effizienten Betrieb ermöglicht. Die Voraussetzungen für die Abwasser-Wärmepumpe sind also aufgrund der durchschnittlich hohen Quellentemperatur im Vergleich zu den üblichen Wärmepumpen gut. Abwasser-Wärmepumpen (Raumheizung und Warmwasser) erreichen bei Neubauten JAZ von bis zu 5 und bei bestehenden Gebäuden JAZ von bis zu 4.
3. Praxisbeispiele aus der Schweiz

Binningen (BL)
Seit Ende 2001 versorgt die Wärmeversorgung Binningen AG (WBA) 300 Wohnungen in 61 Gebäuden mit verschiedener Nutzung (Schulhaus, Gemeindeverwaltung, private Bauten) in einem Abwasser-Wärmeverbund. Die Grundlast für Heizwärme und Warmwasseraufbereitung wird mittels 2 Abwasser-Wärmepumpen (Wärme aus dem Abwasser der nahe gelegenen Kanalisation) und 2 BHKW (Blockheizkraftwerke) geliefert. Der Strom für den Antrieb der Wärmepumpen stammt aus den BHKW. Für Spitzenlasten oder Notfälle stehen konventionelle Gas- und Ölheizkessel bereit. Die Abwasser-Wärmepumpenanlage wurde als Pilot- und Demonstrationsprojekt mit Unterstützung des Bundesamtes für Energie realisiert und der Betrieb überwacht. Die Betriebs­analysen [2] haben eine durchschnittliche JAZ von 3.2 ergeben. Im Winter sorgen die BHKW für die Warmwasseraufbereitung, da die thermische Grundlast, die durch die Wärmepumpe bei tieferen Vorlauftemperaturen geliefert wird, höher ist als im Sommer.
Kennzahlen Binningen (BL)
Anzahl Wohnungen: 300
Wärmeproduktion: 2'400 MWh/a
therm. Leistung WP: 380 kW
JAZ: 3.2
Länge WT: 140 m
Breite WT: 0.80 m
Fläche WT: 110 m2
Leistung 260 kW
Der Wärmetauscher besteht aus 47 vorgefertigten Elementen mit Verbindungskupplungen (alles in Edelstahl gefertigt) von je 3 m Länge und ca. 0.80 m Breite (Gesamtlänge 140 m). Er wurde auf der Sohle eines eiförmigen Kanals (1.80 x 1.20 m) montiert (Abb 1). Immer 4 Elemente sind in Serie zusammengeschlossen und bilden eine Gruppe. Jede dieser Gruppen ist mittels Edelstahlrohren an die im Kanal oben montierten Vor- und Rücklaufleitungen aus PE angeschlossen. Über einen Schacht werden die Vor- und Rücklaufleitungen aus der Kanalisation geführt, von wo aus sie zur Wärmepumpe in der Heizzentrale geleitet werden.
Bis auf einen Pumpendefekt und ein Leck im Zwischenkreislauf (Druckverlust) traten bisher keine Störungen auf. Auch konnte bisher keine nennenswerte Verschmutzung des Wärmetauschers mit entsprechender Leistungsverminderung festgestellt werden, so das bisher keine zusätzliche Reinigung erforderlich war. Im Rahmen des Anlagenbetriebes (Leistungsüberwachung) übernimmt die WBA allfällige Reinigungen und Unterhaltsarbeiten in eigener Verantwortung. Für den Betreiber der Kanalisation ergaben sich während der bisherigen Betriebszeit keine zusätzlichen, durch den Wärmetauscher bedingten Aufwände. Die ursprüngliche Funktion des Kanals wurde in keiner Weise beeinträchtigt. Die auf der nachgeschalteten ARA resultierende Temperaturabnahme infolge des Wärmeentzugs aus dem Kanal ist in der Regel vernachlässigbar und hat keinen negativen Einfluss auf den ARA-Betrieb. In Notfällen könnte die Wärmepumpe abgeschaltet und die Heizung mit den BHKW oder Heizkesseln aufrechterhalten werden.
Zwingen (BL)
Mittels 2 zentraler Wärmepumpen werden 31 Einfamilienhäuser seit Anfang 1999 mit Wärme aus dem Abwasser des naheliegenden Hauptsammelkanals der ARA Laufental beheizt (nur Raumheizung, die Warmwasseraufbereitung erfolgt dezentral in den einzelnen Wohnungen, teilweise über Sonnenkollektoren, teilweise über Heizkessel). Ein abgasarmer Flüssiggas-Brenner dient zur Abdeckung von Bedarfsspitzen. Mit der Wärmepumpe werden ca. 75% des Gesamt-Wärmebedarfs abgedeckt. Planung, Bau und professionelle Betreuung der Anlage erfolg(t)en durch die Elektra Birseck Münchenstein (EBM) im Contracting mit der Bauherrschaft. Weil die Neubau-Siedlung über eine sehr gute Wärmedämmung verfügt, kann die Wärme mit tiefen Vorlauftemperaturen über Bodenheizungen verteilt werden. Dadurch arbeitet die Wärmepumpe effizient. Bisherige Messun­gen ergaben eine durchschnittliche JAZ von 4.6 [3]. Die erwartete JAZ von 5 wurde wegen der stärker als eingeplanten Verschmutzung des Wärmetauschers nicht erreicht. Die Verschmutzung ist die Folge von stärker belastetem Abwasser wegen Betriebsstörungen einer angeschlossenen Papierfabrik. Diese hat mittlerweile ihren Betrieb eingestellt. Dadurch nahm die Wärmetauscher-Verschmutzung ab, jedoch sank aufgrund des fehlenden, warmen Industrieabwassers die mittlere Abwassertemperatur gegenüber der Auslegung, was die Effizienz der Abwasser-Wärmepumpe doch wieder leicht verringerte.
Kennzahlen Zwingen (BL)
Anzahl Wohnungen: 31
Wärmeproduktion WP: 230 MWh/a
therm. Leistung WP: 52 kW
JAZ: 4.4
Länge WT: 10 m
Breite WT: 1.06 m
Fläche WT: 10.6 m2
Leistung WT: 40 kW
Der Wärmetauscher besteht aus 4 vorgefertigten Elementen aus Edelstahl von je 2.5 m Länge und 1.06 m Breite (Gesamtlänge 10 m). Der Wärmetauscher wurde direkt auf der Sohle des rechteckigen, begehbaren Kanals montiert. Jedes Wärmetauscher-Element ist über Anschlussstutzen an die Vor-/Rücklaufleitungen aus PE angeschlossen (Abb 2, 3).
Im Rahmen des Anlagenbetriebes (Leistungsüberwachung) übernimmt die EBM auch allfällige Reinigungen und Unterhaltsarbeiten am Wärmetauscher in eigener Verantwortung. Dank der modularen Bauweise ist eine Vergrösserung des Wärmetauschers (Gewinnung von Austauschfläche für eine allfällige Leistungssteigerung) einfach und kostengünstig möglich. Für den Betreiber der Kanalisation ergaben sich während der bisherigen Betriebszeit keine zusätzlichen, durch den Wärmetauscher bedingten Aufwände. Die ursprüngliche Funktion des Kanals wurde nicht beeinträchtigt. Die auf der ARA Laufental resultierende Temperaturabnahme infolge des Wärmeentzugs aus dem Kanal ist kleiner als 0.1 °C und hat keinen negativen Einfluss auf den Betrieb der ARA. Das Beispiel Zwingen zeigt, wie wichtig der Einflussfaktor Abwasserzusammensetzung und die entsprechende Wärmetauscherverschmutzung sein kann, und dass bei der Planung darauf eingegangen werden muss. Über den spezifischen Einfluss von Abwasserzusammensetzung auf die Verschmutzung von verschiedenen Wärmetauschersystemen und die entsprechende Leistungsminderung wurden im Allgemeinen bisher noch keine Untersuchungen oder gezielte Erfahrungen gemacht. Bei der Auslegung sollten dementsprechend Sicherheiten eingebaut werden.
Muri (AG)
Seit 1994 versorgt die Energie Freiamt AG (EFA) 200 Wohnungen mit Abwasserwärme über einen verzweigten Wärmeverbund von 3.2 km Länge mit 7 dezentralen Heizzentralen. Die Wärme wird dem gereinigten Abwasser nach der Kläranlage entnommen und als "kalte" Fernwärme zu den bivalenten Heizzentralen transportiert. Jede Zentrale verfügt über eine Wärmepumpe für die Erzeugung der Grundlastwärme und einen Ölheizkessel für die Spitzendeckung. Die Abwasser-Wärmepumpen erzeugen rund zwei Drittel der gesamten benötigten Wärmeenergie. Die Anlagen werden über ein Energiemanagement-System leistungsabhängig geregelt und optimiert. Die ARA und die Heizzentralen sind mit der Leitstelle der EFA verbunden und können von dort aus ferngesteuert werden. Durch die Wärmepumpen werden gegenüber früher rund 300'000 Liter Heizöl pro Jahr eingespart. Dies entspricht einer Reduktion der CO2-Emissionen um rund 750 Tonnen pro Jahr. Beim Projekt konnten wesentliche Teilstrecken des Zwischenkreislaufes zwischen der Kläranlage und den einzelnen Heizzentralen und Wärmeverbrauchern mittels koordiniertem Leitungsbau erstellt werden: Der Leitungsgraben wurde gleichzeitig für die Verlegung der Sekundärkreislauf-Kunststoffrohre (kaltes Fernwärmenetz), Nahwärmenetze (isolierte Stahl- oder Kunststoffrohre), Elektro-, TV- und Strassenbeleuchtungskabel verwendet, wodurch erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden konnten.
Das auch im Winter mindestens 8 - 12°C warme gereinigte Abwasser aus der letzten Klärstufe (Filtration) erwärmt in der ARA Muri über einen Wärmetauscher das Sekundärkreislaufwasser. Dieses wird in die dezentralen bivalenten Heizzentralen transportiert. Hier heben die Wärmepumpen die Wärme auf das zur Gebäudeheizung notwendige Temperaturniveau an. Die Heizwärme wird dann in den einzelnen Nahwärmenetzen zu den jeweiligen Verbrauchern/Heizkörpern geführt. Die maximale Vorlauftemperatur des Heizsystems liegt normalerweise zwischen 50°C und 65°C [4].
Kennzahlen Muri (AG)
Anzahl Wohnungen: 200
Wärmeproduktion WP: 1’700 MWh
therm. Leistung WP: 1’050 kW
JAZ: 3.0
Abmessungen WT: 1.5 x 1 x 0.5 m
Leistung WT: 700 kW
Beim Wärmetauscher handelt es sich um einen kompakten Lamellen-Wärmetauscher aus Edelstahl (Abb 4). Der Wärmetauscher wird im Gegenstrom gleichzeitig vom gereinigten Abwasser und vom Sekundärkreislaufwasser durchflossen. Beide Kreisläufe werden mit Pumpen aufrecht erhalten (dies ist ein energetischer Nachteil gegenüber in der Kanalisation eingebauten Wärmetauschern, wo das Abwasser nicht gepumpt werden muss). Der Wärmeaustausch im Wärmetauscher erfolgt über die aktive Oberfläche der dicht gepackten Lamellen (viel Oberfläche bei wenig Volumen).
Der Wärmetauscher wird vorbeugend zweimal pro Jahr gründlich gereinigt (Aufwand ca. ½ Tag). Die Abnahme der Abwasserdurchsatzmenge (Druckverlust) gilt als Indikator für die Verschmutzung des Wärmetauschers. Bisher traten keine Probleme (Leistungsverminderung) wegen Verschmutzungen auf. Die Gefahr von Verschmutzungen ist beim Wärmetauscher von Muri kleiner als bei Wärmetauschern in der Kanalisation, da es sich in Muri um bereits gereinigtes Abwasser handelt. Reinigungs- und Unterhaltsarbeiten werden von der EFA selbst übernommen. Die ARA-Betreiber haben weder zusätzlichen Aufwand, noch wird der ARA-Betrieb in irgendeiner Weise negativ beeinflusst.
Basel
In der Sportanlage Bachgraben (Fussball, Leichtathletik, Golf) der Stadt Basel wurde 1982 eine Wärmepumpenanlage für die Beheizung (Fussbodenheizung) und Warmwasseraufbereitung (Duschwasser) der 16 Garderoben erstellt. Es handelt sich damit um eine der ersten Abwasserwärmenutzungsanlagen in der Schweiz. Die Wärmepumpe nutzt die Wärme aus dem Abwasser der nahe gelegenen Kanalisation. Da die Wärmeerzeugung in der Aussensportanlage hauptsächlich im Sommer genutzt wird, wenn die Abwassertemperaturen hoch liegen (17-22 °C), erreicht die Abwasser-Wärmepumpe eine ausgezeichnete durchschnittliche JAZ von ca. 6.5 und arbeitet damit sehr effizient. Nach fast 20 Jahren störungsfreiem Betrieb wurde die Heizanlage im Jahr 2001 erneuert. Die Tatsache, dass erneut eine Wärmepumpe installiert wurde, ist ein Indiz für die Zufriedenheit der Bauherrschaft, des verantwortlichen Personals für die Heizungszentrale sowie den Betreiber der Kanalisation (Bauamt der Stadt Basel).
Anlässlich des Ersatzes der Wärmepumpe wurde auch der rund 30 m lange Kanal-Wärmetauscher (Abb 5) einer umfassenden Funktionskontrolle unterzogen. Diese Untersuchung ergab keinerlei Beeinträchtigungen oder Probleme mit Verschmutzungen, so dass der gleiche Wärmetauscher voraussichtlich problemlos weitere 20 Jahre praktisch wartungsfrei genutzt werden kann. In Basel-Bachgraben wird der Wärmetauscher nicht periodisch gereinigt. Seit der Inbetriebnahme bringt er die benötigte Leistung auch ohne Reinigung. Der Kanal-Betreiber hat also damit keinen vermehrten Aufwand und der Kanal erfüllt seine ursprüngliche Funktion ohne Einschränkungen.
Der zweiten Teil des Artikels erscheint Anfang des Jahres 2006.
Literatur

[1] Elektra Birseck Münchenstein (EBM) u. A.: "Wärmeversorgung Binningen AG - Wärmenutzung aus Abwasser", Projekteingabe "Energy Globe" 2002
[2] Dietler Martin, Elektra Birseck Münchenstein (EBM), i. A. des Bundesamtes für Energie: "Abwärmenutzung aus bestehendem Schmutzwasserkanal in Binningen - Energiebilanz und Betriebsverhalten im Jahr 2003", Schlussbericht, Februar 2004
[3] Längin Eduard, Elektra Birseck Münchenstein (EBM), i. A. des Bundesamtes für Energie: "Abwärmenutzung aus bestehendem Schmutzwasserkanal in Zwingen - Energiebilanz und Betriebsverhalten im Jahr 2000", Schlussbericht, Juni 2001
[4] Businger Ewald, Energie Freiamt AG (EFA), i. A. des Bundesamtes für Energie: "Abwärmenutzung aus der ARA Muri - Betrieb bivalenter Wärmezentralen mit Nahwärmenetzen", Schlussbericht, Dezember 2001
[5] Kobel Beat, Buri René, Ryser Ingenieure AG Bern, Energie in Infrastrukturanlagen, i. A. des Bundesamtes für Energie: "Wärmenutzung aus Abwasser - Leitfaden für Inhaber, Betreiber und Planer von Abwasserreinigungsanlagen und Kanalisationen" (gratis download unter www.infrastrukturanlagen.ch)
Autoren
René Buri, Dipl. Umweltingenieur 
Beat Kobel, Dipl. Bauingenieur / Dipl. Betriebswirtschaftsingenieur
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