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Abwärmenutzung

Ein Zürcher Ingenieurbüro entwickelte ein System, das aus fliessendem Rohabwasser Wärme gewinnt. Rund 200 Standorte kommen in der Schweiz für eine wirtschaftliche Nutzung von Wärme aus ungeklärtem Abwasser in Frage.
3 % der in der Schweiz verbrauchten fossilen Brennstoffe könnten durch eine systematische Nutzung der im Abwasser enthaltenen Wärme substituiert werden. Ein kleiner Teil des immensen Potentials wird bereits heute genutzt, in mehr als 20 realisierten Anlagen, die dem gereinigten Abwasser – beim Auslauf der Kläranlage (ARA) – Wärme entnehmen und mittels Wärmepumpen Heizwärme produzieren. Weil viele Kläranlagen aber am Rand oder ausserhalb der Siedlungen liegen, hat diese Strategie Grenzen. Grosse Distanzen zu den Wärmeverbrauchern machen die Sache unrentabel. Indem die Wärme dem Abwasser vor der ARA - im Bereich der Kanalisation - entzogen wird, kann diesem Nachteil begegnet werden.
|Querschnitt durch einen Abwasserkanal mit Rabtherm-Wärmetauscher|
Wärmetauscher statt Steinzeugrinne
Dass die Wärmenutzung aus gereinigtem Abwasser derjenigen aus Rohabwasser bisher vorgezogen wurde, hat zwei Gründe:
„Warmes" Abwasser verbessert den Wirkungsgrad der biologischen Reinigung einer ARA. Der Betrieb einer Kläranlage wird immer auf eine bestimmte Temperatur (in der Regel zwischen 8°C und 12°C) ausgelegt. Eine starke Abkühlung des Abwasser durch Wärmenutzung vor der ARA könnte die Reinigungsleistung beeinträchtigen.
Geeignete Wärmetauscher, die einerseits nicht verschmutzen, andrerseits die Kanalisation nicht verstopfen, fehlten.
Wie Studien zeigen, ist das erste Problem kleiner als gemeinhin befürchtet: In einem ARA-Einzugsgebiet können kaum so viele Wärmeabnehmer gefunden werden, dass die Temperatur in der ARA merklich sinkt. Bivalent betriebene Wärmeversorgungen erlauben es ausserdem, im Bedarfsfall auf konventionelle Wärmeträger zurückzugreifen. Der zweite Punkt – ein geeigneter Wärmetauscher – ist seit kurzem ebenfalls gelöst. Entwickelt wurde der Abwasserwärmetauscher vom Zürcher Ingenieurbüro Studer + Partner. Das 3 m lange Chromstahl-Modul mit Namen Rabtherm (Rab steht für Rohabwasser) wird anstelle von konventionellen Steinzeugrinnen in die Sohle von Abwasserkanälen einbetoniert. Bis zu 100 Elemente können hintereinander geschaltet werden. Die Wärmeübertragungsleistung beträgt 4 kW/m. Die glatte Oberfläche und ein ausgeklügeltes, passgenaues Vorgehen beim Nivellieren und Zusammenfügen verhindern Ablagerungen, die den Wirkungsgrad des Tauschers und den Abfluss des Abwassers beeinträchtigen könnten.
Pilotanlage in Wipkingen
Die erste Grossanlage zur kommerziellen Wärmegewinnung aus Rohabwasser entsteht derzeit in Zürich-Wipkingen. Ein 200 m langer, in einen Abwasser-Sammelkanal eingebauter Wärmetauscher liefert rund 850 kW Leistung oder 40 % der Energie für die Wassererwärmung und Raumheizung von 800 teilweise bestehenden, teilweise neuen Wohnungen, Büroräumen, Läden und einem Restaurant. Damit werden 540'000 Liter Heizöl substituiert. Gebaut und betrieben wird die Anlage vom Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (EWZ) im Rahmen eines Contractings. Der Bund entrichtet Förderbeiträge von annähernd 400'000 Fr. Ein grosser Teil dieses Beitrages diente dem Aufbau eines Qualitätssicherungssystems.
|In Zürich-Wipkingen werden über einen Nahwärmeverbund 800 Wohnungen mit Wärme aus Rohabwasser beheizt.|
Fünf Voraussetzungen
Die Verhältnisse lagen in Wipkingen für Abwasserwärmenutzung aus der Kanalisation in mancher Hinsicht günstig:
Die städtische ARA Werdhölzli stimmte dem Bau der Anlage zu. Bedingung: das Wasser darf nicht unter 8°C abgekühlt werden. Da die Abwassertemperatur auch im Winter nie unter 12°C sinkt, bleibt genügend Temperaturdifferenz für einen wirtschaftlichen Wärmeentzug.
Die Wärmedichte im umliegenden Siedlungsgebiet ist gross. Grundsätzlich kommen Quartiere mit einem Wärmeleistungsbedarf über 500 kW pro Hektare in Frage(entspricht einem Wärmebedarf von 1000 MWh/a respektive ca. 100 Wohneinheiten).
Der Abwasserkanal weist einen Durchmesser von 1,5 m auf (mittlere Abflussleistung 105 l/s). Lohnend ist der Einbau von Rabtherm ab Dimensionen von 1 m.
Die Kanalisation musste ohnehin erneuert werden. Dadurch wurden in bedeutendem Masse Kostensynergien wirksam.
Die Wärmebezügerstruktur war einfach. Beteiligt sind nur 3 Parteien: zwei Baugenossenschaften sowie die Versicherungskasse der Arbeitnehmer des Kantons Zürich, welche die Überbauung des Gleiseinschnittes beim Bahnhof Wipkingen realisiert.
Urs Studer, Erfinder des Rabtherm, schätzt die Anzahl geeigneter Standorte für die Wärmenutzung aus Rohabwasser in der Schweiz auf gegen 200. Im Vordergrund stehen Städte und grössere Gemeinden. Allein die Stadt Zürich weist aufgrund der Auswertung des Kanalisationsnetzes und des Wärmekatasters gegen 40 in Frage kommende Standorte auf.
|Die Wärmetauscher liegen zum Einbau in die Kanalisation bereit.|
Finanzhilfen an Standortabklärungen
Die Wärmenutzung aus Rohabwasser ist standortgebunden und erfordert die Zusammenarbeit verschiedener Akteure. Um das bestehende Potential wirtschaftlich und systematisch auszuschöpfen, bedarf es einer Koordination durch die Gemeinde. Geeignete Gebiete müssen rechtzeitig erfasst und die potentiellen Wärmebezüger informiert werden. Als erste Gemeinde im Kanton Zürich hat die Stadt Winterthur in ihrem Energieplan 1998 Gebiete zur Wärmenutzung aus der Kanalisation ausgeschieden. Auf einer solchen Grundlage kann die Realisierung von Projekten zur Abwasserwärmenutzung mit anderen Infrastrukturaufgaben – insbesondere des Tiefbaus – koordiniert erfolgen. Allein in der Stadt Zürich werden jedes Jahr 10 km Kanalisation erneuert. Gleichzeitig müssen viele Wärmeerzeugungsanlagen aufgrund der Luftreinhalteverordnung saniert werden. Die rechtzeitige Evaluation geeigneter Standorte zur Abwasserwärmenutzung ermöglicht es, diese Gelegenheiten kostenwirksam zu nutzen. An die Abklärungen entrichtet der Bund Finanzbeiträge.
|Elementweise werden die Wärmetauscher eingebracht und justiert. Seitlich: Vor- und Rücklaufleitung. (IBA Stadt Zürich)|
Interessante Wärmegestehungskosten
Unter geeigneten Bedingungen führt die Wärmenutzung aus Rohabwasser zu wirtschaftlich interessanten Energiegestehungskosten. Im Falle des Wärmeverbundes Wipkingen verrechnet das EWZ den Bezügern die Wärme zu rund 8 Rp./kWh – Kosten, die mit denjenigen konventioneller Wärmeerzeugungsanlagen (Heizöl, Erdgas) durchaus konkurrenzieren können. Die Investition von 3,21 Mio. Fr. für den ganzen Wärmeverbund teilt sich folgendermassen auf: 21 % für die Wärmegewinnung aus Abwasser (Wärmetauscher, Zwischenkreislauf, Montage), 42 % für die Wärmeerzeugung (Wärmepumpe, Spitzenlastkessel, Speicher, Zentrale) und 37 % für die Wärmeverteilung. Betriebskosten verursacht die Wärmequelle praktisch keine: Der Energieverbrauch der Umwälzpumpen für den Zwischenkreislauf beträgt lediglich 6 % der gewonnenen Wärme. Vorteil: Von zukünftigen Energiepreisteuerungen und Energiesteuern wird die Wärmenutzung aus Abwasser wenig tangiert. Anstatt Energierohstoffe aus dem Ausland zu importieren, wird lokal vorhandene Abwärme genutzt. Ein Kapitalexport findet nicht statt.
Wärmeverbund Wipkingen, Technische Daten
|Länge Wärmeverbund||1’150 m|
|Angeschlossene Wohnungen||ca. 800|
|Wärmeleistungsbedarf||4,7 MW|
|Wärmebedarf||8,6 Mio. kWh/a|
|Anzahl Unterstationen||5|
|Ölkessel 1 und 2||4’070 kW|
|Wärmepumpen||2mal 625 kW|
|Leistung Wärmetauscher||847 kW|
|Länge Abwasserwärmetauscher||200 m|
|Technischer Speicher (Zentrale)||8 m3|
|Mankospeicher (Zentrale)||11,5 m3|
|Speicher dezentral||40 m3|
|Jahresarbeitszahl Wärmepumpe||2,9|
|Energie aus Abwasser||3,1 Mio. kWh/a|
|Investition Wärmeverbund total||3,21 Mio. Fr.|
|davon Wärmerzeugung inkl. Rabtherm||1,89 Mio. Fr.|
|Kosten Wärmetauscher||1'100 Fr./m|
|Kosten konventionelle Steinzeugrinne||500 Fr./m|
Beteiligte
|Bauherrschaft Abwasserkanal:|
|Tiefbau- und Entsorgungsdepartement der Stadt Zürich

Stadtentwässerung
Tiefbauamt der Stadt Zürich
|Projektleitung:|
|IBA, Departement der industriellen Betriebe der Stadt Zürich

Beatenplatz 2, 8023 Zürich
Tel. 01 216 50 12
|Betreiber und Wärmelieferant:|
|EWZ Elektrizitätswerk der Stadt Zürich

Tramstrasse 35, 8050 Zürich
Tel. 01 319 41 11
|Wärmebezüger:|
|Baugenossenschaft des eidgenössischen Personals

Baugenossenschaft Letten
Vesicherungskasse der Arbeitnehmer des Kantons Zürich
|Entwicklung Rabtherm:|
|Studer + Partner AG,

Beratende Ingenieure ETH/SIA
Albisriederstrasse 252 a
8047 Zürich
Tel. 01 401 07 22
© Felix Schmid, Oerlikon Journalisten, 1-9
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