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Gastbeitrag / Joachim Kelz / Dienstag 31.05.22

Abwas­ser als zukünf­ti­ge erneu­er­ba­re Ener­gie­quel­le für die Dekar­bo­ni­sie­rung der Ener­gie- und Wärmeversorgung

Die Not­wen­dig­keit der Abkehr von fos­si­len Brenn­stof­fen wird uns aktu­ell nicht allei­ne durch den Kli­ma­wan­del, son­dern auch durch geo- und ener­gie­po­li­ti­sche Ent­wick­lun­gen bewusst gemacht. Eine rasche und voll­stän­di­ge Dekar­bo­ni­sie­rung des Wär­me­sek­tors und der Schritt hin zu 100% Erneu­er­ba­ren stellt dabei eine gro­ße Her­aus­for­de­rung dar.

Um den erneu­er­ba­ren Anteil in der Fern­wär­me­ver­sor­gung von aktu­ell rund 50% rasch zu erhö­hen, müs­sen nach­hal­ti­ge Wär­me­quel­len – nach Mög­lich­keit lokalen/regionalen Ursprungs – inte­griert wer­den. Neue tech­ni­sche Kon­zep­te sind dafür zu ent­wi­ckeln und zu demons­trie­ren, um sie dann zur Markt­rei­fe zu brin­gen. Hier bie­tet die dezen­tra­le Nut­zung der Abwär­me im Abwas­ser in urba­nen Gebie­ten mit hoher Dich­te an Ver­brau­chern und damit hohen Wär­me­be­darf sehr gute Mög­lich­kei­ten, eine neue und bis jetzt viel­fach unge­nutz­te Wär­me­quel­le zu erschließen.

Abwas­ser als Wärmequelle

Die Abwär­me­nut­zung aus Abwas­ser ist auf­grund der ganz­jäh­ri­gen Ver­füg­bar­keit sowie deren Tages­cha­rak­te­ris­tik (Mor­gen- und Abend­spit­ze ähn­lich des Wär­me­ver­brauchs) eine viel­ver­spre­chen­de Wär­me­quel­le (Tem­pe­ra­tur Abwas­ser: rund 8 – 20 °C je nach Jah­res­zeit). Die­se kann für bestehen­de oder neu zu errich­ten­de Wär­me­net­ze, für die Hei­zung und Küh­lung von Gebäu­den und Quar­tie­ren sowie Indus­trie­area­len genutzt wer­den. Die Nut­zung die­ses Poten­ti­als in Kom­bi­na­ti­on mit spe­zi­el­lem Wär­me­tau­scher und Wär­me­pum­pen­lö­sun­gen stellt eine neue und inno­va­ti­ve Form der Wär­me­rück­ge­win­nung dar. Lösun­gen für Kühl­an­wen­dun­gen wer­den in zukünf­ti­gen Ener­gie­s­ze­na­ri­en immer wich­ti­ger und kön­nen durch die Abwär­me­nut­zung aus Abwas­ser eben­falls rea­li­siert wer­den. Im Zuge des Leit­pro­jek­tes Ther­ma­FLEX[1] wur­den detail­lier­te Kon­zep­te zur Abwär­me­nut­zung aus unter­schied­li­chen Abwas­ser­quel­len, wie z.B. direkt aus dem Kanal als auch nach der Klär­an­la­ge entwickelt.

Nut­zung des Abwas­sers für die Wär­me­ver­sor­gung im urba­nen Bereich

 

Das Kon­zept wur­de spe­zi­ell dar­auf aus­ge­legt, das bestehen­de Abwär­me­po­ten­ti­al aus dem Kanal in das Fern­wär­me­sys­tem zu inte­grie­ren und basiert auf der Ent­nah­me des Abwas­sers direkt aus dem Kanal und nach­fol­gen­der Wär­me­über­tra­gung durch Wär­me­tau­scher. Dabei wird das Abwas­ser dem Kanal in einem Ent­nah­me­schacht über eine Bypass-Lösung ent­nom­men und dient zur Über­wa­chung und Sicher­stel­lung der Rei­ni­gung und War­tung im Kanal. Die nach­fol­gen­den Ein­hei­ten umfas­sen eine inte­grier­te Sieb­tech­nik zur Abwas­ser­rei­ni­gung und ein ent­spre­chen­des Spei­cher­sys­tem zum Aus­gleich von Schwan­kun­gen. Anschlie­ßend wird dem gerei­nig­ten Abwas­ser mit­tels Wär­me­tau­scher (z.B. Edel­stahl­rohr­bün­del­wär­me­tau­scher) die Abwär­me ent­zo­gen. In einem wei­te­ren Schritt heben Wär­me­pum­pen das Tem­pe­ra­tur­ni­veau auf das not­wen­di­ge Niveau zur Ein­spei­sung in das bestehen­de Wär­me­netz (Vor­lauf­tem­pe­ra­tu­ren zwi­schen 65 und 90 °C) der Stadt Wien.

Nut­zung des Abwas­sers für die Wär­me- und Käl­te­ver­sor­gung einer Unternehmenszentrale

 

Die ener­ge­ti­sche Nut­zung des Abwas­sers zum Hei­zen und Küh­len der neu­en Unter­neh­mens­zen­tra­le von Wien Kanal in Wien-Blu­men­tal wur­de durch eine Kom­bi­na­ti­on aus Wär­me­tau­scher- und Wär­me­pum­pen­sys­te­men mit intel­li­gen­tem Moni­to­ring ent­wi­ckelt und Ende 2021 rea­li­siert. Nach einer detail­lier­ten Ana­ly­se der Abwas­ser­kon­di­tio­nen und Kanal­kon­fi­gu­ra­ti­on wur­den die ein­zu­set­zen­den Wär­me­tau­scher­ele­men­te hin­sicht­lich der Anfor­de­run­gen an die jewei­li­gen Ener­gie­men­gen spe­zi­fi­ziert. Die auf die vor­herr­schen­den Bedin­gun­gen vor­kon­fi­gu­rier­ten Wär­me­tau­scher­ele­men­te wur­den direkt in den bestehen­den Abwas­ser­ka­nal­strang über eine Län­ge von rund 80 Metern inte­griert. Dadurch wird die nach­hal­ti­ge Wär­me- und Käl­te­ver­sor­gung sicher­ge­stellt. Die zu erfül­len­den Anfor­de­run­gen sind die Bereit­stel­lung von maxi­mal 450 kW für Hei­zung und Warm­was­ser­auf­be­rei­tung sowie maxi­mal 500 kW für die Kühlung.

Ein zen­tra­les Ele­ment hier­bei war die Ent­wick­lung eines inno­va­ti­ven Moni­to­ring- und Steue­rungs­kon­zep­tes, wel­ches in die­ser Form erst­mals in Öster­reich im Ein­satz ist. Es wur­de umfang­rei­che Sen­so­rik und Mess­tech­nik instal­liert, um die Tem­pe­ra­tu­ren vor und nach den Wär­me­tau­schern, die Füll­stän­de im Kanal, die Druck­ver­hält­nis­se in den Lei­tun­gen sowie die Durch­fluss­men­gen zu erfas­sen. Über das Moni­to­ring­sys­tem erfolgt einer­seits die Kon­trol­le des lau­fen­den Betrie­bes, ande­rer­seits wird damit der Ein­fluss auf den Kanal­be­trieb (Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen, Hydrau­lik, Füll­stand) beob­ach­tet und analysiert.

Sek­tor­kopp­lung der Klär­an­la­ge mit der Fernwärme

 

Die Sek­tor­kopp­lung der Fern­wär­me mit der Klär­an­la­ge wur­de als wesent­li­ches Ele­ment bei der stra­te­gi­schen Ent­wick­lungs­pla­nung des Wär­me­net­zes der Stadt Gleis­dorf iden­ti­fi­ziert und stellt die Start­maß­nah­me für die Imple­men­tie­rung eines „Ener­gy Hub” am Stand­ort der Klär­an­la­ge dar. Das Kon­zept lie­fert in der ers­ten Aus­bau­stu­fe ab Som­mer 2022 rund 4.000 MWh ther­mi­sche Ener­gie aus dem gerei­nig­ten Klär­an­la­gen­ab­was­ser (Wär­me­quel­le für eine Wär­me­pum­pe) und aus dem vor­han­de­nen Bio­gas, wel­ches zukünf­tig eben­so voll­stän­dig für die Wär­me­ver­sor­gung genutzt wird. Dies hat einen wich­ti­gen posi­ti­ven Effekt im Hin­blick auf eine effi­zi­en­te Res­sour­cen­nut­zung und Kreis­lauf­wirt­schaft, da das Abfa­ckeln von Bio­gas (Über­schuss) ver­mie­den wird. Durch die­se Ein­bin­dung wer­den rund 1.000 to CO2 jähr­lich ein­ge­spart. Das neue Wär­me­sys­tem der Stadt Gleis­dorf basiert zukünf­tig weit­ge­hend auf erneu­er­ba­ren Ener­gie­quel­len aus Bio­mas­se, Solar­ther­mie, Abwär­me aus Abwas­ser und Biogas.

Aus­blick und Multiplikationspotential

In Öster­reich gibt es meh­re­re tau­send Kana­li­sa­ti­ons­ein­hei­ten sowie hun­der­te Klär­an­la­gen in unter­schied­li­cher Grö­ße mit nutz­ba­ren Abwas­ser­po­ten­tia­len. Dadurch ergibt sich eine sehr hohes Mul­ti­pli­ka­ti­ons­po­ten­zi­al in vie­len öster­rei­chi­schen aber auch euro­päi­schen Städ­ten und Regio­nen sowie Indus­trie­be­rei­chen für die Abwär­me­nut­zung aus Abwas­ser als erneu­er­ba­re Ener­gie­form. Aktu­ell könn­ten in Öster­reich bis zu 24 Pro­zent, davon ins­ge­samt 10–14 % durch Nut­zung vor der Klär­an­la­ge und 6 – 10 % nach der Klär­an­la­ge, der Gebäu­de mit die­ser Tech­no­lo­gie umwelt­freund­lich beheizt wer­den. Die exer­ge­tisch sinn­vol­le Nut­zung von Abwas­ser kann somit einen wich­ti­gen Bei­trag zur Dekar­bo­ni­sie­rung des Wär­me­sek­tors und zum Kli­ma­schutz bzw. zur Ener­gie­wen­de bei­tra­gen. Mit dem Pro­gramm Ener­gie aus Abwas­ser för­dert der Kli­ma- und Ener­gie­fonds in Öster­reich aktu­ell die Gewin­nung von Ener­gie aus Abwas­ser aus Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Kli­ma­schutz, Umwelt, Ener­gie, Mobi­li­tät, Inno­va­ti­on und Tech­no­lo­gie (BMK).

 

 

[1] Das Leit­pro­jekt Ther­ma­FLEX wird aus Mit­teln des Kli­ma- und Ener­gie­fonds geför­dert und unter dem Schirm des Green Ener­gy Lab als Teil des Pro­gramms „Vor­zei­ge­re­gi­on Ener­gie“ durchgeführt.

Kurzportrait

Joa­chim Kelz ist wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter bei AEE – Insti­tut für Nach­hal­ti­ge Tech­no­lo­gien in Gleis­dorf, wel­ches ange­wand­te For­schung auf dem Gebiet erneu­er­ba­rer Ener­gie und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz betreibt und Mit­glied von Aus­tri­an Coope­ra­ti­ve Rese­arch – ACR ist. Nach dem Diplom­stu­di­um an der FH Bur­gen­land im Bereich Ener­gie- und Umwelt­ma­nage­ment arbei­te­te er rund 13 Jah­re im COMET-Kom­pe­tenz­zen­trum BEST – Bio­en­er­gy and Sus­tainab­le Tech­no­lo­gies GmbH. In sei­ner For­schung behan­delt Joa­chim Kelz aktu­ell The­men rund um die kli­ma­neu­tra­le Wär­me- und Käl­te­ver­sor­gung im Nah- und Fern­wär­me­be­reich und zukünf­ti­ger Ener­gie­sys­te­me. Aktu­el­ler Schwer­punkt sei­ner Arbei­ten sind die Ent­wick­lung und Demons­tra­ti­on von indi­vi­du­el­len Ein­zel­tech­no­lo­gien sowie Sys­tem­lö­sun­gen rund um die Fra­ge­stel­lung wie Fern­wär­me­net­ze fle­xi­bler und effi­zi­en­ter gestal­tet wer­den und ohne fos­si­le Ener­gie­trä­ger aus­kom­men kön­nen. Im Fokus ste­hen dabei bei­spiel­haf­te Demons­tra­to­ren in klei­nen, mitt­le­ren und gro­ßen Fern­wär­me­ver­sor­gungs­ge­bie­ten und Städ­ten, wel­che im Rah­men des Groß­for­schungs­ver­bun­des Ther­ma­FLEX wis­sen­schaft­lich beglei­tet und in der Pra­xis umge­setzt werden.

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