Forscher wollen das Kanalisationsnetz gleichzeitig zu einem Wärmenetz machen.

Bild: Pixabay, Arcaion

Neuartiges Heizkonzept Wärme aus Abwasser zum Heizen nutzen

27.11.2019

Die kalte Jahreszeit ist angebrochen, viele Verbraucher drehen ihre Öl- und Gasheizungen auf. Eine günstigere und umweltfreundlichere Alternative zu fossilen Brennstoffen wäre Abwärme aus industriellen Prozessen. Mit Wärmetauschern wollen Forscher diese nun aus Abwasser gewinnen.

In den Wintermonaten haben Verbraucher mit Öl- und Gasheizungen oft den steigenden Preis dieser fossilen Rohstoffe im Blick. Eine dauerhaft kostengünstigere und klimafreundlichere Alternative könnte in Zukunft Abwasser darstellen. Daran arbeiten Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern derzeit mit ihren Partnern. Sie befassen sich mit einem Konzept, das die konventionelle Abwasserwärmenutzung weiterentwickelt und deren Effizienz deutlich steigern soll, indem auch bislang ungenutzte industrielle und gewerbliche Abwärme Verwendung findet.

Abwärme nutzen statt vernichten

Es gibt viele Prozesse, bei denen ungenutzte Abwärme anfällt. Dazu gehört beispielsweise die Produktion von Glas, Aluminium- und Stahlerzeugnissen. „Aktuell zahlen Unternehmen in der Regel viel Geld, um diese Abwärme zu vernichten. Dabei geht wertvolle Energie verloren“, sagt Prof. 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 Körkemeyer, seine beiden Doktoranden Philipp Müller und Andreas Glöckner sowie ihre Projektpartner, das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI und der Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen AöR. Sie arbeiten an einem Ansatz, bei dem bisher ungenutzte industrielle und 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“, berichtet Körkemeyer. „Berücksichtigte man zudem die industrielle Abwärme, ließe sich dieses Potenzial noch mal deutlich steigern und so auf circa 27 Prozent des gesamten Wärmebedarfs in Deutschland ausweiten.“

Zwei Varianten zur Wärmeübertragung

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 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“, erklärt Glöckner.

Funktionsweise der Wärmetauscher

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, in der Regel Wasser oder ein Wasser-Glykolgemisch, auf. Es gelangt über entsprechende Leitungen zur Wärmepumpe. Laut Müller bildet sie „das Herzstück einer modernen Heizungsanlage“. 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. Werden beispielsweise neue Wohngebiete erschlossen, könnte die neue Form der Wärmeversorgung von Anfang an eingeplant werden.

Aus Abwasserkanälen wird Wärmenetz

Die Forscher der TU Kaiserslautern arbeiten im Projekt unter anderem mit den Firmen Innovatherm (Klärschlammverbrennung), Aurubis (Kupferrecycling) und dem Trianel-Kohlekraftwerk Lünen 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“, erklärt Körkemeyer. 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.

Online-Rechner für Gemeinden

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 laut Müller wenige Minuten und auch nur ein paar Daten. Ist das Ergebnis positiv, lässt sich im Anschluss eine Machbarkeitsstudie durchführen, ohne dass das komplette Gebiet kostenintensiv untersucht werden muss.

„Die Anfangskosten können zunächst höher sein als bei herkömmlichen Heiztechniken“, gibt Glöckner zu bedenken. Langfristig sollen sich Investitionen in Wärmetauscher und Wärmepumpen allerdings lohnen: Zum einen sind Verbraucher unabhängiger von der Preisentwicklung fossiler Brennstoffe, zum anderen sind die Betriebskosten in der Regel deutlich geringer als bei vergleichbaren Heizungsanlagen. Auch die Lebensdauer der Wärmetauscher ist mit rund 40 Jahren vergleichsweise hoch.

Pilotprojekt in Vorbereitung

Das Projekt InnoA2 – Innovative Abwasserwärmenutzung durch Wärmeverteilung über die Kanalisation wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. In der ersten Projektphase haben die Wissenschaftler der TU Kaiserslautern 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 so weit abgeschlossen sein, dass im Anschluss die bauliche Realisierung erfolgen kann.

Bildergalerie

  • Philipp Müller, Prof. Dr. Karsten Körkemeyer und Andreas Glöckner (von links nach rechts) befassen sich mit der neuen Heiztechnik.

    Bild: Thomas Koziel, TU Kaiserslautern

  • Mit einer Online-Software können Gemeinden schnell prüfen, ob die neue Technik für sie in Frage kommt. Im Bild: die Doktoranden Philipp Müller (vorne) und Andreas Glöckner.

    Bild: Thomas Koziel, TU Kaiserslautern

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