Wärme aus Abwasser: | ||
Die Gewinnung von Wärme aus Abwasser ist ein Thema, das zugleich energie- und abwasserwirtschaftliche Dimensionen aufweist und damit auch für Netzbetreiber ein lohnendes Betätigungsfeld darstellen kann. In der Vergangenheit hat das IKT untersucht, wie der Einsatz von Wärmetauschern im Kanal technisch und wirtschaftlich vertretbar sein kann. Das IKT bietet Netzbetreibern Möglichkeiten zur Zusammenarbeit an. | ||
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Funktionsweise der Wärmegewinnung aus Abwasser
Viele Nutzungen von Trinkwasser sind mit einer Erwärmung verbunden, so dass mit dem Abwasser ein stetiger Wärmeabfluss durch die Kanalisation stattfindet. In Abhängigkeit von der Jahreszeit weist das Abwasser i.d.R. eine Temperatur zwischen 10 und 20 °C auf. Diese Wärmeenergie kann mittels Abwasserwärmenutzungsanlagen (AWNA) gewonnen und zur Beheizung von Liegenschaften sowie zur Warmwasserversorgung eingesetzt werden. Bestandteile einer AWNA sind Wärmetauscher, Transportleitungen und eine Wärmepumpe. Die Gewinnung von Wärme aus Abwasser erfolgt in drei Wärmetauschprozessen: In den vom Abwasser überströmten Wärmetauschern zirkuliert ein Medium, das die Temperatur des Abwassers annimmt. Durch Transportleitungen wird das erwärmte Medium einer Wärmepumpe zugeführt. Dort findet ein zweiter Wärmetausch an ein Medium in der Wärmepumpe statt. Dieses verdampft infolge der Wärmezufuhr aus dem Kanal. In der Wärmepumpe erfolgt nun eine Verdichtung des verdampften Mediums, wodurch die Temperatur auf ein nutzbares Niveau angehoben wird. In einem dritten Wärmetausch erfolgt die Einspeisung der Wärme in den Heizungskreislauf. Eine Besonderheit der Wärmerückgewinnung aus Abwasser besteht darin, dass diese Bestandteil eines hybriden Heizungssystem ist: Die Wärmepumpe versorgt die Grundlast, für Spitzenlastbedarfe wird zusätzlich ein konventioneller Heizkessel eingesetzt. Eine weitere Besonderheit liegt in der Möglichkeit, AWNA zur Klimatisierung von Räumen einzusetzen. Dabei verläuft der Wärmetausch in umgekehrter Richtung, d.h. überschüssige Raumwärme wird an das Abwasser abgegeben. | ||
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Einfluss von Wärmetauschern auf die Kanalisation Das IKT hat im Rahmen des Forschungsprojektes „Wärmegewinnung aus Abwasserkanälen“ den Einfluss von Wärmetauschern auf die Kanalisation hinsichtlich Arbeitssicherheit, Dauerhaftigkeit und Auswirkung von Kanalreinigung untersucht. Dabei orientierten sich die IKT-Forscher an den in Leverkusen eingebauten Wärmetauschern, System Rabtherm®. Diese Wärmetauscher bestehen aus rostfreiem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4571, sind in eine Trockenwetterrinne eingebaut und haben direkten Kontakt zum Abwasser.
Die Untersuchungen ergaben, dass negative Auswirkungen auf Dichtheit oder Standfestigkeit ebenso wenig zu erwarten sind wie Einschränkungen der Dauerhaftigkeit durch Korrosionsvorgänge. Auch Kanalreinigungen lassen keine Veränderungen erwarten, die einen negativen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit von Wärmetauscher-Elementen haben. Hinsichtlich der Arbeitssicherheit konnte festgestellt werden, dass, zur sicheren Seite, die z.B. beim Begehen von Mauerwerkskanälen übliche Vorsicht auch für das Begehen von Edelstahl-Wärmetauschern angemessen und ausreichend ist. | ||
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Gewinnung von Wärme aus Abwasser Das IKT hat die Bedingungen für einen sinnvollen Einsatz von AWNA erarbeitet und in einem Anforderungskatalog zusammengetragen. Es hat sich herauskristallisiert, dass für eine sinnvolle Nutzung der Abwasserwärme beachtliche technische und wirtschaftliche Restriktionen zu beachten sind. Die technischen Anforderungen richten sich in erster Linie an Merkmale der Kanalisation. Für die Wärmegewinnung aus Abwasser geeignete Kanalisationsabschnitte liegen vor, wenn die nachfolgenden Kriterien erfüllt sind:
Insgesamt sind bereits die technischen Anforderungen sehr vielfältig. Aufgrund der Größe der Kanalisationsnetze lassen sich durchaus Kanalisationsabschnitte ausfindig machen, die die technischen Restriktionen erfüllen und damit für die Wärmegewinnung aus Abwasser prinzipiell zur Verfügung stehen. | ||
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Vermarktung von Wärme aus Abwasser Über die Gewinnung hinaus spielt die Vermarktung der Wärmeenergie eine zentrale Rolle. Somit sind auch wirtschaftlichen Restriktionen für den Einsatz von AWNA zu beachten. Geeignete Standorte für die Vermarktung von Wärme aus AWNA zeichnen sich dadurch aus, dass
Sind diese Voraussetzungen erfüllt, können die wirtschaftlichen Vorteile einer AWNA zum Tragen kommen. Bis zur Realisierung einer AWNA ist allerdings noch ein weiterer Schritt erforderlich: Die beteiligten Akteure müssen eine freiwillige und dauerhafte Kooperationsbeziehung eingehen. Beteiligte Akteure sind Kanalnetzbetreiber und Energieversorger auf der Anbieterseite und Liegenschaftsbesitzer auf der Nachfrageseite. In dieser Konstellation kann Kooperation zustande kommen, wenn aus den Erträgen der Vermarktung der Wärmeenergie sämtlicher Aufwand (Investition und Betriebskosten) gedeckt und überdies ein Gewinn vereinnahmt werden kann. Zugleich muss die Wärmeenergie zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden, damit Wärme aus Abwasser auch für die Nachfrager interessant wird. Die Rentabilität ist das ökonomische Schlüsselkriterium bei der Vermarktung von Abwasserwärme. Eine rentable AWNA liegt vor, wenn Wärmeenergie zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten wird und aus den Erlösen alle anfallenden Investitions- und Betriebskosten sowie die Gewinnansprüche der Anbieter (Kanalnetzbetreiber, Energieversorger) bedient werden. | ||
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Potenzial der Wärmegewinnung aus Abwasser in NRW
Mit Hilfe von Wärmetauschern können aus 1.000 Litern Abwasser 1,5 kWh je Kelvin Temperaturdifferenz gewonnen werden. Die Leistung je Meter Wärmetauscher beträgt rd. 2,5 kW. Das heißt eine Anlage mit einem maximal 200 m langen Wärmetauscher weist eine Leistung von rund 500 kW auf. Unter Beachtung der technischen und ökonomischen Restriktionen hat das IKT das Potenzial für die Gewinnung und Vermarktung von Wärme aus Abwasser für das Land NRW überschlägig ermittelt. Nach Einschätzung des IKT besteht innerhalb der rund 87.000 km langen Kanalisation Nordrhein-Westfalens unter Beachtung der zuvor angeführten Kriterien jährlich ein Potenzial für etwa 50 AWNA mit einer Gesamtleistung von 25 Megawatt. Insgesamt besteht für die Wärmegewinnung aus Abwasser derzeit lediglich ein Nischenpotenzial, welches allerdings längst nicht ausgeschöpft wird. Dabei sind ergänzend einige Aspekte besonders hervorzuheben: Da es sich bei dem Potenzial von 50 AWNA um einen Jahreswert handelt, würden die energiewirtschaftlichen und umweltpolitischen Effekte (Verminderung von Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen) über die Zeitachse kumulieren. Zudem ist bei steigenden Rohölpreisen eine erhöhte Wettbewerbsfähigkeit von AWNA zu erwarten, weil bei AWNA nur in verhältnismäßig geringen Umfang Primärenergie benötigt wird. Und schließlich können sich auch Lerneffekte bei Errichtung und Betrieb von AWNA positiv in der Wirtschaftlichkeit niederschlagen. | ||
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Systematische Erschließung der Wärmequelle Abwasser Um Wärme aus Abwasser nutzen zu können, muss zunächst eine sorgfältige Auswahl der geeigneten Standorte anhand der oben dargestellten Kriterien erfolgen. Für die ausgewählten Standorte muss auf der Grundlage von Wirtschaftlichkeitsrechnungen im Einzelfall die zu erwartende Rentabilität ermittelt werden. Bei einem positiven Ergebnis sind die grundlegenden Voraussetzungen für eine Kooperation der beteiligten Akteure erfüllt. Der Erschließung der Wärmequelle Abwasser stehen nach Auffassung des IKT eine Kombination aus Informationsdefiziten und unterschiedlicher Wissensverteilung (Informationsasymmetrien) entgegen: Prinzipiell sind geeignete Standorte vorhanden, diese sind jedoch weder den Kanalnetzbetreibern noch den Energieversorgern bekannt. Zudem bestehen Informationsasymmetrien dahingehend, dass Energieversorger wenig über die in der Kanalisation befindlichen Abwasser- und Energiemengen wissen. Auch ist den Energieversorgern nicht bekannt, zu welchen Zeitpunkten Kanalabschnitte saniert werden und wo sich Kanalabschnitte befinden, die generell die technischen Voraussetzungen für die Wärmegewinnung aus Abwasser erfüllen. Ein Abgleich mit der zu versorgenden Nachfrage nach Wärmeenergie kann somit nicht stattfinden. Auf der Seite der Netzbetreiber ist zwar das Wissen über geeignete Kanalisationsabschnitte vorhanden, hingegen nicht das Wissen über die Chancen und Risiken der Vermarktung von Energie. Wenn nun die Wärmequelle Abwasser systematisch erschlossen werden soll, dann müssen die Informationsasymmetrien abgebaut werden. Dieses kann idealtypisch in den nachfolgenden Schritten erfolgen:
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Nutzen für Kanalnetzbetreiber Die Gewinnung von Wärme aus Abwasser kann für Kanalnetzbetreiber vorteilhaft sein, da aus der Bereitstellung der Kanalisation für die Wärmegewinnung Einnahmen resultieren. Dabei müssen mindestens die durch die Nutzung der Abwasserwärme verursachten Kosten einschließlich der zusätzlich auftretenden Betriebskosten (wie zum Beispiel erhöhter Kontroll- und Reinigungsaufwand) kompensiert werden. Um Netzbetreibern einen Anreiz für ein Engagement in die Wärmegewinnung aus Abwasser zu geben, müssen diese darüber hinaus an den Gewinnen aus der Vermarktung der Abwasserwärme partizipieren. Sofern sich auf diese Weise der finanzielle Handlungsspielraum für die Bewältigung der Entwässerungsaufgaben verbessern lässt, entsteht indirekt auch ein Nutzen zugunsten des Gewässerschutzes. Ein weiterer interessanter Aspekt besteht darin, dass die Kanalisation über die von der Öffentlichkeit oftmals nicht wahrgenommene Funktion der Abwasserentsorgung hinaus eine Bedeutung für die Energieversorgung gewinnt. Energiewirtschaftliche Themen genießen in der Öffentlichkeit eine hohe Aufmerksamkeit, vor allem wenn umweltfreundliche Energieträger im Spiel sind. Rücken durch die Wärmegewinnung aus Abwasser die Leistungen rund um die Kanalisation stärker in das Bewusstsein der Bürger, kann auf diese Weise für eine positive Einstellung zu den Aktivitäten von Kanalnetzbetreibern geworben werden. Gute Beziehungen zwischen Kanalnetzbetreibern und Bürgern können sich zu gegebener Zeit bezahlt machen, wenn die Kanalnetzbetreiber mit weniger populären Aufgaben an die Bürger herantreten müssen, beispielsweise im Bereich der Entwässerung privater Grundstücke. | ||
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Was das IKT für Sie tun kann Das IKT hat das Know-how zur Identifizierung geeigneter Kanalisationsabschnitte für die Wärmegewinnung aus Abwasser. Mit der Anwendung dieses Wissens von neutraler und unabhängiger Seite auf den Kanalisationsbestand Ihrer Kommune kann der Grundstein für eine systematische Erschließung der Wärmequelle Abwasser gelegt werden. Nachfolgende Leistungen bietet das IKT an: Machbarkeitsstudie
Potenzialanalyse
Kontaktbildung und Moderation
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Ansprechpartner im IKT Wenn Sie wissen möchten, welches Potenzial Ihr Kanalisationsnetz für die Wärmegewinnung aus Abwasser bietet, nehmen Sie bitte mit uns Kontakt auf. Gerne erörtern wir mit Ihnen die Möglichkeiten einer Unterstützung durch das IKT in einem persönlichen Gespräch. | ||
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Dr. rer. oec. Lutz Rometsch |
