Viel Wärme aus gereinigtem Abwasser

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1 Viel Wärme aus gereinigtem Abwasser Als Ersatz für die begrenzten fossilen Energien ist es für unsere Gesellschaft von grosser Bedeutung neue erneuerbare Energiequellen zu erschliessen. Abwasser ist eine solche Energiequelle, die beträchtliches Potential hat. Für eine effiziente Nutzung ist allerdings auch die Öffentlichkeit gefordert, da wichtige Randbedingungen eingehalten werden müssen. In Uster sind heute vier Überbauungen mit insgesamt 170 Wohneinheiten an ein Leitungsnetz angeschlossen, welches mit gereinigtem Abwasser der Abwasserreinigungsanlage Uster gespiesen wird. Die Effizienz und Chancen dieses Systems wurden im Rahmen einer Studienarbeit 1 untersucht. Potenzial Das Potenzial zur Nutzung von Abwasserwärme ist im Kanton Zürich bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Laut dem Energieplanungsbericht 2010 wurden 2009 im gesamten Kanton nur 8.5 Megawatt (MW) der insgesamt möglichen 165 MW Wärmeleistung genutzt oder anders formuliert: Rund zusätzliche Haushalte könnten mit Wärme aus Abwasser alleine im Kanton Zürich versorgt werden. Diese Zahlen sind aber mit Vorsicht zu interpretieren, denn die Energie, die aus einem Liter Abwasser gewonnen werden kann, ist proportional zur Temperaturdifferenz ΔT (siehe Gleichung 1). In Uster stehen heute während eines durchschnittlichen Wintertages m 3 gereinigtes Abwasser zur Verfügung. Die Verfasser des Energieplanungsberichtes gehen bei ihrer Potenzialabschätzung von einer Temperaturdifferenz von 5 Kelvin (K) aus. Messungen an bestehenden Anlagen in Uster zeigen aber, dass die realisierten Temperaturdifferenzen häufig zu klein sind (siehe Tabelle 1). Gleichung 1 - Energie im Abwasser Die im Abwasser enthaltene Energie berechnet sich nach folgender Gleichung: m c T E W E: Energie (kj) m: Masse (kg) c W : Wärmekapazität des Wassers = 4.18 kj/kg/k = 1.16 kwh/m 3 /K ΔT: Temperaturdifferenz des Abwassers vor und nach der Abkühlung (K) 1 Streit, S. (2011).Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser. Zürich: ETH Zürich. Download: 2 Betscha, E. (2005). Nutzung von Abwasser-Wärme aus der ARA Uster mittels kalter Fernwärme. Zürich: Elektrizitätswerke des Kantons Zürich. 1

2 Wärmequelle gereinigtes Abwasser Vorteile Abwasser eignet sich hervorragend als Wärmequelle für Wärmepumpen und wird deshalb seit über 20 Jahren als Energiequelle genutzt. Die Abwassertemperatur bleibt selbst bei tiefen Aussentemperaturen auf einem vergleichsweise hohen Niveau von 10 C. Dies führt zu einer grossen Versorgungssicherheit. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen sind auch die Gestehungskosten mit 10 Rp./kWh (Vollkostenrechnung) verhältnismässig tief. Die Nutzung von gereinigtem Abwasser weist gegenüber der Wärmerückgewinnung aus Rohabwasser entscheidende Vorteile auf. Erstens wird die biologische Reinigungsleistung einer Abwasserreinigungsanlage (ARA) nicht negativ beeinflusst. Denn die maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten nimmt bei einer Abkühlung des Rohabwassers von 1 Kelvin um etwa 10 % ab. Zweitens unterliegt die Temperatur des gereinigten Abwassers geringeren Schwankungen als jene von Rohabwasser. Während der Eintrag von Schmelzwasser zu markanten Temperaturstürzen im Rohabwasser führt, nimmt die Temperatur des gereinigten Abwassers beim gleichen Ereignis aufgrund der grossen Durchmischung auf der ARA nur geringfügig ab. Bestehende Nutzung in Uster Zurzeit (2011) sind in Uster vier verschiedene Anlagen in Betrieb. Das gereinigte Abwasser wird über ein kaltes Fernwärmenetz (Temperatur gereinigtes Abwasser ca. 10 C) zu den verschiedenen Überbauungen geführt und dient so ca. 170 Wohneinheiten als Wärmequelle für Heizung und Warmwasser. Die Anlagen werden mittels Energie- Contracting betrieben. Als Contractor fungieren bei allen Anlagen die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ). Die EKZ sind somit für Planung, Bau, Finanzierung, Betrieb und Wartung der Anlagen zuständig und verrechnen diese Leistungen dem Contracting-Nehmer über den Wärmepreis. Erste Betriebserfahrungen der EKZ sind in einem Bericht 2 aus dem 2 Betscha, E. (2005). Nutzung von Abwasser-Wärme aus der ARA Uster mittels kalter Fernwärme. Zürich: Elektrizitätswerke des Kantons Zürich. 2

3 Jahr 2005 festgehalten. Auszüge aus diesem Bericht sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In Anlage 3 ist neben den aufgeführten Wärmepumpen zusätzlich ein Ölkessel mit 380 kw Leistung zur Spitzendeckung in Betrieb. Tabelle 1 Wichtigste Kenndaten zu drei verschiedenen Anlagen in Uster und die Wärmeentnahme (ΔT) aus gereinigtem Abwasser bei Volllastbetrieb im Herbst 2005 sowie die Jahresarbeitszahlen (JAZ) während der Heizperiode 2004/2005. Anlage Anzahl Wohnungen Anzahl Wärmepumpen Leistung (Kondensatorseite) In Betriebnahme (-) (kw) ( C) (-) ΔT JAZ Warmwasser: dezentral Heizung: 2 x 336 kw Warmwasser: 1 x 20 kw Heizung: 1 x 68 kw Warmwasser: 1 x 40 kw Heizung: 3 x je 68 kw zusätzlich 1 Ölkessel mit 380 kw zur Spitzendeckung Nur die Jahresarbeitszahlen (JAZ) der Anlagen 2 und 3 sind zufriedenstellend. Anlage 1 schneidet mit einer JAZ von 2.53 äusserst schlecht ab. Da die Erzeugung und der Transport von elektrischer Energie zum Endverbraucher bei einem üblichen Strommix einen Wirkungsgrad von etwa 30 % aufweist, ist der Betrieb einer Wärmepumpe mit einer JAZ unter drei energetisch fraglich und sollte vermieden werden! Wir stellten zudem fest, dass diese Anlage immerhin in den drei Jahren zuvor noch eine Jahresarbeitszahl von knapp über 3 erreichte. Die gemessenen Temperaturdifferenzen zur Wärmeentnahme (ΔT) sind in zwei von drei Anlagen unbefriedigend. Die Konsequenzen eines niedrigen ΔT können anhand der Abbildung 1 veranschaulicht werden. Gemäss dem Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung (AWEL, 2010) darf die Gewässertemperatur an der Einleitstelle nicht tiefer als 1 C sein. Somit ist aus energetischer Sicht eine Abkühlung des gereinigten Abwassers um 8-9 Kelvin optimal. 3

4 Anzahl Haushalte (-) ΔT (K) Abbildung 1 Anzahl Haushalte, die in Uster mit Wärme aus gereinigtem Abwasser versorgt werden können bei unterschiedlicher Temperaturdifferenz der Wärmeentnahme ΔT aus dem gereinigten Abwasser Grundlagen für Berechnung - verfügbare Abwassermenge: m 3 /d; Wärmebedarf pro Haushalt: 195 MJ/m 2 (SIA 380/1, 2009); EBF pro Haushalt: 100 m 2 ; Betriebsstunden WP: 3000 h/a; JAZ WP: 4 Abbildung 1 verdeutlicht, wie wichtig eine effiziente Wärmeentnahme aus dem Abwasser ist. Die Anzahl der Haushalte, die mit Wärme aus Abwasser versorgt werden können, ist proportional zur Wärmeentnahme ΔT. Würden alle Anlagen mit einem ΔT von 8-9 K betrieben, könnten in Uster über Haushalte von dieser erneuerbaren Energiequelle profitieren. Bei der momentanen Wärmeentnahme (Mittelwert der Anlagen 1-3: 2.7 K) können dagegen nur gut 1000 Haushalte angeschlossen werden. Durch den Abwasseranfall ist das Angebot an Wärme aus gereinigtem Abwasser auf jeden Fall begrenzt. Deshalb müssen auch bivalente Systeme (wie Anlage 3), möglichst mit speicherbarem Energieträger, in Betracht gezogen werden. Bei bivalenten Anlagen soll % der maximalen Leistung mit einem Backupsystem gedeckt werden. Somit muss die Wärmepumpe nicht auf den kältesten Tag ausgelegt werden und die Nutzung der Abwasserwärme wird erhöht. Dadurch wird auch die gesamte Infrastruktur besser genutzt und somit auch wirtschaftlicher. Solche bivalenten Anlagen sollten bei grösseren Überbauungen (ab ca kw) geprüft werden. Optimierungsmöglichkeiten zur besseren Wärmenutzung Wie in Tabelle 1 erwähnt, sind die Jahresarbeitszahlen der Anlage 1 sehr dürftig. Um Optimierungsmöglichkeiten zu erkennen, muss das Gesamtsystem betrachtet werden. In Abbildung 2 sind die wichtigsten Komponenten und der Temperaturverlauf des Gesamtsystems dargestellt. 4

5 Abbildung 2 Die Abwasserwärme wird über einen Wärmetauscher, dem sogenannten Systemtrenner, an den Zwischenkreislauf abgegeben. Am Verdampfer wird die Wärme vom Zwischenkreislauf an den Arbeitsfluid- Kreislauf übertragen. Durch den Kompressor der Wärmepumpe wird das Arbeitsfluid auf das für Heizung resp. für Brauchwarmwasser notwendige Temperaturniveau gehoben. (Bild: VSA/BFE) Eine Wärmepumpe funktioniert umso effizienter, je geringer der Temperaturhub vom Verdampfer zum Verflüssiger ist. Bei einer bestehenden Anlage kann die Temperatur am Verflüssiger kaum reduziert werden. Diese ist durch das Heizsystem gegeben und beträgt bei Anlage 1 gemäss Auslegung 47 C. Somit muss darauf geachtet werden, dass die Temperatur am Verdampfer möglichst hoch ist. Demzufolge muss dem Wärmetauscher (gereinigtes Abwasser/Zwischenkreislauf) grosse Beachtung geschenkt werden. Gemäss Tabelle 1 (ΔT) funktionierte dieser Wärmetauscher in der Anlage 1 im Herbst 2005 kaum einwandfrei. Eine Inspektion der Anlage im Frühling 2011 zeigt, dass der Contractor auch 5 Jahre später noch nicht alle Probleme gelöst hat. Die beiden geschraubten Plattentauscher wurden mit zusätzlichen Platten ergänzt. Mittlerweile sind über 100 Platten pro Wärmetauscher installiert. Berechnungen mit einem Auslegungsprogramm zeigen aber, dass ab ca. 65 Platten die Geschwindigkeiten in den hintersten Platten des Wärmetauschers so gering sind, dass dort kaum noch ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Somit ist es vollkommen nutzlos weiter Platten anzubringen. Experten auf dem Gebiet der Wärmetauscher-Technologie sehen eine durch Lufteintrag verursachte Schaumbildung im Zwischenkreislauf (Wasser-Glykol-Gemisch) als mögliche Ursache für den schlechten Wärmeaustausch. Dieser Schaum leitet die Wärme nicht und verhindert so einen effizienten Wärmeaustausch. Absolute Klarheit können aber nur einfache Tests verschaffen, die vom Contractor angeordnet werden müssten. Sicher ist, dass die notwendige Wärmeleistung bei der Anlage 1 momentan, und wohl mittlerweile 5

6 seit Jahren, nur durch eine massive Erhöhung des Durchflusses erreicht wird (vgl. Gleichung 1). In der Folge steigen der Druckverlust und die Kosten für die notwendige Pumpenleistung überproportional an. Der Contractor sollte diesen Mangel somit nur schon aus finanziellen Gründen beheben. Der wichtigste Punkt ist aber, dass mit den bestehenden Wärmetauschern das Potenzial der nachhaltigen Energiequelle gereinigtes Abwasser bei weitem nicht ausgeschöpft werden kann (Siehe u.a. Abbildung 1). Diese Tatsache muss den verantwortlichen Planern und Behörden unbedingt bewusst werden. Beispielsweise wären Vorschriften der zuständigen Behörden bezüglich einer Mindest- Wärmeentnahme, d.h. einer minimal erforderlichen Temperaturdifferenz aus dem gereinigten Abwasser, äusserst sinnvoll. Chancen für Weiterausbau Abwasser kann noch andersweitig genutzt werden Im bestehenden System wird das gereinigte Abwasser nach der Wärmeentnahme bei den verschiedenen Überbauungen in eine Meteorwasserleitung eingeleitet und gelangt anschliessend direkt in den Vorfluter (Aabach). Es stellt sich dabei die Frage, einer zusätzlichen Nutzung des gereinigten Abwassers. Grundsätzlich bestehen folgende Möglichkeiten: 1. Einleiten in Vorfluter wie bisher 2. Nutzung für Toilettenspülungen 3. Rückführung in einer Druckleitung zur ARA Uster zwecks Einsparung von Pumpenenergie 4. Kühlung insbesondere von Büro- und Gewerberäumen Als mögliche Erschliessungszone wird in einer im Auftrag der Energie Uster AG durchgeführten Studie das Gebiet Eschenbühl erwähnt. Geplant ist eine grosse Überbauung mit neuen Mehrfamilienhäusern. Eine erste Betrachtung der hier aufgeführten Massnahmen zeigt, dass bezüglich ökologischer, ökonomischer und unterhaltstechnischer Aspekte eine Nutzung für Toilettenspülung am attraktivsten wäre. Eine Rückführung zur ARA Uster wäre für das Gebiet Eschenbühl knapp nicht wirtschaftlich. Eine Rückführung macht erst bei Durchflüssen von über 200 m 3 /h und einem geodätischen Höhenunterschied von über 20 m Sinn. Ergänzende Ausführungen zu sämtlichen vier Optionen können dem Bericht 1 Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser entnommen werden. 6

7 Zur Nutzung in Toilettenspülungen ist zum Beispiel die Installation einer Anlage, wie sie bis anhin für Regenwassernutzungsanlagen verwendet wird, denkbar. Die notwendigen Installationen beschränken sich im Wesentlichen auf einen Speichertank, eine Druckerhöhungsanlage sowie die Verteilleitungen zu den Spülkästen. Die Qualität des gereinigten Abwassers ist gut genug für eine Nutzung bei Toilettenspülungen. Zudem kann der Bedarf an Toilettenspülwasser durch die Fernleitung und einen Speichertank problemlos gedeckt werden. Interessant ist diese ergänzende Nutzung, weil in einem durchschnittlichen Drei-Personen- Haushalt heute immer noch 32 % des Trinkwasserverbrauchs auf Toilettenspülungen entfallen. Dies entspricht gut 125 l/d pro Haushalt (Quelle: Gebrüder Tobler AG). Eine erste Abschätzung mittels Annuitätenrechnung (Lebensdauer 25 Jahre, Zins 3 %) zeigt, dass beim bestehenden Trinkwasserpreis von 2.51 CHF/m 3 (Frischwasser ohne Abwasser; Stand April 2011) in Uster bei einer neuen Überbauung Investitionen von etwa CHF pro Wohnung gerechtfertigt wären. Somit kann die Nutzung von gereinigtem Abwasser in Toilettenspülungen für eine Überbauung im Gebiet Eschenbühl durchaus wirtschaftlich sein. Fazit für Planer und Behörden Zusammenfassend können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: 1. Grundsätzlich sollen Neubauten mit minimalem Wärmebedarf gebaut werden. Das bedeutet, es sind der Minergie-P-Standard und Niedertemperatur-Heizsysteme anzustreben. 2. Für eine effiziente Nutzung der Wärmequelle gereinigtes Abwasser muss sichergestellt sein, dass die Temperaturdifferenz der Wärmeentnahme (ΔT) aus dem gereinigten Abwasser möglichst gross ist. 3. Gereinigtes Abwasser soll prioritär dort genutzt werden, wo Erdsonden nicht erlaubt sind. 4. Bei grösseren Überbauungen (ab ca kw) sollen bivalente Systeme (d.h. mit zusätzlicher Pellet- oder Ölheizung für die Spitzendeckung) eingesetzt werden. 5. Eine zusätzliche Nutzung des gereinigten Abwassers ist ergänzend zur Wärmeentnahme in der Heizperiode zu prüfen. Zum Beispiel Kühlen, Toilettenspülung, Bewässerung usw. 7

8 Da diese interessante Nutzung erneuerbarer Energie mit Infrastrukturkosten verbunden ist, sind Politiker und Verwaltungen mit Weitsicht gefordert, welche entsprechende Rahmenbedingungen schaffen. Autoren Simon Streit BSc ETH Umwelt-Ing. Simon Streit arbeitet seit 2008 Teilzeit bei der hässig sustech gmbh als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Hauptberuflich studiert er Umweltingenieurwissenschaften an der ETH Zürich und steht 2011 kurz vor dem Abschluss des Masterstudiums. Werner Hässig Dr., dipl. Ing. ETH/SIA Werner Hässig leitet das Büro hässig sustech gmbh in Uster, welches spezialisiert ist auf Minergie und nachhaltiges Bauen. Datum: