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Fachartikel
16. Januar 2020

Wasserversorgung

Trinkwasser ist auch eine Energiequelle

Wasserversorgungen leisten den wichtigsten Beitrag zur Versorgung der Bevölkerung und der Wirtschaft, nämlich die Abdeckung mit lebensnotwendigem Trinkwasser. Zukünftig wird eine CO2-neutrale Energieversorgung in der Schweiz und auf der ganzen Welt ebenfalls eine zentrale Rolle einnehmen. Durch die Nutzung der riesigen Wärmemengen aus dem Trinkwasser kann eine Wasserversorgung einen weiteren wichtigen Beitrag leisten, nämlich zur erneuerbaren Energieversorgung und zum Klimaschutz.
Ernst A.  Müller, Mauro Suà, Markus Sterchi, 

Seit bald 20 Jahren sind in der Schweiz Wärmeverbünde mit Grund-, Quell- oder Trinkwasser von Wasserversorgungen erfolgreich in Betrieb. Bei drei der vier folgenden Praxisbeispiele wird das Trinkwasser sowohl als Wärmequelle als auch als Lebensmittel genutzt [1]:

Wärmeverbünde mit Trinkwasser

– Grundwasserbrunnen: Münsingen, Baujahr 1996 (Endausbau 2010)
– Quellwasserleitung: Zürich-Wollishofen, Baujahr 1999
– Trinkwassernetz: Münsingen, Baujahr 2000
– Stillgelegte Grundwasserfassungen: Bellinzona, Baujahr 2019

Mit einem Wärmeleistungsbedarf von 1000 bis 2500 kW zählen drei Anlagen zu grösseren Wärmeverbünden, während die Anlage in Münsingen mit 270 kW Wärmeleistungsbedarf ein eher kleiner Wärmeverbund ist. Bei den Anlagen in Bellinzona und Münsingen und wurden monovalente Wärmepumpensysteme gewählt, in Zürich eine bivalente Anlage mit einer Erdgas-Spitzendeckung. Bei den meisten Anlagen ist die Distanz der Wärmeentnahme aus dem Trinkwasser zur Heizzentrale mit der Wärmepumpe sehr klein oder sogar am gleichen Ort, die Abnehmer befinden sich im näheren Umkreis. 

PRAxIsBEISPIEL: WÄRMEVERBUND BELLINZONA

Stilllegung der Grundwasserfassung

1906 wurden mitten in Bellinzona Grundwasserfassungen gebaut, die mehr als 100 Jahre zur Trinkwasserversorgung der Stadt genutzt wurden. Sie würden es noch heute, aber eine Schutzzone konnte im Stadtgebiet nicht ausgeschieden werden. Deswegen wird Grundwasser seit einigen Jahren ausserhalb der Stadt gefasst. Die alten Fassungen wurden deswegen nicht aufgegeben, sondern anders genutzt. Denn die Verantwortlichen schauten über den «Zaun» des Grundstückes und erblickten in unmittelbarer Nähe ein Stadion, ein Schulhaus, eine Turnhalle sowie Kindergärten. Was lag also näher, als den Aufbau eines Wärmeverbundes zu prüfen – zumal Bellinzona Energiestadt und damit der politische Wille für solche Energieprojekte vorhanden ist?

Von der Idee zur Realisierung

So erstellte die Azienda Multiservizi Bellinzona (AMB) 2014/15 eine Machbarkeitsstudie. Aus dieser ging hervor, dass das Pumpenhaus ausreichend Platz für die zusätzliche Installation der Heizzentrale bot und dass die Wärmeleitungen zu den Abnehmern sich relativ einfach über freies Gelände verlegen liessen. Die Ergebnisse bewogen die AMB, einen Wärmeverbund im sogenannten Contracting zu realisieren: also die Anlage zu planen, bauen, betreiben und auch zu finanzieren und die Wärme an die Abnehmer per Haus zu liefern bzw. zu verkaufen.
Bei den Eigentümern der nahen Gebäude kam das Wärmeverbund-Projekt gut an, Sie waren bereit, von Erdöl auf erneuerbare Energie umzusteigen, sofern der Wärmepreis stimmte, denn die Vorteile überzeugten: Nicht nur entfiel der Betrieb und Unterhalt ihrer Heizungen, sie mussten sie auch nicht mehr ersetzen und somit keine Investitionen mehr tätigen. Und nicht zuletzt war auch die saubere und sichere Wärmeversorgung ein Pluspunkt.

Technologie

Die Grundwasserpumpwerke liefern rund 18 000 l/min, aktuell werden erst 2200 l/min für den Wärmeverbund genutzt. Das 10 bis 12 °C warme Grundwasser wird in den Wintermonaten im Pumpenhaus über einen Wärmetauscher geführt, dort wird dem Wasser die notwendige Wärme durch Abkühlung um 2 bis 4 °C entnommen, die mit einem separaten Zwischenkreislauf den zwei Wärmepumpen zugeführt wird. Das leicht kühlere Grundwasser wird an anderer Stelle wieder in das Grundwasservorkommen gespiesen. Da die beiden Wasserkreisläufe vom Grundwasser und Wärmeverbund nie miteinander in Berührung kommen, ist die Gefahr einer Grundwasserverunreinigung ausgeschlossen.
Mit ihren je 510 kW Leistung bringen die zwei Wärmepumpen die gewonnene Wärmemenge auf Temperaturen von 60 °C und mehr, so kann bei den Abnehmern auch der Warmwasserbedarf gedeckt werden. In der Heizzentrale ist ein 12 m3 grosser Speicher untergebracht, der Warmwasser mit 70 °C aufnehmen kann. Dadurch müssen die Wärmepumpen weniger häufig eingeschaltet werden und erreichen höhere Laufzeiten. Zudem können dank der vermehrten Nutzung von Niedertarifzeiten die Stromkosten optimiert werden. Die Anlage wird monovalent betrieben, das heisst, die Wärmepumpen versorgen den gesamten Heizbedarf alleine, ohne Spitzenkessel. Die Leistungszahl, auch Coefficient of Performance oder kurz COP genannt, liegt angesichts der relativ hohen Vorlauftemperaturen bei 2,8. Diese gewonnene Wärme wird in isolierten Leitungen zu den Abnehmern gebracht, wo sie zum Heizen und für die Warmwasserversorgung genutzt wird. In den einzelnen Gebäuden braucht es keine eigene Heizung mehr, lediglich einen Wärmetauscher und einen Wärmezähler für die Heizkostenabrechnung.
In der Machbarkeitsstudie wurde auch die Möglichkeit der Kälteerzeugung untersucht. Aufgrund von fehlenden Kundenbedürfnissen und mangels eines Back-up-Systems wurde entschieden, darauf zu verzichten und bei der einfachen Wärmenetzlösung zu bleiben.

Erste Erkenntnisse

Grundwasserfassungen sind wertvolle Investitionen. Können sie nicht mehr für die Trinkwasserversorgung genutzt werden, so für die Wärmegewinnung. AMB konnte den Grossteil der Arbeiten mit Unterstützung der Firma evolve aus Bellinzona selbst ausführen. Dank der erneuerbaren Wärme aus dem Grundwasser können bei fünf Kunden jährlich 158'000 Liter Erdöl substituiert werden.
Bezüglich Wärmelieferung liegen noch keine längeren Erfahrungen vor, aber seit November funktioniert der Wärmeverbund gut. Weitere, darunter auch private Gebäude in der Nähe des Wärmenetzes haben ihr Interesse am Verbund bekundet, sie sollten in den nächsten Jahren angeschlossen werden. Die gemachten positiven Erfahrungen will AMB nun für weitere Wärmeverbund-Projekte nutzen.

BEDINGUNGEN FÜR EINE SINNVOLLE WÄRMENUTZUNG

Geeignete Wärmebezüger

Im Idealfall liegen neben dem Standort der Wärmegewinnung aus Trinkwasser ein oder mehrere grössere Gebäude mit mind. 150 kW Heizleistung (entspricht ca. 50 Wohneinheiten). So kann ein Wärmeverbund mit relativ kurzen Leitungen erstellt werden. Aber selbst, wenn Siedlungsgebiete mit dichter Überbauung einige Hundert Meter oder sogar ein bis zwei Kilometer entfernt liegen, kann ein Wärmeverbund wirtschaftlich sinnvoll sein. In diesen Fällen kann die vom Wärmetauscher gewonnene (Ab-)Wärme als sogenannte kalte Fernwärme in kostengünstigen Leitungen ins Siedlungsgebiet transportiert und dort mittels Wärmepumpen auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben werden. Dabei kann bei 1 MW Wärmeleistung über Land ca. 1 km Distanz zwischen Wärmegewinnung und Heizzentrale überwunden werden, bei 3 MW sogar 3 km Distanz. Besonders interessant als Wärmeabnehmer sind Neubaugebiete.
Gemeinden legen heute in der Planung fest, welche vorhandenen, ortsgebundenen Energiequellen prioritär genutzt werden sollen – sowohl für Neubaugebiete als auch für bestehende Siedlungsgebiete. Nach ortsgebundener Abwärme mit hohen Temperaturen (z. B. aus Kehrichtverwertungsanlagen) folgt bereits als zweite Priorität Wärme aus Abwasser und Trinkwasser vor dem kälteren Seewasser oder der noch kälteren Luft.

Wärmegewinnung aus Trinkwasserleitungen

Um den Heizbedarf von 150 kW decken zu können, braucht es einen langfristig gesicherten, kontinuierlichen Wasserzufluss von mind. 200 l/min. Die Wärmeübertragung auf einen separaten Wärmekreislauf kann an verschiedenen Stellen vorgenommen werden:
– Trinkwasserleitungen (meist im Siedlungsgebiet mit Wärmeabnehmern)
– Quellleitungen/Heberleitungen (sofern in der Nähe von Wärmeverbrauchern)
– Transportleitungen zwischen den Reservoiren
– Grund- oder Seewasserfassungen, die für Trinkwasserversorgung noch in Betrieb stehen oder die stillgelegt bzw. nur noch für Notfälle gebraucht werden
– Überlaufleitungen

NEUE GESCHÄFTSFELDER

Stadtwerke

Die meisten Stadtwerke, die sich mit Strom, Gas und Wasser usw. beschäftigen, bieten auch das sogenannte Contracting an, sei dies als Abteilung oder Tochterfirmen. Als interessanter Hauptzweig des Contractings haben sich Wärmeverbünde oder Fernwärme entwickelt. Das heisst, die Contractoren planen, realisieren und betreiben Wärmeverbünde und investieren bzw. finanzieren diese Anlagen auch. Die Einnahmen resultieren wie bei der Fernwärme aus den Abgaben der Abnehmer für die Wärmelieferung. Viele dieser Contractingfirmen von Stadtwerken haben schon zahlreiche Wärmeverbünde realisiert und betreiben sie, v. a. mit den Energiequellen Holz, KVA-Abwärme oder Abwasserwärme usw. Dabei beschränken sie sich schon längst nicht mehr auf ihr «eigenes» Einzugsgebiet, sondern betreiben das Geschäft auch regional oder sogar landesweit.
Da liegt es nahe, dass innerhalb der Stadtwerke sich die Zuständigen der Wasserversorgung mit ihrer Contractor­abteilung zusammensetzen und die möglichen Nutzungsvarianten mit einer Wärmegewinnung aus dem Trinkwasser diskutieren.

Wasserversorgung

Die meisten Wasserversorgungen in der Schweiz sind kommunal organisiert und nicht zwingend mit einem Energieversorger verbunden. Aber auch hier lohnt es sich, in einem ersten Schritt zu prüfen, ob Potenziale für eine Wärmenutzung vorhanden sind. Dann gibt es grundsätzlich drei organisatorische Varianten für die Realisierung:
– Die Wasserversorgung realisiert einen Wärmeverbund selbst, wenn ausreichend finanzielle Mittel vorhanden und die Bedingungen für eine Nutzung erfüllt sind. Falls entsprechendes Fachpersonal intern fehlt, werden spezialisierte Firmen für Wärmeverbünde damit beauftragt oder bei grösseren Vorhaben entsprechende Fachkräfte angestellt.
– Die Wasserversorgung kontaktiert verschiedene Contractoren, sucht sich einen geeigneten aus oder macht eine Ausschreibung. Dieses Vorgehen hat für die Wasserversorgung den Vorteil, dass sie weder Investitionen tätigen noch den Wärmeverbund selber betreiben muss.
– Die Wasserversorgung weitet ihr Geschäftsfeld aus und eröffnet eine Contracting-Abteilung oder -firma und realisiert eigene Wärmeverbünde.

Fazit

Wasserversorgungen verfügen über eine Energiequelle, die heute sehr gefragt ist. Neben der Variante Trinkwasserkraftwerk, die vor allem in bergigen Gebieten attraktiv sein kann, steht das noch grössere Energiepotenzial der Wärmenutzung im Mittelpunkt – ein Thema, das stark an Bedeutung zunimmt und noch zunehmen wird. Dabei gilt es, die Nutzung des Trinkwassers von der Quelle, über die Grundwasserpumpwerke, Trinkwasserleitungen oder neuen Grundwasserfassungen zu prüfen. Dies eröffnet den Wasserversorgungen zusätzliche Einnahmequellen und neue Geschäftsfelder. Zudem werden Wärmeverbünde durch die Stiftung KliK mit einem einfachen und planbaren Bewilligungsverfahren gefördert.
Mit der Nutzung ihres vorhandenen Energiepotenzials leisten Wasserversorgungen auf alle Fälle einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz.

Bibliographie

[1] Müller, E.A. et al. (2004): Energie in der Wasserversorgung – Ratgeber zur Energiekosten- und Betriebsoptimierung. Bundesamt für Energie, SVGW, Bern und Zürich
[2] Sterchi, M. (2003): Energie aus der Wasserversorgung und Kläranlage. InfraWerkeMünsingen. Münsingen
[3] Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (2010): Energienutzung aus Untergrund und Grundwasser. AWEL, Zürich
[4] Bundesamt für Umwelt (2009): Wärmenutzung aus Boden und Untergrund. BAFU, Bern

Vorteile dank Wärmenutzung

Die Idee, Trinkwasser aus dem öffentlichen Leitungsnetz zu Wärmezwecken zu nutzen, war 1998 nicht unumstritten, erinnert sich Markus Sterchi, Geschäftsführer der InfraWerkeMünsingen [2]. Bedenken wurden v. a. dahingehend geäussert, dass das Trinkwasser verunreinigt werden könnte. Rückblickend kann Sterchi als Verantwortlicher für die Wasser- und Energieversorgung nach 20 Jahren Betriebserfahrung jedoch klar belegen, dass diese Vorbehalte unbegründet waren. Die seit rund 20 Jahren in Betrieb stehenden Anlagen funktionieren nach wie vor einwandfrei – sowohl aus Sicht der Wasserversorgung als auch aus Sicht der Wärmebezüger. Im Gegenteil, die Wärmenutzung aus Trinkwasser weist sogar Vorteile auf:
– Die Trinkwasserqualität wurde dank der sorgfältigen Planung und dem umsichtigen Betrieb in keinster Weise und zu keinem Zeitpunkt beeinträchtigt. Stattdessen hat sich die Wasserhygiene sogar verbessert, da die Verminderung der Überkapazitäten durch den zusätzlichen Wasserverbrauch zu kürzeren Stillstandzeiten und Unterbrechungen führten und damit zu einer geringeren Gefährdung hinsichtlich Verunreinigungen.
– Die Wasserversorgung hat den Vorteil, dass sie vor allem im Winterhalbjahr aus Überschusswasser zusätzliche Wassermengen verkaufen konnte.
– Seitens der Wasserversorgung sind keine zusätzlichen Kosten für Investitionen, Unterhalt und Betrieb entstanden, diese wurden von der Energieabteilung bzw. dem Contracting übernommen, die sich durch die Wärmelieferung finanziert.
– Mit dem Ersatz von fossilen Brennstoffen konnten die damalig neuen Vorschriften der Luftreinhalteverordnung eingehalten werden. Heute sind es die gesetzlichen Grundlagen aus der Volksabstimmung über das Energiegesetz und die politischen Forderungen zum Klimaschutz und den CO2-Zielen.
– Trinkwasser ist gerade im Winter mit Temperaturen um die 10 °C für Wärmepumpen eine günstige Wärmequelle, sodass diese hohen Wirkungsgrade erreichen und damit kostengünstig arbeiten können.
– Wasserversorgungen sind für den Spitzenbedarf ausgelegt, der vornehmlich im Sommer auftritt. Im Winter betrug die Auslastung am Beispiel in Münsingen 1998 durchschnittlich 35%, maximal 50%. Im Winter bestehen also grosse Überkapazitäten, die sich zur Nutzung von Wärmezwecken anbieten. Wird dieser Anteil aus der Trinkwasserfassung alleine zu Wärmezwecken genutzt, so muss dieses nicht ins öffentliche Leitungsnetz zurückgeführt werden, sondern kann direkt in einen nahen Vorfluter abgeführt werden.

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