ABWASSERENERGIE Nutzungsmöglichkeiten einer wenig beachteten Energiequelle - September 2016 // DI Franz Zach - Energie aus Abwasser

ABWASSERENERGIE
Nutzungsmöglichkeiten einer wenig
beachteten Energiequelle

15. September 2016 // DI Franz Zach

ABWASSERENERGIE –
FORSCHUNGSTÄTIGKEITEN

• Forschungstätigkeit des Projektteams seit 2009
• Zwei vom Klima- und Energiefonds geförderte Forschungsprojekte:
• Energie aus Abwasser – Abwasserwärme- und Kältenutzung mittels
  hocheffizienter Großwärmepumpen (9/2009-11/2012)
    – Schwerpunkt: thermische Nutzung des Kanalabwassers
    – Partner: Ochsner, AEA, BOKU, Infrawatt, Fernwärme Wien
• Abwasserenergie – Die Kläranlage als regionale Energiezelle (4/2013-
  9/2016)
    – Schwerpunkt: Nutzung der Energieressourcen auf der Kläranlage,
      Anlagenoptimierung
    – Partner: AEA, BOKU, AIT, TU Graz, Infrawatt, Ochsner

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ABWASSER ALS ENERGIEQUELLE

• Abwasser kann auf viele Arten energetisch genutzt werden:
    – Abwasser ist eine Wärmequelle für Wärmepumpen wie z.B. Erdreich,
      Grundwasser, Außenluft
    – Klärgas ist eine Ressource mit hohem Potenzial, die noch besser genutzt
      werden kann.
    – Auf Kläranlagen besteht ein hohes Potenzial für Solar- und Windenergie
    – Klärschlamm ist eine noch viel zu wenig beachtete Ressource – wird
      derzeit als Abfall gesehen
    – Höhenunterschiede, v.a. im Ablauf von Kläranlagen, können zur
      Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden
• Einige Prozent des Wärmebedarfs könnten theoretisch aus Abwasser
  gewonnen werden.
• Weiters benötigen Kläranlagen knapp 1% des Strombedarfs.
  Effizienzsteigerungen sind damit von hoher ökonomischer und
  ökologischer Bedeutung.                                                       3

ABWASSERENERGIE – ENERGIEANGEBOT

•  Abwasser ist vielseitig energetisch nutzbar
• das größte Potenzial ist die thermische Nutzung von Abwasser
  mittels Wärmepumpen
    – Dabei handelt es sich um eine Niedertemperatur-Wärmequelle
    – Ganzjähriger gleichmäßiger Niedertemperatur-Wärmebedarf sorgt für
      optimale Effizienz und Wirtschaftlichkeit
    – Je größer die jährlich bereitgestellte Wärmeenergie, umso größere
      Entfernungen können mit Wärmenetzen wirtschaftlich überbrückt
      werden
    – Zwei Varianten: Kalte oder warme Nahwärme

• Klärgas kann sowohl zur Wärme- als auch zur Stromgewinnung
  genutzt werden (BHKW)

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ABWASSERENERGIE – ENERGIEVERBRAUCH

• Abwasserbeseitigung und -reinigung benötigen viel Energie.
• Der Großteil davon wird auf Kläranlagen benötigt.
• Fast 1% des österreichischen Strombedarfs werden dafür
  aufgewendet.
• Durch betriebliche Optimierungen sind teilweise hohe Einsparungen
  erzielbar.
• Oft geht es nur um Anpassung von Betriebszeiten – Low-Cost-
  Maßnahmen sind auch bei knappen Budgets schnell umsetzbar
• Auch zur externen Nutzung der Energieressourcen auf einer
  Kläranlage ist die Energieoptimierung wesentlich, damit die Höhe der
  Überschüsse optimiert wird.

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THERMISCHE NUTZUNG DES ABWASSERS IST
EINE BEWÄHRTE TECHNOLOGIE

• In der Schweiz und zunehmend auch in Deutschland
  existieren bereits hunderte Anlagen zur
  Energiegewinnung aus Abwasser, die ältesten aus den
  80er-Jahren
• In Österreich ist diese Energiequelle jedoch weitgehend
  unbekannt
• Abwasser kann nicht nur zur Wärme- sondern auch zur
  Kälteerzeugung verwendet werden

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THERMISCHE NUTZUNG – WIE KOMMT
MAN ANS ABWASSER?

• Im Abwasserkanal
   – Wärmetauscher im Kanal: bei kleinen Anlagen oft
     wirtschaftlicher, keine bewegten Anlagenteile
   – Externer Wärmetauscher: für große Leistungen, keine
     Einbauten im Kanal

                 Kanalwärmetauscher, Quelle: Uhrig         7

EXTERNE WÄRMETAUSCHER

Quelle: Huber             Quelle: Steinbeis

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THERMISCHE NUTZUNG – WIE KOMMT
MAN ANS ABWASSER?

• Beim Ablauf der Kläranlage
   – (Freistrom-)Plattenwärmetauscher
   – Rohrbündelwärmetauscher

                                 selbstreinigender Rohrbündel-Wärme-
                                 tauscher für den Ablauf der Kläranlage
                                 Quelle: Jaske und Wolf

• Gebäudeintern (Schwimmbäder, Wäschereien etc.)                          9

THERMISCHE ABWASSERNUTZUNG – KANAL,
KLÄRANLAGEN UND GEWÄSSER

• Einbauten im Kanal (z.B. Wärmetauscher) verringern die
  Durchflusskapazität des Kanals.
• Wärmenutzung vor der Kläranlage reduziert die
  Temperatur in der Kläranlage
• Kältenutzung erhöht die Temperatur der Gewässer
• Alle drei Effekte sind in gewissen Grenzen
  unproblematisch und müssen im Vorfeld ermittelt
  werden.
• Eine wasserrechtliche Bewilligung ist notwendig!

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BEISPIEL THERMISCHE NUTZUNG: AMSTETTEN

• Das Stadtwerkegebäude in Amstetten wird seit Oktober
  2012 mit Abwasserenergie geheizt und gekühlt.
• Ein 42 m langer Wärmetauscher befindet sich im Kanal.
  Die Heizleistung beträgt 209 kW, die JAZ 4,5.
• Eine Papierfabrik sorgt für warmes Abwasser.
• Die Amortisationsdauer beträgt ca. 11 Jahre.
• Die Anlage wird im laufenden Projekt gemonitort und
  optimiert.

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ABWASSERENERGIEANLAGE IN AMSTETTEN

Quelle: Ochsner

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ABWASSERENERGIEANLAGE IN AMSTETTEN

   Kanalwärmetauscher    Heizzentrale

                                        Heizzentrale
                                        Quelle: Ochsner

Kanalwärmetauscher
Quelle: Uhrig                                        13

ENERGIERAUMPLANUNG

• Das höchste Potenzial zur Abwasserenergienutzung liegt
  bei der Kläranlage.
• Kläranlagen liegen oft weitab von Wärmeverbrauchern.
• Daher ist die Wärmenutzung oft unwirtschaftlich.
• Die Raumplanung war bisher nicht auf die Nutzung von
  Energieüberschüssen auf der Kläranlage ausgerichtet.
• Gebiete mit hoher Wärmedichte werden identifiziert und
  mögliche Leitungswege aufgezeigt.
• Betriebe, möglichst mit ganzjährigem Niedertemperatur-
  Wärmebedarf (Trocknung, Gewächshaus…), sollten bei
  Kläranlagen angesiedelt werden.
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IM PROJEKT (WEITER-)ENTWICKELTE TOOLS

• Im Projekt wurden 3 Tools entwickelt, die frei zum
  Download auf www.abwasserenergie.at verfügbar sein
  werden.
• PNS – Prozess-Netzwerk-Synthese: Berechnet unter
  gegebenen Randbedingungen die (wirtschaftlich,
  ökologisch,…) optimale Systemkonfiguration
• Energiezonenplanung: Zeigt auf, wo Gebiete mit Potenzial
  zur Nutzung von Abwasserenergie vorhanden sind
• SPI – Sustainable Process Index: Berechnet den
  ökologischen Fußabdruck von Abwasserenergiesystemen
  im Vergleich mit anderen Wärmebereitstellungsarten
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KLÄRSCHLAMMTROCKNUNG UND -VERWERTUNG

• Klärschlamm gilt (derzeit) als Abfallprodukt – für die
  Entsorgung muss gezahlt werden.
• Getrockneter Klärschlamm ist jedoch eine Energieressource
  – bis zu 3 kWh/kg.
• Die Trocknung benötigt aber viel Energie.
• Nachhaltige Optionen sind solare Trocknung oder
  Trocknung mittels Abwärme, bzw.
  Niedertemperaturtrocknung mit Quelle Kläranlagenablauf.
• Bei Monoverbrennung könnte in Zukunft die
  Phosphorrückgewinnung Bedeutung erlangen.

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FALLBEISPIELE

• Ziele: Analyse der
   – Nutzung der Energieressourcen auf Kläranlagen auf der
     Kläranlage selbst und in deren Umfeld sowie
   – Möglichkeiten zur Optimierung der Kläranlagenprozesse
   – Ökonomische und ökologische Bewertung der
     untersuchten Optionen
• Fallstudien:
   – Freistadt
   – Gleisdorf
   – Hall/Tirol

                  Kläranlage Gleisdorf                       17

ANERGIENETZE

• Abwasserenergie kann auch mit verschiedensten anderen
  Energiequellen in einem Niedertemperatur-
  Nahwärmenetz (Anergienetz) genutzt werden, z.B.
  Abwärme von Solar-Hybridkollektoren, Bürokühlung,
  Luftwärmepumpen.
• Langzeitspeicher sorgen für Ausgleich zwischen
  sommerlichem Wärmeüberangebot und winterlichem
  Wärmeengpass
•  Forschungsprojekt „urban PV+geotherm“ (auf
  www.energyagency.at) am Beispiel Nordwestbahnhof in
  Wien 20.
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PROJEKTPARTNER

KONTAKT

DI Franz ZACH
Wissenschaftlicher Mitarbeiter

ÖSTERREICHISCHE ENERGIEAGENTUR
AUSTRIAN ENERGY AGENCY
—
Mariahilfer Straße 136 | 1150 Vienna | Austria
franz.zach@energyagency.at | www.energyagency.at

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