48 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Abwasser als Energieträger Bedingt durch sein Temperaturniveau und durch den gleichförmigen Temperaturverlauf stellt Abwasser eine ideale Wärmquelle für den Betrieb von Wärmepumpen dar, die ganzjährig mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden können. Messungen in den Kanälen der Emschergenossenschaft zeigen ein Jahresmittel der Abwassertemperatur von rund 14 °C. Im Winter liegen die mittleren Monatstemperaturen bei etwa 12 °C, während sie im Sommer auf Mittelwerte von über 17 °C ansteigen können. Wie in Bild 1 dargestellt, zeigt die Abwassertemperatur deutlich geringere Schwankungen als die Lufttemperatur. Insbesondere im Winter führen Niederschläge auf kalte Oberflächen oder auch Schmelzwässer zu einer Abkühlung des Abwassers, die zu Temperaturen unter 10 °C führen kann . Diese Abkühlung ist jedoch bedingt durch fortdauernde Einleitung warmen Abwassers und auch durch die Wärme des Erdbodens, der Abwasserkanal liegt in einer Tiefe von rund 10-m, lediglich von kurzer Dauer. Im Sommer können dagegen kurzfristig Maximaltemperaturen von über 20 °C auftreten. Die Komponenten einer Wärmegewinnungsanlage aus Abwasser bestehen aus bewährter Technik, für die mittlerweile langjährige Betriebserfahrungen vorliegen (Bild 2). Da bei der Abwasserwärmenutzung Wärmepumpentechnik eingesetzt wird, ist der geeignete Anwendungsfall eine Energieversorgung im Grundlastbereich bei Niederenergiesystemen mit geringen bis mittleren Vorlauftemperaturen bis etwa 60 °C. Im Sommer lässt sich der Prozess auch umkehren und zur Gebäudekühlung nutzen. Detailliert dargestellt sind der Aufbau einer solchen Anlage und auch die Randbedingungen in [1]. Die Wirtschaftlichkeit von Anlagen steigt mit der Größe des Energiebedarfs. Deshalb ist die Abwasserwärmenutzung insbesondere für größere Abnehmer mit möglichst ganzjährig hohem Wärmebzw. Kältebedarf wie zum Beispiel Schwimmbäder, öffentliche Verwaltungen, Krankenhäuser, große Siedlungsgebiete und Gewerbestandorte geeig- Energiegewinnung aus Abwasser Erfahrungen in der Nutzung einer innovativen Wärmequelle im Emschergebiet Abwasserwärmenutzung, Wärme aus regenerativen Quellen, Wärmewende, CO 2 -Reduktion, Energiekarte Adrian Treis, Emanuel Grün, Michael Becker Zentrale Ziele der Energiewende in Deutschland beinhalten den Ausbau erneuerbarer Energien, eine Steigerung der Energieeffizienz sowie die Reduktion von Treibhausgasen. Für die Umsetzung dieser Ziele liegt besonders im Hinblick auf den Wärmemarkt noch erhebliches Potenzial brach. Mit dem Energieträger Abwasser steht eine einheimische, lokale, regenerative und langfristig verfügbare Quelle zur Verfügung, die diesen Zielen in hohem Maße Rechnung trägt. Unter Nutzung moderner Wärmepumpentechnologie kann das Abwasser sowohl zur Wärme-, als auch Kälteproduktion verwendet werden und einen Baustein für eine integrale Stadtentwicklung bereitstellen. Die Energiegewinnung aus Abwasser kann hierzu sowohl modular in der Entwicklung von Quartieren und im Neubaubereich, als auch im Rahmen der energetischen Sanierung von Bestandsbauten eingesetzt werden. Bild 1: Monatsmittel der Abwassertemperatur im Marbachkanal im Vergleich zur Außenlufttemperatur. © EGLV 49 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten net. Ideal sind Heizzentralen mit einem minimalen Wärmebedarf von 150-kW, besser 300-kW, bzw. Wärmepumpen mit einer Leistung ab 100- kW. Die Entfernung des Objektes zum Abwasserkanal, genauer dem Einbauschacht, sollte möglichst gering sein, damit die Kosten der Leitungsführung nicht zu groß werden. Auch die zusätzlichen Wärmeverluste über die Länge der Strecke sind zu berücksichtigen. Motivation der Emschergenossenschaft Die Emschergenossenschaft (EG) ist seit mehr als 100 Jahren als Wasserwirtschaftsverband für die öffentlich rechtliche Daseinsvorsorge in der Region aktiv [3]. Zu ihren gesetzlich geregelten Aufgaben gehören die Abwasserbeseitigung, das Hochwasserrisikomanagement, die Regenwasserbewirtschaftung, die Verbesserung des ökologischen Zustandes der Gewässer und die Gewässerunterhaltung. Im Sinne einer integralen Wasserwirtschaft untersucht die EG zudem Strategien als Antwort auf den Klimawandel und die daraus entstehenden vielfältigen Herausforderungen. Dabei ist der Fokus nicht nur auf die Wasserwirtschaft gerichtet, sondern auch auf eine vielfältige Zusammenarbeit mit Akteuren der Industriemetropole Ruhr, zum Beispiel im Rahmen von Stadtentwicklungs-, Ökologie- und Bildungsprojekten [4]. Vor diesem Hintergrund sieht die Emschergenossenschaft die Rückgewinnung der im Abwasser befindlichen Wärme als eine innovative und nachhaltige Form der Wärmegewinnung (AWN), die einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung vor Ort leisten kann und an vielen Stellen wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Aufgrund der Dichte der Bebauung und der hohen Abwassermengen bietet das Emschergebiet ein hohes Potenzial zur Erschließung dieser Wärme. Mit dem Großprojekt zum Umbau des Emschersystems, in dessen Verlauf rund 420-km neue Kanäle mit großem Durchmesser errichtet werden [5], ist der Einbau einer Abwasserwärmenutzungsanlage im Rahmen des laufenden Umbaus leicht möglich. AWN - Erhebliches Potenzial Die Herausforderung bei der Umsetzung von Anlagen besteht zunächst einmal in der Identifikation geeigneter Standorte. Hierzu hat die EG in Form einer Energiekarte eine web-basierte Plattform für interne Planungszwecke aber auch für externe Interessenten (Kommunen, Planungsbüros, Bauherren) geschaffen, die grundlegende Informationen zu den Nutzungsmöglichkeiten von Abwasserwärme in übersichtlicher Form bereit stellt [6]. Basierend auf Kanalinformationen, einer Analyse potenzieller Nutzer im Umfeld der Kanäle sowie einer Auswertung von Leistungsdaten von 59 umgesetzten Anlagen, steht somit eine Potenzialabschätzung für die Nutzung von Abwasserwärme bereit, die die Identifikation potenzieller Nutzer vereinfacht und die Wärmeentzugsleistung einzelner Kanalabschnitte fundiert darstellt. Grundlage der Energiekarte bildet eine GIS-Analyse, die in Bild 3 dargestellt ist. Zur Identifikation geeigneter Kanalabschnitte wurden in Anlehnung an [1] Durchmesser, Trockenwetterabfluss sowie Haltungslänge und Gefälle herangezogen. Im Umfeld von 300 m um die Kanalhaltungen wurden auf Basis von digitalen Daten der RVR-Realnutzungskartierung [7] sowie unter Berücksichtigung des Atlas der Gewerbe- und Industriestandorte Metropole Ruhr (RuhrAGIS) [8] potenzielle Nutzer identifiziert. Bild 2: Komponenten einer Abwasserwärmenutzungsanlage nach [2]. © EGLV Bild 3: Ablaufschritte zur Erstellung der Energiekarte. © EGLV 50 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Die energetischen Potenziale verdeutlichen die folgenden Zahlen: Insgesamt sind rund 280 km Kanalhaltungen für die AWN geeignet. Die mittlere Entzugsleistung für eine Anlage beträgt 195- kW. Unter Berücksichtigung der Restriktionen für die Installation von Wärmetauschern ergibt sich eine thermische Gesamtleistung von rund 662 MW. Unter Annahme einer Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl ( JAZ) von 4 könnte somit eine Heizleistung von rund 883 MW realisiert werden. Die JAZ beschreibt dabei das Verhältnis von gewonnener Wärme zu eingesetzter Energie. Eine JAZ von 4 beschreibt beispielsweise eine Gewinnung von 4 kWh Wärme für Heizung und Kühlung aus 1 kWh Strom und 3 kWh Umweltwärme bzw. -kälte. Im Umfeld der geeigneten Kanalhaltungen wurden 352 potenzielle Abnehmer identifiziert, die zur Ermittlung besonders geeigneter Standorte weiter priorisiert wurden. Als Kriterien wurden die potenzielle Entzugsleistung der Kanalisation, die Entfernung zum Kanal, die Randbedingungen zur Errichtung der Anbindungsleitung, die Nachbarschaft zu eigenen Liegenschaften sowie der Ausschluss von Fernwärmegebieten herangezogen. Aus den 352 identifizierten Standorten wurden 50 Standorte mit der höchsten Priorität (Bild 4), 71 Standorte mit einer mittleren Priorität und 231 Standorte mit geringerer Priorität ermittelt. Als nächster Erweiterungsschritt sollen geplante Bauvorhaben von Siedlungs- und Gewerbeflächen im Umfeld der Gewässer in die Energiekarte aufgenommen werden. Neubaumaßnahmen bieten im Gegensatz zur Anwendung im Bestand oft den Vorteil eines geeigneten energetischen Standards für die AWN. Wichtig ist allerdings eine frühzeitige Berücksichtigung der AWN als eine Option in der Planung der energetischen Versorgung des Standortes. Mit der Energiekarte steht nunmehr eine Planungsgrundlage für Gespräche mit potenziellen Abnehmern von Abwasserwärme und für weitere Umsetzungen von Anlagen zur Verfügung. Umsetzungs- und Betriebserfahrungen am Beispiel Nordwestbad in Bochum Seit dem Jahr 2010 betreibt die EG in Kooperation mit der Stadtwerke Bochum GmbH eine Anlage zur Versorgung des Nordwestbads im Bochumer Stadtteil Hofstede (Bild 5). Der in unmittelbarer Nähe neu errichtete Marbachkanal mit einem Durchmesser von DN 3000 mm bildet den Einbauort des Wärmetauschers. Planungsbeteiligte waren die Emschergenossenschaft als Kanal- und Kläranlagenbetreiberin, die Stadtwerke Bochum GmbH als lokaler Energieversorger sowie die Stadt Bochum als Betreiberin des Schwimmbads. Die Zuständigkeitsgrenzen wurden zwischen den Beteiligten klar definiert. So zeichnet die Emschergenossenschaft für alle kanalseitigen Fragestellungen verantwortlich. Die Grenze endet an der Oberkante des Schachtbauwerks. Alle Punkte, die die Zuleitungen sowie die Schwimmbadtechnik betreffen, befinden sich in der Verantwortung der Bild 4: Standorte mit höchster Priorität. © EGLV Bild 5: Nordwestbad in Bochum. © EGLV Beschreibung Wert Einheit Minimale Abwassertemperatur 12 °C Minimale verfügbare Wärmeleistung im Abwasser 800 kW Jahreswärmebedarf Nord-West Bad 2450 MWh/ a Thermische Leistung Spitzenkesselanlage (Bestand) 2 x 720 kW Elektrische Leistung BHKW Modul ca. 50 kW Thermische Leistung BHKW Modul ca. 90 kW Tthermische Leistung Wärmepumpe (Grundlast) ca. 190 kW Vollbenutzungsstunden Wärmepumpe 6.500 h/ a Tabelle 1: Kennzahlen der Abwasserwärmenutzungsanlage am Nordwestbad in Bochum. 51 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Stadtwerke Bochum GmbH. Diese wiederum haben einen eigenen Wärmelieferungsvertrag mit der Stadt Bochum abgeschlossen. Die Gesamtkosten des Projektes beliefen sich auf rund 800 000 €. Das Gesamtprojekt wurde aus Mitteln des Umweltinnovationsfonds des Umweltbundesamtes mit 30 % der Investitionskosten gefördert. Kennzahlen der Anlage sind in Tabelle 1 ausgeführt. Der errichtete Abwasserwärmetauscher hat eine Länge von 46 m und entzieht dem Abwasser eine Wärmeleistung von 150 kW. Als mittlerer Trockenwetterabfluss Q t24 ergibt sich ein Wert von rund 140 l/ s. Aus Gründen der Betriebssicherheit und zur Erreichung einer höheren Variabilität im Betriebsablauf wurde der Wärmetauscher in zwei getrennten Strängen mit jeweils 18 und 28 Elementen ausgeführt (siehe Bild 6). Da die Fertigstellung des Kanalabschnitts zeitlich mit dem Vorhabenbeginn zusammenfiel, bestand die Möglichkeit, die externen Wärmeübertrager vor Inbetriebnahme des Kanals auf der Sohle zu installieren (Bild 7). Somit konnten Kosten für eine Wasserhaltung vermieden werden. Der Einbau einer Anlage in die Kanalisation kann in Abhängigkeit von der Größe mehrere Tage in Anspruch nehmen. Bei der hier vorgestellten Anlage war die kanalseitige Installation der Wärmeübertrager einschließlich der Absperrarmaturen in fünf Tagen abgeschlossen. Als Anlagenkonzeption wurde eine Kombination aus Wärmepumpe mit angeschlossenem BHKW umgesetzt. Das BHKW liefert dabei den zum Betrieb der Wärmepumpe notwendigen Strom, sodass vollständig auf eine externe Stromzufuhr verzichtet werden kann. Die vorhandene Erdgasheizung ergänzt die multivalente Energieversorgung. Um hohe Laufzeiten der Wärmepumpe zu gewährleisten, wird die erzeugte thermische Energie der Wärmepumpe zur Grundlastversorgung des Nordwestbads herangezogen. Die zuführenden PE-Rohrleitungen zur Heizzentrale wurden frostfrei verlegt. In der Heizzentrale des Schwimmbads wurden zur gleichen Zeit die Umbauten durchgeführt und die Wärmepumpe sowie das Blockheizkraftwerk (siehe Bild 8) installiert. Eine Analyse der Wärmeerzeugung ergibt einen mittleren Deckungsgrad von 65 % des Gesamtwärmebedarfs durch die Abwasserwärmenutzungsanlage. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe liegt bei rund 3,5. Dies entspricht einer CO 2 -Einsparung von rund 220 t pro Jahr (etwa 40 %) gegenüber der konventionellen Erdgasheizung. Eine mehrfache Begehung des Wärmetauschers durch die Betriebsabteilung zeigte, bis auf den bereits bei der Dimensionierung der Anlage berücksichtigten Biofilm, keine relevanten Ablagerungen, Bild 6: Schema des Wärmetauschers. © EGLV Bild 7: Eingebaute Wärmetauscherelemente. © EGLV die zu einer Verringerung des Wärmeübertrags und zu betrieblichen Beeinträchtigungen führen könnten. Wie die Temperaturmessungen am Beginn und Ende der Wärmetauscherstrecke zeigen, liegt die mittlere Temperaturabsenkung des Abwassers hier bei etwa 0,4 °C und somit in einem unkritischen Bereich hinsichtlich des Kläranlagenbetriebs In Bezug auf die Laufzeitstabilität der Anlage kam es zu einer nennenswerten Betriebsstörung in der nunmehr 8-jährigen Betriebszeit. Im September 2014 kam es zu einem Druckabfall im Primärkreislauf der Wärmepumpe. Dies führte zu einem Stillstand der Anlage. Ursache war eine Undichtigkeit an einer Übergangskupplung zwischen dem Übertritt der Anbindungsleitung aus dem Schacht an den Wärmetauscher. Zur Reparatur wurde der Kanal am oberhalb gelegenen Stauraumkanal abgeschiebert, sodass eine neue Edelstahlkupplung eingesetzt werden konnte. Die erfolgreiche Reparatur im laufenden Betrieb unterstrich noch einmal die Praxistauglichkeit dieser Art der Energieversorgung. Durch geänderte Befestigungen und Kupplungsstücke sind in den aktuellen Ausführungen des Wärmetauschers vergleichbare Probleme nicht mehr zu erwarten. 52 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Ausblick Die Umsetzung und der Betrieb von Anlagen zur Energiegewinnung aus Abwasser wird zukünftig in Aufgabenteilung zwischen der EG und ihrer hundertprozentigen Tochtergesellschaft BETREM Emscher Brennstoffe GmbH durchgeführt. Die EG als Eigentümerin der im Abwasser befindlichen Wärme vermarktet diese über ihre Tochtergesellschaft BE- TREM. Aktuell in Umsetzung befinden sich die Wärmeversorgung eines Seniorensitzes in Dortmund und einer Schule in Oberhausen. Weitere Gespräche zur Nutzung der Energiequelle Abwasser zur Wärme- und Kälteversorgung von Gewerbestandorten sowie von Stadtquartieren an verschiedenen Standorten im Emscher und auch im Lippegebiet laufen, sodass das vielversprechende Potenzial weiter gehoben werden kann . Literatur [1] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Hrsg.: Merkblatt DWA-M 114. Energie aus Abwasser - Wärme- und Lageenergie, Hennef, 2009. [2] Mitsdoerffer, R. et al.: Zum Heizen und Kühlen gibt es Abwasser, wwt Wasserwirtschaft Wassertechnik, Heft 11-12 (2006), S. 8. [3] EG/ LV (2018): http: / / www.eglv.de/ wasserportal/ startseite/ . Stand: 16.04.2018 [4] Becker, M., Schumacher, R., Siekmann, M.: Zukunftsinitiative „Wasser in der Stadt von morgen“ - ein kooperationsorientierter Ansatz zur Verbesserung des Stadtklimas. In: Johannes Pinnekamp (Hg.): 51. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft. „Wasserwirtschaft im Umbruch“. Essen, 14.-16.03.2018. Aachen: Ges. zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen (Gewässerschutz - Wasser - Abwasser, 239), (2018) S. -03/ 01-03/ 12. Bild 8: Wärmepumpe; Blockheizkraftwerk mit neu geschaffenem Betriebsraum. © EGLV [5] EGLV: http: / / www.eglv.de/ emschergenossenschaft/ emscher-umbau/ . Stand: 16.04.2018 [6] EG/ LV: http: / / www.arcgis.com/ apps/ MapTools/ index.html? appid=4f3a0bb060204625ad0afcaf6def3 7f9. Stand: 16.04.2018 [7] Regionalverband Ruhr: Geodaten der Flächennutzungskartierung, Stand Juli 2007, Essen. [8] Wirtschaftsförderung metropoleruhr GmbH): Atlas der Gewerbe- und Industriestandorte Metropole Ruhr der Wirtschaftsförderung metropoleruhr GmbH, Stand Juli 2016, Essen. AUTOREN Dipl. Geograph Adrian Treis Technisches Hochwassermanagement Emschergenossenschaft Kontakt: treis.adrian@eglv.de Dr. Emanuel Grün Vorstandsmitglied Wassermanagement und Technische Services, Emschergenossenschaft Kontakt: gruen.emanuel@eglv.de Dipl.-Ing. Michael Becker Abteilungsleiter Wasserwirtschaft Emschergenossenschaft Kontakt: becker.michael@eglv.de