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Fachartikel
10. Oktober 2020

Argumentarium

Nutzung der Wärme von Abwasser

Das nachfolgend vorgestellte Argumentarium Abwasserwärmenutzung vor der Abwasserreinigungsanlage (ARA) basiert auf der detaillierten Analyse von Grundlagedaten von über 40 ARA in der deutsch- und französischsprachigen Schweiz. In den letzten 40 Jahren wurden zahlreiche Abwasserwärmenutzungsanlagen erstellt. Dennoch wird heute die Abwasserwärme vor der ARA bzw. in deren Auslauf nur in einem Bruchteil der über 700 schweizerischen Kläranlagen genutzt. Das vorliegende Argumentarium soll einen Beitrag zur Förderung der Nutzung vor der ARA leisten.
Andreas  Hurni 

Abwasser ist eine einheimische, sichere – auch langfristig gesehen – und erneuerbare Energiequelle. In der Rückgewinnung und Nutzung von Wärme aus Abwasser schlummert ein grosses Potenzial, das heute noch vielfach vergessen wird (Fig. 1). Die Abwasserwärme kann entweder direkt aus Rohabwasser bei einer grösseren Abwasserquelle (z. B. einem Spital oder einer Schule) oder im Kanal vor der ARA genutzt werden oder schliesslich aus dem gereinigten Abwasser im Auslauf der Kläranlage. In der Schweiz gibt es rund 300 Abwasserwärmenutzungsanlagen bei grösseren Abwasserquellen (sogenannte Inhouse-Nutzungen), rund 30 bis 40 Anlagen im Kanal vor der ARA sowie rund 100 Anlagen in deren Auslauf (Fig. 1). In der Schweiz gibt es über 700 ARA. Es gibt also noch zahlreiche Kläranlagen, in deren Einzugsgebiet die Abwasserwärme nicht genutzt wird.
Das Abwasserwärmenutzungspotenzial ist bei einer Nutzung an der Abwasserquelle am kleinsten, im Kanal vor der ARA in der Regel schon deutlich höher und im Auslauf der Kläranlage mit Abstand am grössten. Zugleich nimmt aber oft die Nähe zu potenziellen Wärmekunden zu, da Kläranlagen meist etwas abseits der Siedlungsgebiete liegen.
Verschiedene Kantone haben Leitfäden für die Abwasserwärmenutzung erarbeitet, so z. B. das Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kantons Zürich [1]. Darin sind unter anderem Vorgaben betreffend zulässiger Temperaturdifferenzen oder Minimaltemperaturen des Abwassers festgehalten. Die detaillierte Analyse der Abwassertemperaturen und Ammoniumkonzentrationen zeigt nun, dass zwischen Abwassertemperaturen und Ammoniumkonzentrationen oft kein direkter Zusammenhang vorliegt und daher mehr Spielraum für die Nutzung der Abwasserwärme, insbesondere vor der ARA, besteht.

KONTINGENTE für ABWASSERWÄRMENUTZUNG

Für die Berechnung der Abwasserwärmenutzungskontingente im Kanal vor der ARA und im Auslauf der ARA werden u. a. folgende Daten und Informationen berücksichtigt bzw. analysiert:
– Abwassermenge: sofern vorhanden im Einzugsgebiet der ARA, mindestens jedoch im Ein- und/oder Auslauf der ARA. Es werden möglichst Minutenwerte berücksichtigt. So werden u. a. die mittlere Trockenwetterabflussmenge, aber auch die Schwankungen im Tagesverlauf ermittelt.
– Abwassertemperaturen im Ein- und/oder Auslauf der ARA: Es werden die Summenhäufigkeitswerte und die mögliche Abkühlung in Kelvin unter Verwendung der entsprechenden Formel im AWEL-Leitfaden bestimmt.
– Ammoniumwerte: Die Einleitgrenzwerte werden mit den effektiv gemessenen Werten verglichen und die Daten statistisch ausgewertet.

Aus diesen Angaben lassen sich anschliessend die Abwasserwärmenutzungskontingente berechnen und festlegen. Ab einem nutzbaren Kontingent von 100 kW lohnt es sich, eine mögliche Nutzung der Abwasserwärme zu prüfen. Das detaillierte Vorgehen kann dem Bericht «Abwasserwärmenutzung im Kanton Aargau» [2] bzw. dem AWEL-Leitfaden [1] entnommen werden.
Die nutzbaren Kontingente sind im Auslauf der Kläranlage aufgrund der wesentlich höheren nutzbaren Temperaturdifferenz deutlich grösser als im Kanal vor der ARA. Da eine Nutzung der Abwasserwärme vor der Kläranlage negative Auswirkungen auf die Reinigungsleistung der ARA haben kann, wird diese oft kritisch betrachtet. Es gibt jedoch gute Gründe, auch diese Option zu prüfen, auch wenn z. B. die Abwassertemperaturen zeitweise unter den Schwellenwert von 10 °C fallen. Die Argumente für eine Abwasserwärmenutzung vor der ARA werden nachfolgend erläutert.

 

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ARGUMENTARIUM NUTZUNG VOR ARA

Klimaerwärmung

Wegen der Klimaerwärmung sind die Grundwasser- und Oberflächenwassertemperaturen in den letzten Jahrzehnten bereits deutlich angestiegen. Die Zunahme betrug beim Grundwasser in der Periode 1980 bis 2000 zwischen 0,5 und 0,7 °C pro Dekade, im Rhein bei Basel gut 2 °C seit 1960 (Fig. 2). Dieser Trend dürfte sich in den nächsten Jahrzehnten fortsetzen. Er läuft parallel zur Erhöhung der Lufttemperaturen und indirekt auch zu höheren Boden- und Abwassertemperaturen. Die üblicherweise geringe Abkühlung des Abwassers bei einer Nutzung vor der ARA (oft 0,5 bis 1 °C) wird also innerhalb von 10 bis 20 Jahren durch die Klimaerwärmung kompensiert und damit auch die allfälligen negativen Auswirkungen auf die Reinigungsleistung der ARA.

Leistungsreserven der ARA

Die meisten untersuchten Kläranlagen weisen namhafte Leistungsreserven auf (biologisch und hydraulisch). Dadurch fallen die Auswirkungen einer Abwasserwärmenutzung vor der ARA auf deren Reinigungsleistung oft geringer aus als erwartet.

Reduktion Fremdwasser und Abtrennung Regenwasser

In vielen ARA-Einzugsgebieten sinkt der Anteil des Fremdwassers, d. h. des unverschmutzten Wassers, das in die Kanalisation gelangt. Ausserdem wird in Gebieten, die im Mischsystem entwässert werden, das Regenwasser vermehrt abgetrennt, versickert oder zurückgehalten (Retention) und somit zeitlich verzögert ins Oberflächengewässer eingeleitet. Diese beiden Trends führen tendenziell zu einer Erhöhung der Abwassertemperaturen und vergrössern damit die Leistungsreserven der ARA.

Wiedererwärmung des Abwassers

Erfolgt die Abwasserwärmenutzung vor der ARA in grösserer Entfernung zur ARA, kann die Abkühlung des Abwassers durch die Wiedererwärmung teilweise bis vollständig kompensiert werden. Dafür reichen oft bereits wenige Kilometer Fliessweg. Unterhalb der Abwasserwärmenutzungsanlage liegende Abwasser-zuflüsse können ebenfalls zu einer Kompensation der Abkühlung beitragen.

Ammoniumkonzentrationen und CSB-Frachten

Neben der Abwassertemperatur wird für die Dimensionierung der ARA u. a. der 85%-Summenhäufigkeitswert der CSB-Fracht (CSB = chemischer Sauerstoffbedarf) herangezogen. Gemäss der eidgenössischen Gewässerschutzverordnung (GSchV, SR 814.201) muss der 90%-Summenhäufigkeitswert der Ammoniumkonzentrationen den Einleitgrenzwert einhalten. Es werden also 10 bis 15% Überschreitungen der CSB-Fracht bzw. der Ammoniumkonzentrationen toleriert. Bei einer kongruenten Anwendung der Dimensionierungsgrössen müsste also auch bei den Abwassertemperaturen (vgl. mit der vorgängig erwähnten 10 °C-Grenze) ein entsprechender Spielraum bestehen.

Resultate der Datenanalyse ARA Kanton Aargau

Die Analyse der Daten von 30 grösseren Kläranlagen im Kanton Aargau zeigte, dass die Einleitgrenzwerte für Ammonium auch bei Temperaturen von deutlich unter 10 °C klar eingehalten werden. Eine Nitrifikation ist also auch bei tieferen Abwassertemperaturen gewährleistet. Demzufolge ist die Abwassertemperatur nicht die allein entscheidende Kenngrösse für die Ammonium-Ablaufwerte (Fig. 3).

10 °C-Grenze

Bei der Abwasserwärmenutzung vor der ARA wird oft vorgeschrieben, dass eine Nutzung nur bei Abwassertemperaturen von über 10 °C zulässig ist. Die detaillierte Analyse der Daten von über 40 Kläranlagen ergab jedoch, dass bei fast der Hälfte der Kläranlagen kein Zusammenhang zwischen Abwassertemperatur und Ammoniumwerten im gereinigten Abwasser besteht, bei den anderen ist die Abhängigkeit wesentlich kleiner als gemäss der verwendeten Formel [1] zu erwarten wäre (). Es zeigte sich, dass die 10 °C-Grenze eine reine Dimensionierungsgrösse ist. Sie ist deshalb für die Beurteilung der Abwasserärmenutzung nicht bzw. kaum relevant.
Überdies sinken die Abwassertemperaturen auch ohne Abwasserwärmenutzung natürlicherweise bei fast allen untersuchten Kläranlagen für einzelne oder mehrere Tage pro Jahr unter 10 °C.
Bei der Erarbeitung des AWEL-Leitfadens [1] wurde die 10 °C-Grenze eingehend diskutiert. Nur bei bivalenter Auslegung der Heizzentrale der Abwasserwärmenutzung ist eine Abschaltung effektiv möglich. Eine Abschaltung macht gestützt auf die in diesem Artikel vorgebrachten Argumente auch wenig Sinn.

CHANCEN DER ABWASSERWÄRMENUTZUNG

Betreiber von Abwasserreinigungsanlagen sind gehalten, die vom Kanton vorgegebenen Einleitgrenzwerte einzuhalten. Die Abwasserreinigung ist ihre Kernaufgabe. Die Nutzung der Abwasserwärme wird im Vergleich dazu als weniger wichtig erachtet.
Die kantonalen Gewässerschutzämter streben ein optimales Funktionieren der Kläranlagen an und zeigen deshalb verständlicherweise wenig Flexibilität, wenn es um die Nutzung der Abwasserwärme vor der ARA geht.
Die klima- und energiepolitischen Ziele der Schweiz (Stichworte Netto-Null-CO2-Emissionen bis 2050, massive Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energien) verlangen im Zusammenhang mit der Abwasserwärmenutzung jedoch eine vertiefte Abwägung von Chancen und Risiken. Es gilt, möglichst sämtliche verfügbaren Potenziale an erneuerbaren Energien auszuschöpfen.
Wie die im vorliegenden Artikel präsentierten Argumente zeigen, sind die Risiken einer Nutzung der Abwasserwärme vor der ARA deutlich kleiner als vielfach erwartet. Es besteht somit auch ein grösserer Spielraum für die aus klima- und energiepolitischer Sicht sinnvolle Abwasserwärmenutzung vor der ARA.
Mindestens eine Bagatellgrenze für die Abkühlung um 0,5 K gemäss DWA-Merkblatt M 114 (siehe Box ; [5]) sollte berücksichtigt werden, sofern die Kläranlage die Einleitgrenzwerte einhält. Denn diese kleine Temperaturdifferenz wird – wie vorgängig erläutert – innerhalb von etwa 10 Jahren durch die Klimaerwärmung und die damit verbundene Erhöhung der Abwassertemperaturen kompensiert. Das Risiko für den ARA-Betreiber und die Gewässerschutzbehörde ist für diese Lösung sehr bescheiden, etwas mehr Mut bei der Bewilligungspraxis wäre also angezeigt. Wird das gereinigte Abwasser der ARA in einen grossen Vorfluter eingeleitet, besteht noch wesentlich mehr Spielraum für die Abwasserwärmenutzung im Kanal vor der Kläranlage, wie die Beispiele aus dem Kanton Aargau zeigen.

Bibliographie

[1] Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich (2010): Heizen und Kühlen mit Abwasser, Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung. Downloadlink: www.ara.zh.ch/abwaerme. Projektleitung: Ryser Ingenieure AG, B. Kobel
[2] Departement Bau, Verkehr und Umwelt des Kantons Aargau (2015): Abwasserwärmenutzung im Kanton Aargau, Potenziale in den Einzugsgebieten geeigneter Abwasserreinigungsanlagen, Technischer Bericht. Bearbeitung durch Ryser Ingenieure AG, A. Hurni. Download: https://www.ag.ch/media/kanton_aargau/bvu/dokumente_2/umwelt__natur___landschaft/umweltschutzmassnahmen_1/abwasserreinigung_1/afu_bericht_abwasserwaermenutzung.pdf
[3] Kunz, M.; Schindler Wildhaber, Y.; Dietzel, A. (2016): Zustand der Fliessgewässer. Ergebnisse der Nationalen Beobachtung Oberflächenwasserqualität (NAWA) 2011–2014. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Zustand Nr. 1620: 87 S.
[4] Müller, E.A.; Kobel, B. et al. (2010): Energie in ARA, Leitfaden zur Energieoptimierung auf Abwasserreinigungsanlagen. Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute und Bundesamt für Energie
[5] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2020): DWA-Regelwerk, Merkblatt DWA-M 114 Abwasserwärmenutzung

Überarbeitetes DWA-Merkblatt M 114 «Abwasserwärmenutzung»

Aktuell laufen in ganz Europa die klimapolitischen Diskussionen über «Netto-Null 2050» und somit die Frage, wie die Substitution von fossilen Energieträgern möglichst effizient und wirtschaftlich erfolgen kann. Es lässt sich feststellen, dass im Rahmen dieser Diskussionen die «eigene» und «unter unseren Füssen abfliessende» erneuerbare Wärmequelle Abwasser oft gar nicht ins Auge gefasst, geschweige denn in Betracht gezogen wird.
Im überarbeiteten und im April 2020 neu erschienenen Merkblatt DWA-M 114 «Abwasserwärmenutzung» (DWA: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.) wird der Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser ein Potenzial – ausgehend vom Angebot – zur Beheizung von ca. 10% aller Gebäude in Deutschland zugesprochen. Dabei wurde von folgendem gesamtheitlichen Ansatz ausgegangen: Wärmenutzung zu einem kleineren Anteil aus dem Kanal vor ARA und zu einem grösseren Anteil im Auslauf der Kläranlage.

Antrieb zur Überarbeitung

Das erste Merkblatt DWA-M 114 erschien im Jahre 2009 und basierte somit auf Erfahrungen, die bereits mehr als 15 Jahre zurückliegen, als es in Deutschland noch sehr wenige realisierte Anlagen gab. Deshalb war es der zuständigen Arbeitsgruppe und der DWA selbst ein grosses Anliegen, das Merkblatt zu aktualisieren und die gesammelten Erfahrungen aus zahlreichen realisierten Anlagen allen Interessierten zugänglich zu machen. Dabei standen insbesondere folgende Fragestellungen im Vordergrund:
– Wie kann die Abwasserwärmenutzung aktiv gefördert und umgesetzt werden?
– Gibt es besondere Hemmnisse?
– Wie funktionieren die in den letzten Jahren erstellten Anlagen und können diese als Praxisbeispiele genutzt werden?
– Wie können diese Anlagen zum Kühlen und Heizen kombiniert werden?
– Wie wirkt sich die Abkühlung des Abwassers auf die Reinigungsleistung der ARA aus, wenn die Abwasserwärmenutzung vor der ARA (im Kanal) realisiert wird?

Was ist neu?

Wegen des neuen Titels «Abwasserwärmenutzung» wurde der Teil über die Lageenergie im Abwasser und somit die Möglichkeit der Stromproduktion mit Wasserkraftanlagen komplett gestrichen.
Im Anhang A wurden die deutschen Anlagen, die der Arbeitsgruppe bekannt waren, mit Baujahr, Einbauort, Wärmeübertragertyp, Ort, Leistung und Nutzungsart aufgeführt, damit von den Erfahrungen aus diesen fast 90 realisierten Anlagen profitiert werden kann.
Um die Umsetzung weiter zu fördern, wurde eine allgemeine Bagatellgrenze für die Abwasserwärmenutzung vor der ARA definiert: Resultiert im Zulauf zur ARA in der Summe aller Wärmeentnahmen im gesamten Einzugsgebiet eine Abkühlung von weniger als 0,5 K, so gilt dies für die Kläranlage als unkritisch. Übersteigt die aus den Abwasserwärmenutzungsanlagen resultierende Abkühlung des Abwassers im Zulauf zur ARA die 0,5 K oder wird der Temperaturgrenzwert von 12 °C (Überwachungswert für die Anforderungen für Ammoniumstickstoff und Gesamtstickstoff im Anhang 1 der Abwasserverordnung in Deutschland) häufig unterschritten, so ist eine Einzelfallprüfung vorzunehmen, damit die Nutzung der Abwasserwärme nicht mit einer erhöhten Einleitung von Ammoniumstickstoff in das Gewässer einhergeht. Aufgrund dieser Einzelfallprüfung kann dann für die ARA ein sogenanntes Kontingent definiert werden.
Aktuell stellt sich diese Frage ganz konkret in einer grossen deutschen Stadt, die eine Abwasserwärmenutzung im Zulauf zu einer ARA prüft, deren Temperaturgrenzwert von 12 °C bereits heute ohne Abwasserwärmenutzung während bis zu 2000 Stunden pro Jahr unterschritten wird. An diesem Fall wird sich die Anwendbarkeit und Praxistauglichkeit des überarbeiteten Merkblatts DWA-M 114 überprüfen lassen.

Praxisbeispiele

In Deutschland wurde die grösste Anlage zur Abwasserwärmenutzung aus dem Kanal mit 2,1 MW Entzugsleistung über den Wärmeübertrager in der baden-württembergischen Landeshauptstadt Stuttgart realisiert.
In der Schweiz werden aktuell diverse Abwasserwärmenutzungsanlagen im Auslauf der ARA mit grossen Wärmepumpenleistungen (WP-Leistung) realisiert:
– ARA Werdhölzli: 8 MW WP-Leistung (Energieverbunde Altstetten und Höngg)
– ARA Neuhausen: 4,5 MW WP-Leistung
– ARA Worblental: 4,5 MW WP-Leistung
– Limeco: 1,1 MW WP-Leistung

Beratungsangebot

Der Verein InfraWatt bietet im Auftrag des BFE kostenlose und neutrale Beratungen zum Thema Abwasserwärmenutzung für ARA und Gemeinden an: www.infrawatt.ch (Ansprechperson: Ernst A. Müller)

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