Wärmerückgewinnung aus Abwasser Ein Vortrag von Mareike Behrens und Lukas Failing 18.07.2012 Zur Veranstaltung „Ingenieurhydrologie“ SS-2012 Prof. Dr. rer. nat. M. Koch, Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie, Universität Kassel

Gliederung Grundlagen Wärmepumpe Anforderungen an die Wärmesenke Aufstellungsort Vor- und Nachteile Beispiele Fazit

Grundlagen Das Abwasser steckt voller Energie. Im Winter kann man daraus Wärme gewinnen, im Sommer damit kühlen. Die Abwassertemperatur schwankt über das Jahr zwischen 10°und 20°C Das Abwasser wird im Winter als Wärmequelle für einen Wärmetauscher genutzt. Durch eine Wärmepumpe wird die Energie für den Menschen nutzbar gemacht.

Wärmeübergänge in einem Kanalrohr Wärmeträger ist das Abwasser, folglich müssen die Wärmetauscher möglichst vorständig und dauerhaft damit bedeckt sein. Der Wärmeübergangskoeffizient ist maßgebend für die Energieausbeute der gesamten Anlage Wenn Wasser auf nach Wärmetauscher auf unter 8°C absinkt wird es sich über länger Distanzen wieder erwärmen – Wärmedurchgang durch Rohrwand

Wärmepumpe

Clausius Rankine Kreisprozess (linksläufig) 1 -> 2: Verdampfer: Kühlmittel verdampft, das Volumen nimmt zu, Druck bleibt jedoch gleich 2 -> 3: Verdichter: Volumen nimmt ab, Druck nimmt stark zu und das Kühlmittel wird heiß 3 -> 4: Kondensator: Kühlmittel gibt Wärme wieder ab, wird flüssig -> Volumen nimmt ab, Druck bleibt gleich. 4 -> 1: Drossel. Druck wird entspannt, dadurch kühlt sich das Kühlmittel weiter ab und Druck nimmt stark ab.

Wärmepumpe Eine effiziente Wärmepumpe hat einen Wert von 4, das heißt, dass das 4-fache von der Elektrischen Leistung in Heizenergie umgewandelt wurde Die JAZ bilanziert die komplette Hausheizungsanlage mit den über das Jahr und Nutzer verteilten Schwankungen

Bilanzgrenzen für Kennzahlen

Potenzial einer Wärmepumpe neben der Wärme im Abwasser steht weiterhin die Faulgasproduktion von ca. 0,6 kWh/m³ zur Verfügung. Durch Abwärmenutzung erhöht man den Energiegewinn um das 2,9 - fache

Anforderungen an die Wärmesenke Heizleistung von min. 150kW je näher am Kanal, desto geringer die Verluste Je stärker die Bebauungsdichte, desto größer die Abwassermenge Geringe Systemtemperaturen lassen COP – Wert steigen -> Fußbodenheizung monovalente Wärmeerzeugung nur selten allein -> daher besser bi- oder multivalente Aufstellung

Anforderungen an die Wärmesenke

Aufstellungsort Im Gebäude Kanalisation Nach einer Kläranlage Im Kanal Außerhalb des Kanals (Bypass) Vor einer Pumpstation (Vorlagebecken) Nach einer Kläranlage

Vorteile Nachteile Gebäude + relativ hohe Abwassertemperaturen + kurze Wärmetransportwege + kein Einfluss durch Niederschlag häufig große tageszeitliche Schwankungen im Abfluss Kanal + Ausreichende und kontinuierliche Wassermengen + Abwasserinhaltsstoffe homogenisiert - durch die Vermischung (meist auch Niederschlag) etwas abgekühlte Temperaturen Kläranlage + Hoher Durchfluss + Einfache Montage + Abkühlung zugunsten des Vorfluters - Wärmenutzer meist weit entfernt

Wärmetauscher im Kanal Huber TubeWin Wärmetauscher in die Kanalsohle integriert + Einbau im nachhinein möglich + Auch bei Niedrigwasserabfluss werden die Tauscherelemente überspült Verschmutzungen mindern den Wärmedurchgang Verkleinert den Rohrquerschnitt Anforderungen an den Kanal: Durchmesser etwa 1 Meter, Abfluss mind. 5 l/s Temperatur mind. 10°C Guter Zugang zum Kanal Kurze Verbindung zur Heizzentrale

Wärmetauscher im Kanal Rinnenwärmetauscher Als Vorfertigung oder als nachträglicher Einbau möglich + Keine Behinderung im Abfluss + Bei vollgefüllten Rohren Wärmetauscher über den ganzen Umfang verteilbar - Verschmutzungen mindern den Wärmeübergang Beton/Mörtel hat eine schlechte Wärmeübertragung

Wärmetauscher im Bypass Huber ThermWin ein Teilstrom aus dem Kanal wird entnommen und in ein Entnahmebauwerk geleitet. Über ein Sieb wird das Abwasser mit eine Förderpumpe oberirdisch in den RoWin-Wärmetauscher eingeleitet + Höherer Energieeintrag durch Vermeidung von Schmutzablagerungen auf dem Wärme- tauscher - Höherer Strom- verbrauch durch zusätzliche Pumpen

Wärmetauscher im Vorlagebecken einer Abwasserpumpe Um Höhendifferenzen im Kanalnetz zu überwinden, wird das Abwasser in einem Vorlagebecken gesammelt und von dort mit einer Pumpe auf ein höheres Niveau gebracht. + Einfache Erschließung, da i.d.R. guter Zugang + Geringere Investitionskosten - Nicht überall Vorlagebecken vorhanden Rohrwendel-Wärmetauscher

Fazit An Orten, die eine leichte Montage der Wärmetauscher ermöglichen und an denen ein hoher und kontinuierlicher Abfluss mit ausreichend hohen Abwassertemperaturen sicher gestellt ist, ist die Wärmerückgewinnung eine umweltfreundliche und recht günstige Möglichkeit Energie zu gewinnen.

Quellen Deutsche Bundesstiftung Umwelt Informationspakete Fa. Huber Skript Thermodynamik, Frau Prof. Jordan, SS 2011 www.wikipedia.org Wärmepumpe Kreisprozesse