Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abwasserkanalisation

Keine Frage, aus ökologischer Sicht haben regenerative Energiebereitstellungstechniken schon immer ihre Berechtigung gehabt, jedoch war die Wirtschaftlichkeit meist noch in Frage gestellt. Nicht zuletzt wegen den immer weiter steigenden Energiepreisen, sondern auch neue technische Entwicklungen bieten neue Perspektiven.

Die Abwasserentsorgung besteht bekanntermaßen aus einem weitverzweigten Kanalsystem unterirdisch, dass bislang ausschließlich für den Abwassertransport bestimmt war. Man hat bisher wenig konkret darüber nachgedacht, oder auch ignoriert, dass das Abwassernetz rein aufgrund seiner technischen Konstruktion auch ein riesiges flächendeckendes, oberflächennahes Erdwärme-Kollektorsystem ist, das zusätzlich mit warmen Abwässern aus häuslichen und gewerblichen Prozessen nachhaltig gespeist wird.

Die öffentliche Abwasserkanalisation in Deutschland transportiert ca. 11 Mrd. m³ Abwasser mit einer durchschnittlichen Temperatur von 15° C. Würde man diese Abwasserwärme nur um 5° C durch eine Wärmerückgewinnung reduzieren, könnte theoretisch eine Wärmemenge von ca. 65 Mio. MWh pro Jahr zurückgewonnen und zusätzlich genutzt, bzw. eingespart werden. Dieses entspricht einer Heizölmenge von 5,6 Mio. Tonnen. Mit dieser Menge könnten 12% der Gebäude in Deutschland beheizt werden. Gleichzeitig würde man den derzeitigen CO₂-Ausstoß um 11 Mrd. t reduzieren.

Eine Wirtschaftlichkeit ist daher schon heute prognostizierbar, wenn entsprechend geeignete Wärmerückgewinnungstechniken zur Verfügung stehen. Einzelne Studien sind schon vorhanden, und ein zunehmendes Interesse der Kommunen an weiteren Studien und Standortanalysen ist festzustellen. Einige Pilotanlagen sind in Deutschland bislang in Betrieb. Die Ergebnisse sind recht vielversprechend und auch wirtschaftlich. Jedoch können die Techniken noch weiter optimiert, vereinfacht, und auf solide, d.h. auf allgemein gültige technische Grundlagen gestellt werden. Viele Details sind zu klären und projektbezogen einvernehmlich mit allen Beteiligten und Verantwortlichen zu regeln. Dieses gilt insbesondere für die Anforderungen aus dem Kanalbetrieb, dessen Hauptaufgabe selbstverständlich weiterhin in erster Linie die Abwasserentsorgung ist.

Das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft, Verbraucherschutz des Landes NRW (MURL) hat bereits beim Institut für Unterirdische Infrastruktur (IKT) eine Studie in Auftrag gegeben um an einem System aus der Schweiz umfangreiche Untersuchungen durchzuführen.

Das neustes Merkblatt ist durch die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA) in Hennef erschienen. Seit Februar 2009 ist durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (www.bafa.de) eine Richtlinie erlassen worden. Diese soll Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt politisch unterstützen. Gefördert werden nur Anlagen die eine gewisse Effizienz aufweisen. Im einzelnen soll hier auf diese nicht eingegangen werden.

Lineare Wärmerückgewinnungssysteme

Das Konzept sieht vor, in ein handelsübliches Kanalrohr aus Beton ein Innenrohr nach dem Prinzip eines Doppelrohr-Wärmeüberträgers zu integrieren. Dieser Wärmetauscher wir aus Edelstahl Mat. 1.4571 gefertigt. Die Wandstärke beträgt 3 mm. In dem Ringraum zwischen den beiden Edelstahl-Rohrwandungen zirkuliert das Wärmetauschermedium, das in normales Wasser sein kann. Das äußere Rohr erhält jeweils an den Enden einen Vorlauf- und Rücklaufanschlussstutzen. Diese binden seitlich tangential zum Außenrohrumfang ein, und bewirken einen Strömungsimpuls, der das Wärmetauschermedium in dem Ringraum schraubenförmig um die Rohrachse rotieren lässt. Der Effekt wird durch eine Strömungs–Düse im Zulauf zusätzlich verstärkt. Um das Tauschermedium mit möglichst langen Weg durch den einzelnen Edelstahltauscher zu schicken, sind Lamellen zwischen den Wanden eingebracht.

Dieses neue Strömungsprinzip zusammen mit der gewählten Wärmetauscherbauform verlängert den Strömungsweg des Wärmetauschermediums im Wärmetauscher pro Meter Rohrlänge erheblich. Zudem kann das Wärmetauschermedium mit entsprechend großer Menge und Geschwindigkeit mit relativ geringen Widerstand strömen. Auch wird durch die Doppelrohr-Wärmüberträger Konstruktion nahezu der gesamte Rohrmantel des Kanalrohres zur Wärmetauscherfläche. Des weiteren wurde mit diesem Konzept die Grundlage sowohl für ein einfach zu fertigendes und zu montierendes, als auch weiterhin in üblicher Weise zu verlegendes und zu betreibendes Betonrohr mit Inliner geschaffen, das aus handelsüblichen und somit vergleichsweise preisgünstigen technischen Komponenten besteht. Alle Rohrdimensionen, Längen, Betongüten und Verbindungssysteme können projektbezogen bestimmt bzw. rationell kombiniert werden.

Die Verlegung erfolgt wie konventionell hintereinander im offenen Graben. Die verlegte Kanalstrecke wird weiterhin wie üblich betrieben und gewartet. Jeder Wärmetauscher wird über die seitlich abgehenden Anschlüsse mit einer separat im Graben verlegten Vor- und Rücklaufsammelleitung verbunden. Beide Sammelleitungen verlaufen vorzugsweise parallel zum Abwasserrohr, an die jeder Straßenanlieger unabhängig vom Kanal auf kürzestem Wege anschließen kann. Die separate Führung der Versorgungsleitungen hat auch den Vorteil, dass diese jederzeit geprüft werden können. Auch können notfalls einzelne Kanalrohre oder ganze Abschnitte ausgewechselt werden, ohne andere Kanalstrecken, einschl. der Wärmerückgewinnung, außer Betrieb nehmen zu müssen. Zudem können einzelne Rohre ohne Wärmetauscher ausgestattet werden um seitliche Zuläufe durch anbohren bauseits oder werksseitig (Abzweige) einzubinden.

Die Beeinträchtigung bei den Kläranlagen ist differiert zu sehen. Die Temperaturen des gesamten Abwasser und somit der Zulauftemperatur der Kläranlage werden bei einzelne Wärmerückgewinnungsanlage sicherlich nicht messbar beeinflusst. Die Verringerung der Wassertemperatur direkt nach der Wärmeentnahme bewegt sich im Kelvin Bereich. Somit können mehrere Anlagen installiert werden, und es ergibt sich keine wesentliche Veränderung des Zulaufwassers. Gleiches gilt wenn mit dem Abwasser das Gebäude gekühlt wird, also mehr Wärme in den Kanal eingeleitet wird. Die Absprache mit allen Beteiligten sollte unbedingt die Veränderung der Abwassertemperatur beinhalten.

Die Leistungsfähigkeit der obenbeschriebenen Anlagentechnik ist von mehreren Faktoren abhängig. Die höhere Abwassertemperatur erhöht die Effizienz erheblich. Die Ausnutzung dieser ist von der eigentlichen Temperatur des Fluid, der Fließgeschwindigkeit, dem Austausch der Luft im Gasraum, der Sielhaut und nicht zuletzt von dem Füllungsgrad abhängig. Die Sielhaut kann die Leistungsfähigkeit bis zu 50% reduzieren. Regelmäßige Spülungen verringert diesen Wert auf ca. 20%. In verschiedenen Machbarkeitsstudien hat sich erwiesen, dass größere Sammler nötig sind um Potential zu haben, dass sich ein wirtschaftliches Konzept ergibt. Durch wissenschaftliche Zusammenarbeit sind Berechnungsverfahren zur Planung und Abschätzung der Leistungsfähigkeit entstanden. Diese können wir Ihnen projektbezogen zur Verfügung stellen.

Die Kosten-Nutzen-Rechnung relativiert sich zu anderen Möglichkeiten Wärme zu erzeugen nach mehreren Jahren der Nutzung. Die Wärmepumpen benötigen nur sehr wenig Primärenergie. Ferner ist in die Kalkulation das neue Erneuerbare-Energie-Wärmegesetz einzubeziehen. Unter gewissen Bedingungen werden solche Anlage staatlich gefördert.

Durch die lange, preiswerte Nutzungsdauer der Wärmepumpen und besonders der -tauscher, ergibt sich je nach individueller Anlage eine positives Kosten-Nutzen Rechnung. Durch solche Anlagen ist der Betreiber und der Abnehmer der Anlagenwärme sehr unabhängig. Als Primärenergie wird nur noch relativ wenig Strom benötigt. Wärmepumpen werden mit einer Lebensdauer von ca. 15 Jahren veranschlagt.


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