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Wärme aus Abwasser: das Potenzial urbaner Energiewende
Die Energiewende in Städten steht vor besonderen Herausforderungen: Platzmangel für Photovoltaik oder Solarthermie, Verschattung durch dichte Bebauung und strenge Denkmalschutzauflagen erschweren die Nutzung klassischer erneuerbarer Energien. Doch eine bislang wenig beachtete Ressource schlummert direkt unter unseren Füßen: die Wärme aus dem Abwasser. Dies ist einer der Anwendungsfälle zur Abwärmenutzung. Weitere Beispiele finden Sie auf unserer Funktionenseite Abwärme nutzen.
Warum Wärme aus Abwasser zurückgewinnen?
In urbanen Gebieten fällt kontinuierlich warmes bis heißes Abwasser aus Haushalten, Gewerbe und Industrie an. Diese Energie wird bislang meist ungenutzt in die Kanalisation geleitet. Moderne Abwasserwärmetauscher machen es möglich, diese Energiequelle effizient und wirtschaftlich zu erschließen.
Die Wärmegewinnung aus Abwasser ist nicht nur klimafreundlich, sondern auch bereits heute wettbewerbsfähig und als erneuerbare Energiequelle (RED II, GEG; „Umgebungsenergie“, „Umweltwärme“) anerkannt.
Mit einer Temperatur von 10 bis 12 °C und 17 bis 20 °C im Sommer besitzt das Abwasser ein attraktives Temperaturnivau für Heizen und Kühlen mittels Wärmepumpe.
Es gibt eine vorhandene Infrastruktur mit hunderttausenden Kilometer Kanalnetz.
In Deutschland könnten laut Schätzungen bis zu 15 % des Wärmebedarfs im Gebäudesektor durch Wärme aus Abwasser gedeckt werden – das entspricht Heizwärme für 4 bis 12 Millionen Menschen.
Benötigte Komponenten zur Wärmegewinnung aus Abwasser
Ein System zur Wärmegewinnung aus Abwasser besteht grundsätzlich aus drei Komponenten:
- Abwasserwärmetauscher: Zum Heizen im Winter entzieht der Wärmetauscher dem Abwasser Wärme und umgekehrt im Sommer bringt er Wärme aus dem Kühlen in das Abwasser ein.
- Wärmepumpe: Sole-Wasser-Wärmepumpen sind besonders geeignet, da die vom Abwasserwärmetauscher erwärmte Sole direkt als Wärmequelle genutzt wird. Der Effizienzgrad solcher Systeme ist hoch, da das Abwasser ganzjährig relativ konstante Temperaturen bietet.
- Erschliessung und Anbindung: Die Distanz zwischen Abwasserwärmetauscher und Wärmepumpe kann in der Praxis auch mehrere hundert Meter sein. Die Distanz ist oft ein Kriterium für die Wirtschaftlichkeit eines Projektes für Contractoren.
Warum ist die Wärmegewinnung mit Wärmetauscher im Abwasserkanal oft effizienter als nahe der Kläranlage?
Die Wärmegewinnung aus Abwasser kann grundsätzlich sowohl direkt im Abwasserkanal als auch am Ablauf der Kläranlage erfolgen. Beide Ansätze haben spezifische Vorteile – doch insbesondere für die dezentrale Versorgung in Städten ist die Nutzung im Kanalnetz häufig effizienter. Dies aus folgenden Gründen:
- Nähe zu den Wärmeabnehmern: Abwasserkanäle verlaufen meist direkt unter oder nahe an den zu versorgenden Gebäuden. Dadurch sind die Wege für den Wärmetransport kurz, was Wärmeverluste und Kosten für lange Leitungen minimiert. Kläranlagen liegen dagegen oft am Stadtrand oder außerhalb, sodass das gereinigte und abgekühlte Abwasser über längere Strecken zu den Verbrauchern transportiert werden müsste.
- Höheres Temperaturniveau und kontinuierliche Erneuerung: Im Kanal ist das Abwasser meist wärmer als nach der Kläranlage und unterliegt einer ständigen Erneuerung durch Zuflüsse. Das Temperaturniveau erholt sich nach der Wärmeentnahme schnell, was eine effiziente und mehrfache Nutzung im Wärmenetz ermöglicht. Nach der biologischen Reinigung in der Kläranlage ist das Abwasser zwar mengenmäßig konstant, aber oft etwas kühler und das Temperaturniveau schwankt weniger
- Flexibilität und Skalierbarkeit: Im Kanalnetz können mehrere kleinere Anlagen dezentral installiert werden, sodass sich das System flexibel an den Wärmebedarf vor Ort anpassen lässt. Nach jeder Entnahmezone kann sich das Abwasser durch neue Zuflüsse und Umgebungswärme wieder regenerieren.
Bei der Kläranlage ist das Potenzial zwar insgesamt sehr groß, aber die zentrale Lage erfordert überwiegend größere Einzelanlagen und längere Transportwege zu den Abnehmern.
Wärmetauscher Abwasserkanal: Funktionsweise und Einbauvarianten
Der Einbau von Wärmetauschern im Abwasserkanal ist eine praxiserprobte Technik und die ältesten Anlagen sind über 15 Jahren in Betrieb. Die Abwasserwärmetauscher werden direkt in den Abwasserkanal integriert und entziehen dem Abwasser thermische Energie, ohne den Abfluss zu beeinträchtigen. Die gewonnene Wärme kann über eine Wärmepumpe für Heizung und Warmwasser genutzt werden. Besonders in dicht besiedelten Gebieten, wo andere regenerative Technologien an ihre Grenzen stoßen, ist dies eine attraktive Lösung.
Folgende Einbauvarianten für Wärmetauscher im Abwasserkanal werden unterschieden:
- Nachträglich im Kanal eingebaute Wärmetauscher: Zu beachten ist, dass der nachträgliche Einbau von Wärmeübertragern einen Eingriff in das Entwässerungssystem in Form einer Reduktion des Fließquerschnitts darstellt und nur in Absprache mit dem Netzbetreiber, dem Betreiber der Kläranlage sowie nach Anzeige gegenüber der Aufsichtsbehörde erfolgen darf.
- Werksseitig in Kanalrohren integrierte Wärmetauscher: Die Ausführung ist nur bei Neubauten oder komplettem Austausch von Kanalabschnitten möglich. Die Ablaufleistung ist durch entsprechende Dimensionierung gegeben.
Im Webinar Wärmegewinnung aus Abwasser mit dem Marktführer Uhrig Energie GmbH (Therm-Liner Anlagen) haben wir spezifische Punkte bei der Dimensionierung von Wärmepumpensystemen mit Wärmetauscher im Abwasserkanal näher aufzeigt.
Wärmetauscher Abwasserkanal: Wo werden diese eingesetzt?
Aufgrund der höheren Abwassermenge werden Wärmetauscher Abwasserkanal häufig im öffentlichen Kanalnetz und seltener in industriellen Kanälen eingesetzt. Verbraucher sind Wärmenetze und Gebäude mit ganz unterschiedlichen Nutzungsprofilen. Diese sind Gewerbeimmobilien, Schulen, Krankenhäuser, Wohngebäude oder Grossgebäude mit Multinutzungen.
Grössere Projekte werden meist mittels Wärme-Contracting-Modell umgesetzt. Dies sind größtenteils lokale Stadtwerke oder überregionale Energieversorger. Kleinere Projekte wie Einzelgebäude und Einfamilienhäuser werden meist mit Versorgung in Eigenregie umgesetzt.
Die Energie aus dem Abwasser wird zum Heizen, Kühlen oder beidem verwendet. Eine wirtschaftliche Projektierung einer Wärmepumpensystem mit Nutzung der Abwasserwärme ist sinnvoll im Bereich von 50 kW Sinn bis ein MW Heizleistung. Bei kleineren Anlagen verursachen die Aufwendungen für die Planung und Genehmigung sonst meist zu hohe Kosten. Es gibt jedoch auch kleinere Anlagen, die bereits in Betrieb sind.
Abwasserwärmetauscher Kanal: Einfluss Temperatur und Abwassermenge
Die Temperaturen im Abwasser variieren deutlich weniger als in der Luft, jedoch auch mit einer Taganhebung und Nachtabsenkung. Im saisonalen Verlauf gibt es immer wieder deutliche Ausschläge mit kühlem Abwasser, welche auf Regenfallereignisse mit dem entsprechenden grösseren Menge an Mischwasser zurückzuführen sind.
Durch die grösseren Wassermengen bei Regentagen entsteht mit den tieferen Temperatur einen negativen Einfluss auf die Performance des Abwasserwärmetauschers. Zum anderen hat es einen positiven Einfluss, da die Wasserfliessgeschwindigkeit im Abwasserkanal erhöht ist und damit die Wärmeübertragung auf den Abwasserwärmtauscher verbessert wird. Ein erhöhtes Abwasseraufkommen im Kanal hat auch einen passiv positiven Einfluss, da es den Abwasserwärmetauscher freispühlt und reinigt.
Wie ist ein Wärmetauscher Uhrig aufgebaut und eingebaut?
Die Gesamtanlage im Kanal wird aus Modulen aufgebaut. Diese müssen nicht verschweisst werden. Der Wärmetauscher Uhrig besteht aus Edelstahlplatten mit durchströmtem Hohlraum. Je ein Teilstrom wird durch die Module geführt, die Oberfläche wird vom Abwasser überströmt.
Diese Module können recheckig oder kreisförmig im Kanal eingebaut sein. Dies ist aus untenstehenden Praxisbeispielen ersichtlich:
Zur Anbindung und Erschliessung wird die Vorlaufleitung, Rücklaufleitung das Monitoringleerlohr in einen 0.8 m bis 1.2 Meter tiefen Graben verlegt.
Dimensionierung und Simulation mit Polysun
Planer können in Polysun Wärmepumpensysteme oder Wärmenetze zur Rückgewinnung der Wärme aus dem Abwasser präzise auslegen. Dazu steht in Polysun die Komponente Abwasserwärmetauscher zur Verfügung. Wärme-Contractoren wie Stadtwerke und Energieversorger erhalten damit eine präzise Planungsgrundlage für das Wärme-Contracting von Wärmepumpenanlagen oder Wärmenetzen mit Abwasserwärmetauscher. Weitere Informationen finden Sie hier.
Im Webinar wird die Komponente Abwasserwärmetauscher näher vorgestellt. Diese besteht aus den drei Teilen: Abwasserwärmetauscher, Abwasserkanal, Abwasserprofil mit den entsprechenden Eingabeparametern. Mit der Komponente Abwasserwärmetauscher kann genau simuliert werden, dass die Rücklauftemperatur den entsprechenden Vorgaben entspricht und das optimale System für die benötigte Wärme- und Kältemenge gefunden werden.
In Polysun sind verschiedene Vorlagen zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser vorhanden und für Anwender sofort nutzbar:
- Sole-Wasser-Wärmepumpensystem mit zwei Pufferspeichern, Warmwasserbereitung, Heizen über Fussbodenheizung und Kühlen mit einem Abwasserwärmetauscher,
- Kalte Nahwärmenetze mit Abwasserwärmenutzung mittels Wärmepumpen-Kaskadenschaltung. Mit der ersten Wärmepumpe wird ein erster Temperaturhub erreicht. Mit der zweiten Wärmepumpe, der sog. „Booster-Wärmepumpe“, wird ein zweiter Hub erzeugt und damit effizienter die 60 °C für das Warmwasser bereitgestellt.
Fazit
Wärme aus Abwasser ist eine zukunftsweisende Lösung für die urbane Energiewende. Mit innovativen Abwasserwärmetauschern, intelligenter Simulation und Planung sowie praxiserprobten Systemen können Städte und Energieversorger einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz leisten und gleichzeitig ihre Wärmeversorgung sichern. Die Simulation in Polysun bietet europaweit eine verlässliche Grundlage für den Erhalt von Fördergeldern und die Ausarbeitung von Fördersystemen.
Welche Voraussetzungen braucht es für die Nutzung der Energie aus dem Abwasser?
Bei der Planung der Nutzung der Abwärme in öffentlichen Kanälen sind die folgenden Voraussetzungen zur berücksichtigen:
– Ausreichendes Wärmepotential
– Abmessungen und Kanalquerschnitt
– Nachträglicher Einbau von Wärmetauscherelementen in die Bestandeskanalisation ist den Genehmigungsbehörden anzuzeigen
– Kanalinspektion und Sichtprüfungen möglich
– Abwassertemperatur im Zulauf zur Kläranlage (aufgrund Teilmengen meist nicht relevant in der Praxis)
– Aufgrund räumlicher Gegebenheiten machbar
– Machbarkeit für den Einsatz Kühlungszwecken möglich?
Gibt es auf den Wärmetauscher ein Biofilm?
Ja. Auf den Wärmetauscher gibt es einen Bioflim und dieser verursacht kein Problem. Beim Anlagendesign wird der Biofilm einberechnet, das heisst die Wärmetauscher im Kanal werden überdimensioniert.
Gibt es einen Richtgrösse für die Leistung je Meter?
Nein, diese Richtgrösse wird beim Abwasserwärmetauscher nicht verwendet. Die Leistung pro Meter hängt von zuvielen Faktoren ab, als das eine Richtgrösse gebildet werden kann. Dies sind:
– Umfang des Kanals: Je breiter der Kanal, umso grösser wird auch der Wärmetauscher und damit der Entzug der Wärmemenge pro Laufmeter.
– Wie ist der Wärmeübergang vom Abwasser, wieviel Wasser ist im Kanal
– Wie gross ist der Temperaturunterschied zwischen Abwasser und Medium
Ein guter Anhaltswert ist ein Energieentzug von 2 kW pro m2 Abwasserwärmetauscher, damit ist häufig die Grössenordnung korrekt.
Was ist bei der Wartung der Wärmetauscher im Abwasserkanal zu berücksichtigen und wer wartet diese?
Abwasserwärmetauscher sind wartungsarm. Eine Inspektion ist oft erst nach 20 Jahren oder gar nicht erforderlich. In der Praxis wird bei den meisten Projekten nach der Bauphase keine Wartung durchgeführt. Die Verantwortung für die Wartung liegt beim Anlagenbetreiber. Der Kanalnetzbetreiber führt regelmäßige Inspektionen und Kanalreinigungen durch. Die Kanalreinigung erfolgt bei häufig gereinigten Kanälen jährlich, bei weniger häufig gereinigten Kanälen alle fünf Jahre. Die Leistung des Abwasserwärmetauschers kann durch Monitoring der Vor- und Rücklauftemperaturen überwacht werden.
Gibt es einen minimalen Kanalquerschnitt für den Einsatz eines Wärmetauschers im Abwasserkanal?
80cm ist der minimale Kanalquerschnitt, bei dem Abwasserwärmetauscher in den Kanal eingbaut werden. Dies ist der kleinste Querschnitt, bei dem der Kanal zur Montage begangen werden kann. Der Einbau von Abwasserwärmetauschern in kleineren Kanalquerschnitten ist mittel Einschubverfahren möglich, jedoch selten wirtschaftlich und kann Mehraufwand im Falle der Erweiterung oder im Unterhalt verursachen.
Hat der Einbau eines Abwasserwärmtauschers einen Einfluss auf die Mikroorganismen in der Kläranlage?
Der Einfluss eines Abwasserwärmetauschers in einer durchschnittlichen Distanz von 10 km vom Klärwerk kann in der Zulauftemperatur des Klärwerkes nicht gemessen werden. Dies betrifft immer nur Teilströme des gesamten Zulaufs. Die Kläranlage ist auf geringere Temperaturen unter 12 °C ausgelegt, damit sie auch im Winter funktioniert.
Bei der Genehmigung wurde von der DWA und dem Verband kommunalen Unternehmen eine gute Praxis etabliert: Eine Abkühlung unter 0.5 °C im Zulauf der Kläranlage durch den Wärmeentzug durch Abwasserwärmetauscher ist Bagatellgrenze.
Was ist die minimale Abflussmenge im Kanal für die Projektierung eines Abwasserwärmetauschers?
Normalerweise sollte die minimale Abflussmenge im Kanal 10 Liter / Sekunde betragen.
Kann der Kanal durch den Wärmetauscher von Fa. Uhrig verstopfen?
Die Therm-Liner Systeme bieten keine Angriffspunkte für Ablagerungen und Verstopfungen. Vor dem ersten Modul sorgt eine Rampe für den reibungslosen Übergang zum System.
Wird der Wärmetauscher im Abwasserkanal während dem Betrieb des Kanals installiert?
Ja, der Abwasserkanal muss nicht stillgelegt werden zur Montage des Abwasserwärmetauschers. Eine durchschnittliche Baustelle dauert 2 bis 6 Wochen. Während dieser Montagezeit wird ein Bypass der Trockenwassermenge gemacht. Dies kann ein Bypass im Kanal sein, ein Bypass als externe Pumpenlösung oder eine Umleitung mittel Einschiebung. Bei Regen wird die Anlage überströmt und die Baustelle geräumt.
Welcher Wärmeträger wird im System verwendet: Wasser-Glykol oder Wasser?
Beide Medien kommen zum Einsatz. Wasser aufgrund der höheren Wärmeübertragungseigenschaften bei höheren Abwassertemperaturen. Bei tieferen Temperaturen kommt eher Wasser-Glykol zum Einsatz. Es kommt auch Wasser-Ethanol zum Einsatz.
Wird die Wärme aus Abwasser in Projekten mit kalten Nahwärmenetzen mit anderen Wärmequellen kombiniert?
Ja, dies ist oft der Fall. Dies kann Geothermie oder ein klassischer Gaskessel oder andere Wärmequellen sein.
Ist die Komponente Abwasserwärmetauscher in Polysun verfügbar?
Ja, ab der Version 2025.4 ist die Komponente enthalten.
Wieviel Grad Celsius darf das Abwasser erwärmt oder gekühlt werden?
Dieser Wert ist pro Kanalnetz (Stadt) unterschiedlich. Meist sind es +3 Grad Celsius und -3 Grad Celsius. Es gibt jedoch pro Stadt unterschiedliche Vorgaben: z.B. + 1 Grad Celsius Erwärmung und – 2 Grad Celsius Abkühulung.