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Wärmetauscher-Technologie Wie sich Wärme aus Abwasser sinnvoll nutzen lässt

| Redakteur: Alexander Stark

Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) arbeiten derzeit mit ihren Partnern an Lösungen zur Nutzung von Wärme aus Abwasser. Sie wollen die Effizienz der konventionellen Abwasserwärmenutzung erheblich steigern und bisher ungenutzte Abwärme aus Industrie- und Gewerbeabwässern einer sinnvollen Verwendung zuführen.

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Eine Software hilft einfach dabei, zu prüfen, für welche Gemeinde die neue Technik in Frage kommt. Im Bild: Philipp Müller (vorne) und Andreas Glöckner.
Eine Software hilft einfach dabei, zu prüfen, für welche Gemeinde die neue Technik in Frage kommt. Im Bild: Philipp Müller (vorne) und Andreas Glöckner.
(Bild: Koziel/TUK)

Kaiserslautern – Wenn in diesen Tagen wieder die Heizungen aufgedreht werden, haben Verbraucher mit Öl- und Gasheizungen oft den steigenden Preis dieser fossilen Rohstoffe im Blick. Eine dauerhaft kostengünstigere und klimafreundliche Alternative könnte in Zukunft Abwasser darstellen. Daran arbeiten Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) derzeit mit ihren Partnern. Sie befassen sich mit einem Konzept, das die konventionelle Abwasserwärmenutzung (AWN) weiterentwickelt. Ziel dabei ist es, die Effizienz der konventionellen AWN deutlich zu steigern, indem auch bislang ungenutzte industrielle und gewerbliche Abwärme Verwendung findet.

Buchtipp „Heat Transfer Technique“

Das etablierte Standardwerk „Heat Transfer Technique“ vermittelt nicht nur ausführlich die Grundlagen der Wärmeträgertechnik, sondern stellt auch aktuelle Technologien und Verfahren, Vorschriften und Standards vor. Thematisch wird das Buch durch eine umfangreiche Stoffdatensammlung sowie durch eine Vielzahl an Anwendungsberichten aus der Praxis abgerundet.

Es gibt viele Prozesse, bei denen ungenutzte Abwärme anfällt, wie dies beispielsweise bei der Produktion von Glas, Aluminium- und Stahlerzeugnissen der Fall ist. Professor Dr. Karsten Körkemeyer, der das Fachgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft an der TU Kaiserslautern leitet, erläutert, dass aktuell Unternehmen in der Regel viel Geld bezahlen würden, um diese Abwärme zu vernichten. Dabei gehe wertvolle Energie verloren. Es wäre daher sinnvoll, wenn diese überschüssige und bislang ungenutzte Wärme, die ohnehin schon bezahlt und produziert wurde, noch in einer weiteren Art und Weise genutzt werden könnte.

Genau mit dieser Fragestellung befassen sich Professor Körkemeyer, seine beiden Doktoranden Philipp Müller und Andreas Glöckner sowie ihre Projektpartner, das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Karlsruhe und der Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen AöR. Sie arbeiten an einem Ansatz, bei dem bisher ungenutzte industrielle beziehungsweise gewerbliche Abwärme gezielt auf das Abwasser übertragen, in der bestehenden Kanalisation „stromabwärts“ transportiert und schließlich genutzt wird.

Laut Körkemeyer gibt es Studien, die davon ausgehen, dass in Deutschland mithilfe der bisher praktizierten Abwasserwärmenutzung rund 10 % des gesamten Gebäudewärmebedarfs gedeckt werden könnte. Berücksichtigte man zudem die industrielle Abwärme, ließe sich dieses Potential nochmal deutlich steigern und sich so auf circa 27 % des gesamten Wärmebedarfs in Deutschland ausweiten.

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 Doktorand 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 die Forscher dazu verwenden, gibt es schon seit Jahren auf dem Markt. Die Komponenten müssten 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“, so Glöckner weiter.

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 laut Müller in der Regel wärmer. In der Folge wärmt sich das Medium auf. Hierbei handelt es sich in der Regel um Wasser oder eine Wasser-Glykolgemisch. Es gelangt über entsprechende Leitungen zur Wärmepumpe. Sie bilde das Herzstück einer modernen Heizungsanlage, so Müller. 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. Bei der Erschließung von neuen Wohngebieten könnte die neue Form der Wärmeversorgung etwa von Anfang an eingeplant werden. Die Kaiserslauterer Forscher arbeiten im Projekt unter anderem mit Innovatherm (Klärschlammverbrennung), dem Trianel Kohlekraftwerk Lünen und Aurubis(Kupferrecycling) zusammen. Nutzer der Abwärme sind in diesem Fall eine Behindertenwerkstatt der Caritas in Lünen und eine Liegenschaft des dortigen Bauvereins.

Bei diesem neuartigen Heizkonzept setzen die Forscher auf eine bereits bestehende Infrastruktur, die Abwasserkanäle, und nutzen diese als Wärmenetz.. Die Anbindung sei überall vorhanden, so 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. 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.

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 das eine Untersuchung für das komplette Gebiet erfolgen muss, was mit hohen Kosten verbunden wäre.

Glöckner erklärt, dass die Anfangskosten zunächst höher sein können als bei herkömmlichen Heiztechniken. Investitionen in Wärmetauscher und Wärmepumpen würden sich allerdings über die Zeit gesehen 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. Außerdem investiert man in ein sehr umweltfreundliches und CO2-armes Heizungssystem. Auch die Lebensdauer der Wärmetauscher sind mit rund 40 Jahren sehr hoch.

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

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