Wärme aus Abwasser zum Heizen nutzen

Wenn in diesen Tagen wieder die Heizun­gen aufge­dreht wer­den, haben Ver­brauch­er mit Öl- und Gasheizun­gen oft den steigen­den Preis dieser fos­silen Rohstoffe im Blick. Eine dauer­haft kostengün­stigere und kli­mafre­undliche Alter­na­tive kön­nte in Zukun­ft Abwass­er darstellen. Daran arbeit­en Forsch­er der Tech­nis­chen Uni­ver­sität Kaiser­slautern (TUK) derzeit mit ihren Part­nern. Sie befassen sich mit einem Konzept, das die kon­ven­tionelle Abwasser­wär­menutzung (AWN) weit­er­en­twick­elt. Ziel dabei ist es, die Effizienz der kon­ven­tionellen AWN deut­lich zu steigern, indem auch bis­lang ungenutzte indus­trielle und gewerbliche Abwärme Ver­wen­dung findet.

Es gibt viele Prozesse, bei denen ungenutzte Abwärme anfällt, wie dies beispiel­sweise bei der Pro­duk­tion von Glas, Alu­mini­um- und Stahlerzeug­nis­sen der Fall ist. „Aktuell zahlen Unternehmen in der Regel viel Geld, um diese Abwärme zu ver­nicht­en. Dabei geht wertvolle Energie ver­loren“, sagt Pro­fes­sor Dr. Karsten Körke­mey­er, der das Fachge­bi­et Baube­trieb und Bauwirtschaft an der TU Kaiser­slautern leit­et. „Es wäre daher sin­nvoll, wenn wir diese über­schüs­sige und bis­lang ungenutzte Wärme, die ohne­hin schon bezahlt und pro­duziert wurde, noch in ein­er weit­eren Art und Weise nutzen könnten.“

Genau mit dieser Fragestel­lung befassen sich Pro­fes­sor Körke­mey­er, seine bei­den Dok­toran­den Philipp Müller und Andreas Glöck­n­er sowie ihre Pro­jek­t­part­ner, das Fraun­hofer-Insti­tut für Sys­tem- und Inno­va­tions­forschung (ISI) Karl­sruhe und der Stadt­be­trieb Abwasserbe­sei­t­i­gung Lünen AöR. Sie arbeit­en an einem Ansatz, bei dem bish­er ungenutzte indus­trielle beziehungsweise gewerbliche Abwärme gezielt auf das Abwass­er über­tra­gen, in der beste­hen­den Kanal­i­sa­tion „stromab­wärts“ trans­portiert und schließlich genutzt wird.

„Es gibt Stu­di­en, die davon aus­ge­hen, dass in Deutsch­land mith­il­fe der bish­er prak­tizierten Abwasser­wär­menutzung rund zehn Prozent des gesamten Gebäudewärmebe­darfs gedeckt wer­den kön­nte. Berück­sichtigte man zudem die indus­trielle Abwärme, ließe sich dieses Poten­tial nochmal deut­lich steigern und sich so auf cir­ca 27 Prozent des gesamten Wärmebe­darfs in Deutsch­land ausweit­en“, sagt Körkemeyer.

Ihre bish­eri­gen Ergeb­nisse haben den Forsch­ern gezeigt, dass es prinzip­iell zwei Vari­anten gibt, mit denen sich die Wärme über­tra­gen lässt: Die erste Form nutzt die Wärme aus dem Abwass­er der Indus­trie direkt. „Sie ist mit gerin­geren Kosten ver­bun­den“, sagt Dok­torand Müller. Bei der zweit­en Ver­sion kommt ein Wärmekreis­lauf zum Ein­satz, der die Wärme vom Ort ihrer Entste­hung zum Abwasserkanal trans­portiert und dort auf das Abwass­er überträgt. „Die Tech­nik, die wir dazu ver­wen­den, gibt es schon seit Jahren auf dem Markt, die Kom­po­nen­ten müssen lediglich neu zusam­menge­set­zt wer­den“, sagt Glöckner.

Um die Wärme im Abwasserkanal abgreifen zu kön­nen, set­zen die Inge­nieure auf unter­schiedliche Wärmetausch­er-Sys­teme, die dem Bedarf angepasst wer­den. „Ein­fach gesagt überträgt man damit Wärme von einem Medi­um auf ein anderes, wobei die Wärme immer vom wärmeren auf das käl­tere über­tra­gen wird“, so Glöck­n­er weiter.

Bei Wärmetausch­ern, die Abwass­er als Wärme­quelle nutzen, muss das Wass­er aus hygien­is­chen und betrieb­stech­nis­chen Grün­den stets von dem Medi­um des Wärmeaus­tausch­ers getren­nt wer­den. „Zwis­chen dem Abwass­er und dem Überträger­medi­um beste­ht ein unter­schiedlich­es Tem­per­atur­niveau. Das Abwass­er ist in der Regel wärmer“, erläutert Müller. „In der Folge wärmt sich das Medi­um auf.“ Hier­bei han­delt es sich in der Regel um Wass­er oder eine Wass­er-Glykol­gemisch. Es gelangt über entsprechende Leitun­gen zur Wärmepumpe. „Sie bildet das Herzstück ein­er mod­er­nen Heizungsan­lage“, sagt Müller. Im Anschluss wird das abgekühlte Wass­er wieder über Leitun­gen zurück zum Wärmetausch­er trans­portiert, um den Kreis­lauf zu schließen.

Inter­es­sant ist das Ver­fahren beispiel­sweise für Städte und Kom­munen, in denen es indus­trielle Pro­duk­tion­sstät­ten gibt, die Abwärme erzeu­gen. Bei der Erschließung von neuen Wohnge­bi­eten kön­nte die neue Form der Wärmev­er­sorgung etwa von Anfang an einge­plant wer­den. Die Kaiser­slauter­er Forsch­er arbeit­en im Pro­jekt unter anderem mit der Inno­vatherm GmbH (Klärschlam­mver­bren­nung), dem Tri­anel Kohlekraftwerk Lünen und der Auru­bis AG (Kup­fer­recy­cling) zusam­men. „Alle sind Abwärmeerzeuger“, sagt Müller. Nutzer sind in diesem Fall eine Behin­derten­werk­statt der Car­i­tas in Lünen und eine Liegen­schaft des dor­ti­gen Bauvereins.

„Bei diesem neuar­ti­gen Heizkonzept set­zen wir auf eine bere­its beste­hende Infra­struk­tur, die Abwasserkanäle, und nutzen diese als Wärmenetz“, sagt Körke­mey­er. „Die Anbindung ist über­all vorhan­den.“ Im Ver­gle­ich zu den üblicher­weise einge­set­zten Luftwärmepumpen, die ihre Wärmeen­ergie aus der Umge­bungsluft ent­nehmen, bietet das Abwass­er ein sehr hohes und kon­tinuier­lich­es Tem­per­atur­niveau mit cir­ca 15 °C im Jahres­durch­schnitt. „Wird sie gezielt erhöht, spiegelt sich das direkt in der Effizienz und somit auch im Preis für den Nutzer wider“, sagt Glöck­n­er. Damit die Tech­nik wirkungsvoll funk­tion­iert, ist es wichtig, dass neben der Tem­per­atur auch eine aus­re­ichende Abwasser­menge vor­liegt. Hinzu kommt, dass sich der Erzeuger in der Nähe der Nutzer befind­en sollte.

Auf ihren Web­seit­en stellen die Forsch­er eine Berech­nungssoft­ware zur Ver­fü­gung, mit der sich inter­essierte Gemein­den schnell einen Überblick ver­schaf­fen kön­nen, ob das Ver­fahren auch bei ihnen in Frage kommt. „Für eine erste Abschätzung reichen wenige Minuten und auch nur ein paar Dat­en“, sagt Müller. Ist das Ergeb­nis pos­i­tiv, lässt sich im Anschluss eine Mach­barkeitsstudie durch­führen, ohne das eine Unter­suchung für das kom­plette Gebi­et erfol­gen muss, was mit hohen Kosten ver­bun­den wäre.

„Die Anfangskosten kön­nen zunächst höher sein als bei herkömm­lichen Heiztech­niken“, fährt Glöck­n­er fort. Investi­tio­nen in Wärmetausch­er und Wärmepumpen lohnen sich allerd­ings über die Zeit gese­hen. Zum einen sind Ver­brauch­er unab­hängiger von der Preisen­twick­lung fos­siler Brennstoffe, zum anderen sind die Betrieb­skosten in der Regel deut­lich geringer als bei ver­gle­ich­baren Heizungsan­la­gen. Außer­dem investiert man in ein sehr umwelt­fre­undlich­es und CO2-armes Heizungssys­tem. Auch die Lebens­dauer der Wärmetausch­er sind mit rund 40 Jahren sehr hoch.

Das Pro­jekt „InnoA2 – Inno­v­a­tive Abwasser­wär­menutzung durch Wärmev­erteilung über die Kanal­i­sa­tion“ wird vom Bun­desmin­is­teri­um für Wirtschaft und Energie gefördert. In der ersten Pro­jek­t­phase haben die Kaiser­slauter­er Wis­senschaftler gemein­sam mit ihren Pro­jek­t­part­nern zunächst die tech­nis­che und rechtliche Mach­barkeit ihres Ver­fahrens über­prüft und passende Akteure gesucht. Aktuell bere­it­et das Team zusam­men mit einem Inge­nieur­büro die Umset­zung in einem Pilot­pro­jekt in Lünen vor. Ende 2020 sollen die Arbeit­en soweit abgeschlossen sein, dass im Anschluss die bauliche Real­isierung erfol­gen kann.