Abwasserwärmerückgewinnung

Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG) oder Abwasserwärmenutzung (AWN) ist die Wärmerückgewinnung der im Abwasser enthaltenen Abwärme. Abwasser ist im Winter durchschnittlich 10 bis 12 °C warm, im Sommer zwischen 17 und 20 °C. Mit Abwasser lässt sich nicht nur im Winter heizen, sondern auch im Sommer kühlen, d. h. Gebäude können klimatisiert werden. Mithilfe von Wärmetauschern und Wärmepumpen lässt sich Wärmeenergie nutzbar machen – besonders klimafreundlich und zunehmend wirtschaftlicher.

Einbau WT mit Filter

Abwasserwärme kann entweder aus der Kanalisation, einem Gebäude oder auf einer Kläranlage gewonnen werden. Die im Abwasser enthaltene Energie kann in Deutschland rechnerisch 14 Prozent des Wärmebedarfs im Gebäudesektor abdecken. Abwasser gibt es dort besonders viel, wo Menschen und Industrie sind. Genau da also, wo auch ein hoher Energiebedarf besteht. Das Angebot (Abwasser) deckt sich zeitlich mit dem Bedarf (Energie), insbesondere in Städten und Ballungsgebieten. Die Restwärme bzw. Restenergie aus dem Abwasser steht kostenlos zur Verfügung. Ihre Nutzung reduziert den Verbrauch anderer Energieträger. Die Nutzung von Abwasserwärme kann zukünftig zur Dekarbonisierung und Energiewende im Wärmemarkt beitragen.

In Deutschland werden Abwasserwärmenutzungsanlagen bereits seit den 1920er Jahren vereinzelt eingesetzt. In den letzten Jahren wurden in Europa etwa 100 größere Anlagen zur Energiegewinnung aus Abwasser realisiert, die größte mit 2,1 MW Entzugsleistung im Stuttgarter Neckarpark. Eine starke Marktdurchdringung hat diese Form der Energiegewinnung bislang allerdings noch nicht erzielt, da Gebäude bislang primär mit Erdgas oder Erdöl beheizt wurden. Mit Energiewende und Klimaschutz, die auch die Wärmeversorgung erreichen, wandelt sich die Marktposition der Abwasserwärmenutzung derzeit und wird stärker nachgefragt. Die systematische Nutzung von Industrieabwärme und Abwasserwärme ist ein zentraler Bestandteil der erfolgreichen skandinavischen Wärmewende.

Eine Nutzung der Wärmeenergie des Abwassers verlangsamt durch die Abkühlung des in die Kläranlage einlaufenden Wassers den Ablauf der Stickstoffelimination (Nitrifikation/Denitrifikation). Eine Untersuchung in der Schweiz kommt zum Schluss, das eine Abkühlung von 0,5 K (bis 1 K bei großzügiger dimensionierten Anlagen) in der Regel keine Probleme verursacht. Bei stärkerer Abkühlung müsste unter Umständen die Dimensionierung der Anlage angepasst werden. Eine lokale Abkühlung des Abwassers gleicht sich auf dem Weg zur Kläranlage über den Wärmeentzug aus dem Erdreich, in dem die Kanalrohre verlaufen, teilweise wieder aus.

Abwasserwärme aus dem öffentlichen Kanalsystem

Funktionsprinzip

Sowohl bei Kanalneubauten, bei Kanalsanierungen als auch bei Bestandskanälen können standardisierte Wärmetauscher aus Edelstahl ohne großen Aufwand entlang des Bodens eines Abwasserkanals montiert werden. Die Wärmetauscher werden vom Abwasser über- und gegebenenfalls auch unterströmt. In ihnen ist ein Wasserkreislauf integriert, der kälter ist als das Abwasser. Das über den Wärmetauscher fließende Abwasser erwärmt diesen Wasserkreislauf, der anschließend erwärmt zu dem zu beheizenden Gebäude fließt. Dort wird das nun warme Wasser, das Energie aus dem Kanal aufgenommen und zum Haus gebracht hat, mit einer Wärmepumpe nutzbar gemacht. Eine Alternative zu den klassischen Kanalwärmetauschern sind Betonelemente mit integrierten Wärmetauschern. Diese sind überwiegend für Kanalneubauten geeignet. Zur Gebäudekühlung kann der Prozess in den Sommermonaten auch umgekehrt werden. In diesem Fall dient das Abwasser zum Abtransport der dem Gebäude entzogenen überschüssigen Wärme.

Das durchschnittlich 15 °C warme Abwasser im Kanal wird durch den Wärmeentzug abgekühlt, allerdings erholt sich die Abwassertemperatur nach einigen Metern wieder durch neue Zuflüsse in den Kanal und durch die Umgebungswärme aus der Erde. Je nach kommunaler Vorschrift darf Abwasser bis auf 5 °C abgekühlt werden. Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb ist ein kontinuierlicher Abwasserstrom. Das zu versorgende Objekt sollte sich daher in Reichweite einer hinreichend stark durchströmten Kanalisation befinden. Geeignete Standorte befinden sich in Städten und Gemeinden ab 5.000 Einwohnern aufwärts. Wärmetauscher (Platten/Rohrbündel/Rinnen) können jedoch durch Feststoffe (Fäkalien, Küchenabfälle, Windeln) und erkaltende Fette verstopfen oder verschmutzen. Sie müssen daher so beschaffen sein, dass keine sogenannten Biofilme bzw. Siehlhäute auf ihrer Oberfläche entstehen bzw. diese maximal einmal im Jahr gereinigt werden müssen. Die Erfindung des Anti-Fouling-Systems hat dazu geführt, dass die Biofilm-Bildung beinahe gänzlich verhindert werden kann.

Die im öffentlichen Kanal oder an einem Haus gewonnene Energie ist nur in Sonderfällen unmittelbar wieder nutzbar, beispielsweise in der Nähe von Wäschereien. Normalerweise wird die Energie mithilfe einer Wärmepumpe auf die zur Gebäudeheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen von 30 bis 70 °C gebracht werden. Dabei sind bei den Wärmepumpen Leistungsziffern bis JAZ 4 oder 5 (Jahresarbeitszahl) bei Kondensationstemperaturen von 60 °C erreichbar. (Im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystem sollte bei einer umfassenden Betrachtung jedoch von einer gemessenen JAZ bei derselben Kondensationstemperatur ausgegangen werden. Ein Vergleich mit dem COP berücksichtigt nur einen Betriebspunkt und entspricht nicht unbedingt den realen Betriebsbedingungen.)

Anwendungsbereich

AWRG eignet sich zum Heizen und Kühlen von kleinen und großen Gebäuden. Ist die Energiemenge, die dem Kanal entzogen wird groß, dann bleiben Anlagen auch dann wirtschaftlich, wenn der Kanal von dem zu versorgenden Gebäude weit entfernt ist. Ist die Energiemenge klein, dann macht eine größere Entfernung zwischen Kanal und Immobilie das System unwirtschaftlich. Die Anlagengrößen liegen zwischen 20 kW und mehreren MW. In der Regel wird eine minimale Größe von etwa 20 Wohneinheiten bei einem Gebäude benötigt. In der Praxis werden Gebäudeheizungen in der Regel als bivalentes System ausgelegt, sodass Abwasserwärme z. B. die Grundlast abdeckt (70 bis 80 % des Heizbedarfs) und für die übrige Spitzenlast eine konventionelle Heizung als Ergänzung bereitgestellt wird. Ein Einsatz von AWRG bei Einfamilienhäusern und kleinen Mehrfamilienhäusern ist derzeit in der Regel noch nicht wirtschaftlich, da der technische Aufwand für die Gesamtanlage für kleine Installationen überproportional groß ist.

Möglich ist ebenfalls die Einspeisung in Wärmenetze, insbesondere in moderne Niedertemperatursysteme wie Fernwärmenetze der vierten Generation.

Projektrealisierung

AWN aus öffentlichen Kanälen ist ein dezentraler Energieerzeugungsansatz. Es ist im Einzelfall zu prüfen, ob für ein mit Wärme oder Kälte zu versorgendes Gebäude ein passender Kanal mit entsprechendem Energiepotenzial, existiert. Dieser Kanal darf nicht zu weit von der Immobilie entfernt sein, weil sonst die zu legende Verbindungsleitung zwischen Kanal und Haus zu teuer würde. Die sogenannten Erschließungsentfernungen, d. h. die Entfernung zwischen Kanal und Immobile, sollten bei geringen Energiemengen kurz sein, können bei großen Energiemengen aber auch mehrere Hundert Meter groß sein, ohne dass dies die Wirtschaftlichkeit der Anlage gefährdet.

Eine Nutzung der Kanalisation bedarf der Bewilligung des Betreibers, im Normalfall der Kommune. Diese einzuholen setzt voraus, dass nachweisbar ist, dass der Betrieb der Wärmetauscher keine Einschränkungen für die Kanalnetzbewirtschaftung verursacht. Einige Kanalnetzbetreiber vermarkten ihr Energiepotenzial bereits, indem sie Energiekarten öffentlich bereitstellen, die das Energiepotential visualisieren. Diese bietet eine erhebliche Beschleunigung bei der Projektentwicklung bzw. Standortprüfung. Einige Kommunen und Stadtwerke setzten AWN-Projekte auch als Energiecontractoren um.

Wirtschaftlichkeit

Energiegewinnung aus Abwasser ist an passenden Standorten bereits heute wirtschaftlich. Die Energiequelle Abwasser bietet selbst im Winter ein konstant hohes Temperaturniveau, sodass AWN-Anlagen eine hohe Wirtschaftlichkeit bieten und insbesondere in Städten und Ballungsgebieten zum Einsatz kommen. Im Sommer lässt sich mit der gleichen Anlage zusätzlich kühlen, was die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöhen kann. Die Projektentwicklung gestaltet sich dagegen unterschiedlich schwierig und kostenintensiv. Nicht alle Kanalnetzbetreiber erschließen das energetische Potenzial ihrer Kanäle gleich aktiv. Dadurch kann die Informationsbeschaffung zu geeigneten Kanälen, das heißt die Standortprüfung, unter Umständen zeitintensiv und damit kostspielig sein.

Abwasserwärme direkt im Gebäude

Wärmerückgewinnung im Gebäude bedeutet, dass beispielsweise hinter dem Abfluss einer Dusche oder Badewanne Energie aus dem verbrauchten Bade- oder Duschwasser zurückgewonnen wird. Auch ist möglich, dass aus der Hauptabwasserleitung eines Hauses Wärme zurückgewonnen wird. Diese Energie wird dann für das gleiche Gebäude wieder nutzbar gemacht. Um die Wärmeenergie des Abwassers vollständig zurückzugewinnen oder zu Heizzwecken nutzbar zu machen, muss zum einen die Restenergie aufgefangen werden, z. B. mit einem Wärmetauscher, zum anderen muss sie anschließend mit einer Wärmepumpe auf das Temperaturniveau gebracht werden, das in der Immobilie zum Heizen oder zur Warmwasserbereitstellung gebraucht wird.

Die dem Abwasser eines Wohngebäudes entzogene Energie kann immer nur einen Teil der zur Beheizung und Warmwasserbereitung desselben Gebäudes benötigten Energie abdecken. Es ist jedoch mit einfachen Mitteln möglich, rund die Hälfte der maximal aus dem Abwasser zu gewinnenden Energiemenge zu entziehen, wenn man sich auf die Vorwärmung des Frischwassers beschränkt.

Fallleitungs-Wärmetauscher

Ein Fallleitungs-Wärmetauscher ist ähnlich aufgebaut wie ein Fallfilmverdampfer und besteht im einfachsten Fall aus einem doppelwandigen Rohr. Zur besseren Steuerung des äußeren Massestroms wird das innere (Abwasser-)Rohr häufig jedoch von einem wesentlich dünneren Rohr spiralförmig umwickelt, statt von einem einfachen Mantelrohr umgeben zu sein. Solche Wärmetauscher sind in Nordamerika bereits seit längerem in Gebrauch. Im Gegensatz zu den zuvor genannten Methoden ist dieses Verfahren auch im Privathaushalt und sogar zur teilweisen Wiedergewinnung der im Abwasser einer einzelnen Dusche enthaltenen Wärmemenge wirtschaftlich anwendbar, da die Wärmetauscher zu Preisen von unter 1000 € erhältlich sind und sich die Installation innerhalb von 2 bis 10 Jahren amortisiert.

Funktionsprinzip

Wenn Wasser durch ein senkrechtes Rohr fließt, verteilt es sich an der Außenwand und bildet dort einen Film, den man „Fallfilm“ nennt. Je nach Durchmesser des Rohres genügt dadurch bereits ein relativ kurzes Rohrstück, um die übertragbare Wärmemenge zu gewinnen. Das abfließende Abwasser hat in der Regel eine Temperatur zwischen 20 und 40˚C während das zufließende Kaltwasser durchschnittlich 10˚C aufweist. Während das Abwasser im Wärmetauscher abkühlt, wird das zufließende Kaltwasser um etwa 12 bis 14 Kelvin aufgewärmt. Der Energieverbrauch für die Warmwasserbereitung kann so um bis zu 35 % gesenkt werden. Jedes Mal, wenn im Haushalt warmes Wasser aus dem Wasserhahn entnommen wird, fließt eine entsprechende Menge zum Warmwasserbereiter nach. Da aber in der Regel die zeitliche Übereinstimmung des Abwasserabflusses mit dem Nachströmen des kalten Frischwassers im Wärmetauscher meist nur in der Dusche gewährleistet ist, ist dies bei der Positionierung des Wärmetauschers zu berücksichtigen.

Vorteile

Zum Betrieb eines Fallleitungswärmetauschers ist weder ein besonderer Verlauf der Abwasserleitungen, noch der Einbau eines Filters oder eine regelmäßige Wartung nötig. Das Abwasser wird nicht umgeleitet, gespeichert oder behandelt und es wird keine Hilfsenergie benötigt. Diese Vorrichtungen eignen sich daher auch in kleineren Wohngebäuden und lassen sich bei der Gebäudesanierung nachrüsten.

Duschwasser-Wärmetauscher

Im Gegensatz zu den meisten anderen Entwässerungsgegenständen findet in der Dusche der Kaltwasserzufluss und der Abfluss von erwärmtem Abwasser üblicherweise zur gleichen Zeit statt. Es bietet sich daher an, kleine dezentrale Wärmetauscher unmittelbar am Duschwasserablauf zu installieren. Erhältlich sind Fallrohre DN 50 und Duschrinnen mit integrierten Wärmetauschern, zylinderförmige Wärmeübertrager zur Verwendung in zentralen Bodenabläufen von Sammelduschen sowie auch Wärmetauscher, die in die Duschwanne gelegt werden und Duschwannen mit eingebauten Wärmetauschern jeweils zur nachträglichen Installation.

Schema eines Grauwasser-Tanks mit Wärmetauscher-Spirale: Links oben befindet sich die Frischwasser-Nachspeisung (die stattfindet, wenn die Grauwassermenge zur Toilettenspülung nicht ausreicht). Unten links liegt der Abfluss zur Toilettenspülung, gefolgt vom Ablauf zur Entleerung des Tanks (zu Reinigungszwecken) und den Anschlussleitungen des Wärmetauschers (mit angedeuteter Zirkulationspumpe). Rechts oben befinden sich der Grauwasserzufluss, die Einspeisung von Desinfektionsmittel und die Überstromleitung (zur Vermeidung des Überlaufens des Tanks).

Grauwasser-Wärmetauscher

Übersichts-Schema System zur Nutzung des Abwassers von Dusche und Badewanne zur Toilettenspülung. Der Grauwassertank ist über rote Leitungen für das Wärmeenergie-Trägermedium mit dem Warmwasserspeicher verbunden.

Wenn zur erneuten Nutzung des im Gebäude anfallenden Grauwassers ein Speichertank installiert wird, so lässt sich der Wärmetauscher zum Entzug der enthaltenen Wärmeenergie vorteilhaft in diesem Tank installieren. Gegenüber dem Falleitungswärmetauscher kann so auch die Energie des aus Wasch- und Spülmaschinen, Waschbecken und Badewannen abfließenden warmen Wassers wiedergewonnen werden.

Abwasserwärme direkt vom Gebäude

Wenn das Abwasser in einem (meist außerhalb der Gebäudehülle liegenden) Schacht zentral gesammelt wird, kann die enthaltene Wärmeenergie durch einen integrierten Wärmetauscher gewonnen werden. Tageszeitliche Schwankungen der Abwassermenge werden durch die Zwischenspeicherung gepuffert. Das System kann somit auch für Objekte ab etwa 25 Wohneinheiten eingesetzt werden. Auch hier sind Wärmetauscher und Wärmepumpe über einen Solekreislauf miteinander verbunden. Die Strecke zwischen Gebäudehülle und Schacht ist relativ kurz und die Verluste an die Umgebung minimal. Die durchschnittlichen, gemessenen Temperaturen können somit etwa ~23 °C betragen. Gegenüber dem Kanalisationssystem kann hier nur die Abwärme genutzt werden, die aus dem Objekt selber stammt. Um ein ausreichendes Abwasservolumen nutzen zu können, bietet sich dieses System für Hotels, Krankenhäuser, Heime, Wellness/Bäder und Sportanlagen sowie Industriebetriebe mit Prozessabwärme an. Mithilfe von Wärmepumpen kann der Warmwasserbedarf im Einzelfall vollständig gedeckt werden. Der im Schacht integrierte Filter wird je nach System entweder manuell gereinigt oder automatisch rückgespült. Häufig wird etwa alle 3–4 Jahre eine zusätzliche umfassende Reinigung des Schachts nötig. Dies kann gegebenenfalls durch Serviceöffnungen von außen geschehen.

Perspektive und Potential der Abwasserwärme

Obwohl im deutschsprachigen Raum bisher noch nicht sehr verbreitet, kann durch die Nutzung der Abwasserwärme die Energiebilanz eines Objektes verbessert und die Betriebskosten können gesenkt werden. Insbesondere bei mittleren und größeren Gebäuden sowie bei im Sommer zu klimatisierenden Objekten ergeben sich im Vergleich zu anderen alternativen Energieformen oftmals kurze wirtschaftliche Amortisationszeiten von unter 5 Jahren. Auch eine Abwasserwärmerückgewinnung mit Fallleitungswärmetauscher kann unter bestimmten Rahmenbedingungen wirtschaftlich sein und amortisiert sich unter Umständen schneller als andere Energiesparmaßnahmen.

Mit Blick auf die Energiewende im Wärmemarkt und die Bemühungen um mehr Klimaschutz im Wärmemarkt könnte Abwasserwärme zukünftig eine signifikante Rolle spielen.

Literatur

• René Buri, Beat Kobel: Wärmenutzung aus Abwasser – Leitfaden für Inhaber, Betreiber und Planer von Abwasserreinigungsanlagen und Kanalisationen (PDF-Datei; 4,2 MB), November 2004

Weblinks

• Broschüre „Heizen und Kühlen mit Abwasser - Ratgeber für Bauherrschaften und Gemeinden“ (Memento vom 27. August 2006 im Internet Archive) (PDF-Datei; 886 kB)
• Energie aus Abwasser ; Schulungsunterlagen – System FEKA (PDF; 5,8 MB)
• Aqua-Re-Energie-Trichter
• Online-Rechner für die Amortisationsberechnung von Fallrohr-Wärmetauschern des Centre for Energy Advancement through Technological Innovation (CEATI), Montreal, Kanada
• AWNA-Kalkulator der Blue Synergy GmbH zur Berechnung der wirtschaftlichen Amortisationsdauer von Abwasserwärmenutzungsanlagen zum Einbau in Abwasserkanäle (Memento vom 17. August 2014 im Internet Archive)