ABWASSER WÄRME- NUTZUNGS- ANLAGEN (AWNA) Wärmeenergiepotential mit Zukunft Vortrag Wärmenutzung Abwasser Graz Dez Dipl. Ing.

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1 ABWASSER WÄRME- NUTZUNGS- ANLAGEN (AWNA) Wärmeenergiepotential mit Zukunft Vortrag Wärmenutzung Abwasser Graz Dez Dipl. Ing. Hubert Mauz 1 Dipl. Ing. Hubert Mauz, Fa. UHRIG Kanaltechnik Geisingen, Lehrbeauftragter FH Konstanz mauz@uhrig-bau.de INHALTSANGABE Eine Möglichkeit Wärmeenergie zu gewinnen ist die Nutzung der Abwasserwärme. Zunächst soll verdeutlicht werden woher diese Energie kommt und wohin sie ungenutzt geht. Des Weiteren wird dargestellt wie diese Wärme dem Abwasser entzogen werden kann. Die Bedingungen, die eine wirtschaftliche Nutzung erfüllen müssen, bilden einen weiteren Abschnitt. Die Grundzüge der Erarbeitung einer Abwasserwärmenutzungskarte wird erläutert. Der Ökologische Nutzen wird dargestellt. Ein Ausblick auf die kreativen Lösungsmöglichkeiten in der Zukunft bildet den Abschluss. Anlage: Literaturhinweise EINLEITUNG Seit 2 Jahrzehnten beschäftigte man sich zunächst in Deutschland und Japan, dann aber auch insbesondere in der Schweiz, mit dem enormen Wärmepontential das in den Abwasserkanälen steckt. Die eigentliche Ressource dieser Wärmequelle ist das häusliche- und gewerbliche Abwasser. Trinkwasser mit einer Temperatur zwischen 6-8 C werden vom Versorger, dem Wasserwerk gekauft, durch Wasch-, Koch-, Reinigungs- und Hygienevorgänge und im gewerblichen Bereich durch Produktionsprozesse, im Bundesdurchschnitt auf ca. 14 C erwärmt. Diese eingebrachte Wärmeenergie wird dem Abwasserentsorgungsunternehmen per Gebührenauftrag zur Entsorgung, Reinigung und Klärung übergeben. Der Wertstoff Wärmeenergie blieb bisher weitgehend ungenutzt. Laut Erneuerbare Energie Wärmegesetz (EEWärme Gesetz) v ergibt sich eine Nutzungspflicht nach 4/3 für die Verwertung von Umweltenergie. Darunter fällt auch dem Gewässer entnommene Wärme. Durch Wärmetauschertechniken die dem erwärmten Abwasser Wärme entziehen und über eine Wärmepumpe wird das Temperaturniveau auf Nieder- aber auch Mitteltemperaturbereiche erhöht. So kann wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll Heizwärme generiert werden.. 1 Ursache der Wärmeenergie im Abwasser Aus dem öffentlichen oder einem eigenen Trinkwassernetz wird Frischwasser mit ca. 6-8 C im Haushalt und Gewerbe bezogen. Der Anteil dieses Wassers zur Fäkalienspülung und Haus- und Gartenpflege wird nicht erwärmt. Der größte Teil jedoch der gekauften elektrischen Energie (ca %) wird zum Duschen, Baden, Kochen, Waschen und Spülen aufgewendet. Dadurch erhöht sich die Abwassertemperatur auf ca. 14 C beim Verlassen des Gebäudes. Im gewerblichen Bereich kann dies durch Prozeßwärmeüberschuß noch wesentlich höher liegen. Zu diesen Energie-Aufwandskosten kommen noch Kosten für die Entsorgung des Abwassers hinzu. Somit verlässt das erwärmte Abwasser die Immobilie in Richtung Kanalnetz, versorgt das Abwasser mit Wärme und fließt zur Reinigung in die Kläranlage und danach zur Entsorgung in die Vorfluter. Das eingespeiste Wärmepotential bleibt unverwertet und belastet thermisch, ökologisch unerwünscht, die Gewässer. Eine Wiederverwertung der Wärme findet noch nicht statt. Die Abwassernetze sind deshalb wärmeenergetisch im Bundesdurchschnitt und Jahresdurchschnitt auf ca. 14 C erwärmt. Die Kläranlagen benötigen für die Wirksamkeit des Klärprozesses eine Temperatur von ca. 10 C. Das ergibt einen durchschnittlichen Wärmeüberschuß von ca. 4 C, der die Vorfluter thermisch belastet und in vielen Fällen nutzbar ist.

2 Diese Mittelwerte werden jedoch individuell beeinflusst durch: Mischwasser- oder Trennkanalsysteme Jahreszeiten dokumentiert durch: o Tages- Monats-Jahresabflussganglinien. o Tages-Monats-Jahrestemperaturganglinien. Fremdwasseranteile Oberflächenwassereinflüsse Abkühleffekte durch Meteorologie Abwassertemperatureinflüsse durch Gewerbe Abwasserinfrastruktur 2 Energieträger Abwasserkanal Ausgehend von einer Kläranlage gegen die Fließrichtung des Abwassers bildet ein Kanalsystem ein baumstrukturartiges Verzweigungsgebilde mit abnehmenden Rohrdurchmessern. In einem Generalentwässerungsplan werden hydraulische Daten als Dimensionierungsgrundlage erarbeitet. In diesen Plänen und Datenlisten sind alle relevanten Daten außer der Abwassertemperatur enthalten. Dieser Plan ist die Grundlage zur Beurteilung der Abwasserwärmenutzungsmöglichkeiten. Die Querschnittsgeometrien, insbesondere an den unterstromseitigen Ästen, können vom Kreisprofil-, Eiprofil, Drachenprofil, bis zum Rechteckprofil variieren. Im gleichen Maße variieren entsprechend den hydraulischen Berechnungen auch die Abwassermengen, jedoch kaum die Abwassertemperaturen. Geeignet zur Abwasserwärmenutzung sind zunächst einmal alle begehbaren Querschnitte größer Nennweite 800 mm und einer Abwassermenge mit einem Tagesmittel ab ca. 20 Liter/ sec. 3 Möglichkeiten des Abwasserwärmeentzuges 3.1 Flächen- oder Rinnenwärmetauscher im Kanal Beschreibung: Allgemeines Um einem flüssigem Medium in einem Kanalsystem verschiedener Querschnittsgeometrien (z.b. Rohr- Rechteck- Ei- oder auch anderen Sonderprofilen, offen oder auch geschlossen und Becken verschiedenster Grundrissform) Wärme zu entziehen, ist ein flächiges Wärmeübertragungselement aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit notwendig. Dieses plattenartige Element ist meist doppellagig mit einem Zwischenraum, der von einem Wärmeübetragungsmedium durchströmt wird. Wird dieses Element von einer flüssigen Wärmequelle (z. B. Abwasser das ein günstiges Wärmepotential besitzt) überströmt, findet ein Wärmübergang vom Quellmedium (z.b. Abwasser) zum Übertragungsmedium statt. Wird dieses Übertragungsmedium einer Wärmepumpe zugeleitet, kann dadurch deutlich erhöhte, verwertbare Wärmeenergie gewonnen werden.

3 Rinnenwärmetauscher : In allen Kanalformen kann ein Wärmetauscherelement eingebaut werden. Die günstigste Form der Wärmetauscherelemente stellt aus Fließhydraulischen- und Wärmeübertragungsgründen eine Querschnittsgeometrie nach Art der Trockenwetterrinnen dar. Die klassische Form einer Trockenwetterrinne in der Siedlungswasserwirtschaft und im Wasserbau ist ein Halbrohr mit beidseits angeordneten, quergeneigten Bankett-Flächen (Bermenflächen). Die Drachenprofilform und die umgekehrte Dachprofilform incl. verschiedener geometrischer Modifikationen ist ebenfalls ausführbar. An diesen bewährten Profilformen orientieren sich die flächigen Wärmeübetragungselemente aus Edelstahl. Unter den Banketten werden die Verrohrungen für das Wärmeübetragungsmedium angeordnet. Durch den Einbau und das Verbinden mehrerer Elemente auf der Sohle von Kanälen kann so eine Wärmenutzung mit variablen Längen und Wärmeentzugsleistungen erreicht werden. Derartige Elemente bezeichnet man nach Art der Trockenwetterrinnen als Rinnenwärmetauscher. Sie werden in Kanäle aller Formen als eine mögliche Art der Abwasser-Wärme- Nutzungs- Anlagen ( AWNA) eingebaut. 3.2 Inliner Wärmetauscher In Rohrnennweiten unter NW 800, insbesondere in Schmutzwasserkanälen bei Kanal- Trennsystemen, können auch doppelwandige Rohrelemente in Kurzrohrmodulbauweise als Inliner Wärmetauscher eingesetzt werden. Die Vor- u. Rücklaufleitungen werden dabei in der Rohrfirste angebracht. 3.3 Wärmetausch mit gesiebtem Abwasser Systembeschreibung: Im unmittelbaren Bereich des ausgewählten Abwasserkanales wird ein Stahlbetonbehälterschacht in offener Bauweise eingebaut. Vom Kanal wird eine Bypassleitung auf Sohlhöhe angeordnet und in den Behälter zu der dort eingebauten Abwasser-Siebanlage geführt. Diese siebt die Feststoffe aus und übergibt sie wieder dem Abwasserkanal. Das so gesiebte Abwasser wird einem Röhren- oder Plattenwärmetauscher zugeleitet um die Wärme zu entziehen und über Wärmepumpen zu nutzen. Nach dem Wärmeentzug wird dieses Abwasser wieder dem Abwasserkanal zurückgeführt.

4 3.4 Abwasserwärme mit geklärtem Abwasser Geklärtes Abwasser kann ohne weitere Vorbehandlung sehr wirtschaftlich und energetisch äusserst effizient direkt einem Röhren- oder Plattenwärmetauscher zugeführt werden. Diese Methode kann unterhalb einer Kläranlage im Auslauf angewandt werden. Sie beeinflusst die Kläranlage thermisch nicht mehr, senkt die Temperatur in den Vorfluter erheblich und kann das gesamte Wärmepotential des Abwassers ausschöpfen. Die Entzugsleistungen sind deshalb wesentlich höher als bei den den vorgenannten Optionen. Voraussetzung ist jedoch ein Wärmenutzer in unmittelbarer Nähe einer Kläranlage. Da die energetische Masse deutlich grosser ist, sind jedoch bei optimaler Nutzung von Fernwärme-leitungstechnik auch Übertragungslängen im km Bereich machbar und wirtschaftlich. 4 Sielhauteinfluß Auf der Oberfläche von Abwasserkanälen bildet sich ein sogenannter Biofilm aus Emulgaten, Fetten und Pilzen. Diese in der Fachsprache als Sielhaut bezeichnete Schicht kann je nach Abwasserzusammensetzung (Gewerbe, Haushalt, Industrie) sehr unterschiedlich sein. Durch wechselnde Fliessgeschwindigkeiten und Ablösungen durch die Schleppspannung unterliegt diese Sielhaut meist einem ständigen Ab- u. Aufbauwechsel. Sie beeinflusst in den meisten Fällen den Wärmeübertrag vom Fließmedium auf die Tauscherfläche durch eine isolierende Wirkung. Diese Minderung des Wärmeübertrages sollte für die Auslegung der Anlage eingeschätzt werden. Basierend auf empirischen Daten und Untersuchungen wird von einer Minderung zwischen mindestens 30% - 50% ausgegangen. 5 Parameter für eine wirtschaftliche Nutzung Da bei der Abwasserwärmenutzung die Primärenergie aus dem Abwasser kostenlos ist, sind bei einer Wirtschaftlichkeitsberechnung nur die Investitionskosten, und Abschreibungskosten der Anlage und die Betriebs- und Wartungskosten der Wärmetauscher und Wärmepumpen zu berücksichtigen. Von Bedeutung sind die Abwassertemperaturwerte die nicht unter ca. 12 C liegen sollten. Der Sielhauteinfluß und die Abwassermengen sind ebenfalls von wesentlicher Bedeutung. Die Abwassermenge sollte immer eine vollflächige Überströmung der Flächenwärmetauscher gewährleisten. 6 Abwasserwärmenutzungs-Karte als Entscheidungsgrundlage Anhand einer Bewertungsmaske für die Rinnenwärmetauscher (Anlage) kann man die Einflußdaten bewerten und über ein Benotungssystem in seiner Eignung als geeignet, bedingt geeignet oder ungeeignet einstufen. Diese Bewertung kann für eine übersichtliche, pragmatische Abwasserwärmenutzungskarte eine wichtige Entscheidungsgrundlage sein. Sie dient als Grundlage und Entscheidungshilfe für Kommunalplaner, Investoren, politische Gremien, Verbände und Führungsebenen. Sie ist vergleichbar mit den kommunalen Nutzungsplänen.

5 Erhebung von Bestandsdaten Entsprechend der Kanalbewertungsmaske sollten im Projektfall die hydaulischen Werte genauer untersucht werden. Aus Tages- Monats- und Jahresganglinien sollte die Mittlere Tagesabwassermenge Q mittel (entspricht dem geglätteten Abfluss zwischen ) in der entsprechenden Haltung ermittelt werden. Üblicherweise sinkt der nächtliche Mindestabfluss (von 24-5 ) Q min stark ab und sollte ebenfalls genauer betrachtet werden. Eine wichtige Voraussetzung ist die Abwassertemperatur insbesondere in den Wärme- bzw. Kälteentzugsperioden. Erste Richtwerte liefern die Temperaturganglinien am Kläranlagenzulauf. Eine individuelle Untersuchung der Haltung (evtl. mit Dattenlogger- Auswertung) sollte vor einer endgültigen Projektierung durchgeführt werden. Durch verschieden geartete Einleiter aus Industrie, Gewerbe, Fremdwasser u. Haushalten können sich in Sammlersträngen abweichende Werte ergeben. 7 Ökologischer Nutzen Durch Vermeidung fossiler Brennstoffnutzung ergibt sich eine erhebliche Reduktion von CO2 Ausstoß, damit verbunden ist eine erhebliche Substitution von fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas. Eine regenerative Energieform im eigentlichen Wortsinn stellt diese Art der Wärmegewinnung nur bedingt dar. Die Energie wird aus bereits erzeugter, bereits genutzter, meist elektrischer Energie zurückgewonnen, d.h. eigentlich wiederverwertet / recycelt ganz im Sinne der Kreislauf-wirtschaft und im Sinne des EEWärmegesetzes Okt Kreative Lösungen für die Zukunft Der Markt der Abwasserwärmerückgewinnung wird sich in der nächsten Zeit aufgrund des objektiv vorhandenen Potentials entwickeln. Die Zielgruppe der Nutzer liegen im Bedarfsbereich von kw Nutzleistung ( je nach Art der Anlage), also bei mittleren kommunalen, gewerblichen und industriellen Nutzern wie Schulen, Sporthallen, Wohnanlagen, Verwaltungsgebäuden und Industrieanlagen. Aus der Praxis gibt es aber auch andere, ungewöhnliche Anwendungen wie Rasen- u. Flächenheizungen ( Frostschutz, Klimatisierung). Überlegungen, das günstige Wärmepotential in den Sommermonaten in Geothermiefeldern einzulagern, werden genauso angestellt wie die Nutzung an Kraftwerksausläufen, Kläranlagen und Pumpenbecken in Siedlungsgebieten. Zwar ist die Nutzung der Lageenergie des Abwassers (Dynamische Energie) nicht Thema der Abwasserwärmenutzung. Aber auch dort gibt es neue, aussichtsreiche Gedankenansätze die Energie aus Abwasser neu zu überdenken, zu verwerten und zu innovativ zu beleben. Geisingen/ Donaueschingen i, Nov Dipl. Ing. Hubert Mauz Donaueschingen LITERATUR [1] DWA Merkblatt A 114 (Entwurf im Endstadium) [2] DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt : Energie aus Abwasser, Leitfaden für Ingenieure und Planer. [3] Bundesverband Wärmepumpen : Heizen und Kühlen mit Abwasser, Ratgeber für Bauherren und Kommunen.