Abwasserwärme Paderborn: Heizen und Kühlen aus dem Hauptsammler der Stadt

Wo in der Vergangenheit groß dimensionierte Gaskessel die Energieversorgung abdeckten, wird zukünftig städtisches Abwasser für die Temperierung sorgen. Am Standort „Am Hoppenhof 33“ überführt das Gebäudemanagement Paderborn (GMP) in enger Koordination mit dem Stadtentwässerungsbetrieb (STEB) eine Anlage in den Regelbetrieb. Die Maßnahme ist ein essenzieller Baustein der Paderborner Klimastrategie, die eine klimaneutrale Beheizung aller städtischen Gebäude bis 2035 vorsieht.

Dass die Wahl auf die Wärmequelle Abwasser fiel, liegt an der vorteilhaften Thermodynamik des Mediums, wie Sascha Modler, Projektleiter beim STEB, vor Ort erläutert. Die Erschließung erfolgt direkt unter der Münsterstraße im Hauptschmutzwassersammler (DN 1600), der das Abwasser eines Großteils der Stadt zur zentralen Kläranlage transportiert. Die individuell angefertigte Wärmetauscher-Technik Therm-Liner lieferte die Firma Uhrig Energie.

„Dieser Hauptsammler ist prädestiniert dafür, einen Wärmetauscher zu installieren, weil ein ständiger Abwasserfluss sowohl tagsüber als auch nachts gegeben ist“, ordnet Modler ein. Selbst in den Wintermonaten sinke die Abwassertemperatur in diesem Sammler selten unter 10 °C.

Christian von Drachenfeld, Uhrig Energie
Im Vergleich zu außenluftgeführten Wärmepumpen, die bei Minusgraden mit massiven Effizienzverlusten und Vereisungsproblemen zu kämpfen haben, bietet das Abwasser somit eine hochgradig stabile und warme Quelltemperatur. Im Sommer kann das Abwasser auf bis zu 18 bis 19 °C ansteigen.

Herausforderung beim Bau: Die Funktion des Hauptsammlers – die sichere Abwasserableitung eines Großteils der Stadt – durfte zu keinem Zeitpunkt gefährdet werden. Mit dem Einbau der Anlagenmodule war das spezialisierte Unternehmen Aarsleff beauftragt. Die Anlage erstreckt sich über eine komplette Kanalhaltung von 126 Metern Länge – eine komplexe Aufgabe, für die das Kanalbauwerk passgenau umgerüstet werden musste.

Um die Haltung für die Montagearbeiten temporär trockenlegen zu können, erklärt Sascha Modler, wurde zunächst ein Absperrschieber in den Anfangsschacht integriert. „Weiterhin kann der Schieber bei erforderlichen Kamerainspektionen oder Unterhaltungsmaßnahmen genutzt werden“, erläutert Modler. „Auch die Erzeugung einer Schwallspülung zur Reinigung der unterhalb liegenden Kanalabschnitte wurde bereits erfolgreich getestet.“

Aufgrund der geringen Abwassermenge (kein Fremdwasser, Sommerferien) konnte das anfallende Abwasser während der arbeitstäglichen Montagezeit des Wärmetauschers in einem Regenüberlaufbecken sowie im Hauptsammler aufgestaut und in den Nachtstunden zur Kläranlage abgeleitet werden. Bei größeren Abwassermengen hätte eine bereitgestellte Havariepumpe mit einer Leistung von 200 l/s das anfallende Abwasser aus dem Anfangsschacht bis in den Einleitschacht unterhalb der Einbaustrecke des Wärmetauschers übergepumpt.

Meistens können die bestehenden Schächte für den Einbau genutzt werden. Da in diesem Fall aber die Einbringung der großen Edelstahlmodule für den Wärmetauscher über die regulären Normschächte nicht realisierbar war, wurde exakt in der Mitte der Haltung ein neuer Zwischenschacht errichtet. In den meisten Fällen können die bestehenden Schächte genutzt werden. Hierfür musste der Kanal im Vorfeld halbseitig aufgeschnitten und das neue Schachtbauwerk passgenau um den Bestandskanal herum betoniert werden.

Über diesen Zwischenschacht konnte das Aarsleff-Team die Modulteile in die Kanalsohle einbringen. Der Endschacht der Haltung fungiert als Notausstieg.

Parallel zum Kanalbau erfolgte außerdem die Anbindung an das rund 380 Meter entfernte städtische Verwaltungsgebäude Am Hoppenhof 33. In offener Bauweise wurden zwei Kunststoffrohrleitungen (PEHD, DN 250) als Vor- und Rücklaufleitungen verlegt. Ergänzt wurde die Trasse durch zwei Leerrohre (DN 160) für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Um die Querung der Münsterstraße (L813) zu realisieren wurden die Leitungen und Leerrohre im Spülbohrverfahren eingezogen.

Die Sensorik ist unerlässlich für die Anlagenüberwachung: Im Anfangs- und Endschacht erfassen Temperatursonden permanent die Temperaturdifferenz (Delta-T) vor und nach der Wärmeauskopplung. Zudem wurde im Anfangsschacht eine Durchflussmessung installiert, um die Entzugsleistung der Wärmepumpe automatisiert an die Durchflussmenge im Hauptsammler anzupassen. Zusätzlich, so Modler, sollen durch die Messtechnik die Betriebsdaten erfasst und ausgewertet werden, um die gewonnenen Erkenntnisse bei zukünftigen Projekten nutzen zu können.

Das mittelständische Unternehmen Uhrig Energie aus Baden-Württemberg gilt in dieser hochspezialisierten Nische Abwasserwärmetechnik weltweit als technologischer Pionier. Bei dem Therm-Liner-System in Paderborn handelt es sich um eine Maßanfertigung aus 88 Einzelmodulen aus Edelstahl. „Der Wärmeübertrager ist hochgradig individuell auf die Kanalgeometrie, die Abwassermenge und die geforderte Entzugsleistung angepasst“, erklärt Christian von Drachenfels von Uhrig Energie.

Die Herstellung der Module, sagt von Drachenfels, basiert auf modernster Schweißtechnik: Zwei Edelstahlbleche werden flächig aufeinandergelegt und per Laser punkt- und nahtverschweißt. Anschließend wird der Zwischenraum unter hohem hydraulischem Druck definiert aufgeblasen. So entstehen Hohlräume und Strömungskanäle durch die das Wärmeträgermedium – in diesem Fall ein Wasser-Glykol-Gemisch – mäandriert.

Die Module liegen formschlüssig in der Kanalsohle, während das Abwasser darüber hinwegfließt. Der thermische Entzugsprozess ist exakt kalkuliert: Im Auslegungsfall für den Winter (Spitzenlast) wird die Sole von der Wärmepumpe mit exakt 1,5 °C in den Vorlauf des Wärmetauschers gepumpt.

Beim Durchströmen der 126 Meter langen Strecke nimmt die Sole die Energie des mindestens 10,5 °C warmen Abwassers auf und verlässt den Wärmetauscher im Rücklauf mit 7 °C. Dieses Delta-T von 5,5 Kelvin liefert der Wärmepumpe die benötigte Verdampfungsenergie.

Der Wärmetauscher ist so konstruiert, dass er dem Abwasser eine Nennleistung von 600 kW entzieht. Die Module gelten als grundsätzlich wartungsfrei. Von Drachenfels erläutert: „Das System kann im Idealfall Jahrzehnte im Kanal im Betrieb verbleiben. Der Edelstahl hält dem Abwasser stand.“ Zudem erklärt der Uhrig-Experte: „Es bildet sich auf dem System ein Biofilm. Dieser wird bei größeren Abwassermengen und schnelleren Fließgeschwindigkeiten, also zum Beispiel bei Regenfall, wieder reduziert.“

In der Heizzentrale des Verwaltungsgebäudes Am Hoppenhof übernehmen Sole-Wasser-Wärmepumpen mit einer Nennleistung von 800 kW den Temperaturhub. Alexander Krenke (GMP) erläutert das hydraulische Konzept: „Wir erzeugen mit der Wärmepumpe einen Temperaturhub des Quellmediums von den 6,5 °C aus dem Kanal auf eine nutzbare Netzvorlauftemperatur von bis zu 55 °C.“

Um das System effizient betreiben zu können, wurde die Gebäudehydraulik der 18.000 Quadratmeter großen Liegenschaft grundlegend saniert. Die Vorlauftemperatur der statischen Heizflächen konnte von vormals 65 °C auf maximal 55 °C abgesenkt werden. In der Übergangszeit greift das System auf eine großflächige Betonkerntemperierung des Gebäudes zurück, die mit noch deutlich niedrigeren Systemtemperaturen auskommt.

Die Heizkörper und Heizregister für die Lüftungsanlagen für das Gebäude wurden so angepasst, dass diese im Winter mit maximal 55°C Vorlauftemperatur die benötigte Leistung beziehungsweise Temperatur erbringen.

Krenke rechnet im Betrieb der neuen Anlage mit einem COP (Coefficient of Performance) von 4. Das bedeutet, dass aus einem Teil elektrischer Antriebsenergie und drei Teilen Umweltenergie aus dem Abwasser insgesamt vier Teile nutzbare Heizwärme generiert werden. Die Anlage läuft strikt monovalent – die Abwasserwärmepumpe heizt und kühlt das Gebäude also das ganze Jahr über zu 100 Prozent.

Die Technik von Uhrig ist seit 2007 auf dem Markt etabliert, und das Unternehmen verzeichnet europaweit rund 140 umgesetzte Anlagen. Doch aufgrund des Marktes konnte ihr Potenzial lange Zeit nicht ausgeschöpft werden. Dabei wäre die technische Machbarkeit nicht nur vorhanden, sondern ebenso bereits bewiesen gewesen.

Das Marktgefüge wird in erster Linie von den Preisen reguliert, das gilt auch für Energie und dafür nötige Technik, wie von Drachenfels erläutert. Die jahrzehntelange Dominanz von sehr günstigem Erdgas ließ kapitalintensivere Erneuerbare-Energien-Projekte kaum zu.

Mit dem rasanten Anstieg der fossilen Energiepreise, der sich erhöhenden CO₂-Bepreisung und der verpflichtenden kommunalen Wärmeplanung hat sich das Marktumfeld allerdings grundlegend gewandelt. Abwasserwärme konkurriert nun auf Augenhöhe mit Erdwärmesonden oder Flusswasserwärmepumpen – und spielt gerade im verdichteten urbanen Raum eine zunehmend stärker werdende Rolle.

Wo für Luftwärmepumpen im Megawatt-Bereich Stellflächen in der Größe von Seecontainern nötig wären und hohe Schallemissionen die Genehmigung erschweren würden, verbleibt die Infrastruktur der Abwasserwärme unsichtbar und lautlos unter der Erde – da sind sich Alexander Krenke und auch Christian von Drachenfels einig.

Theoretisch ließen sich in Deutschland bis zu 15 Prozent des Heizwärmebedarfs im Gebäudesektor (was der Versorgung von vier bis zwölf Millionen Menschen entspricht) aus dem Abwasser decken. Dabei profitiert die Technologie von einer klaren juristischen Definition: Abwasserwärme ist keine industrielle „Abwärme“, sondern gilt nach der europäischen Erneuerbare-Energien-Richtlinie sowie dem nationalen Gebäudeenergiegesetz (GEG) als anerkannte Umweltenergie. Damit ist sie förderfähig und wird bei der Berechnung der Klimaziele vollständig angerechnet.

Dennoch gebe es weiterhin politischen Handlungsbedarf, insbesondere was den Wissenstransfer und verbindliche Ausbauziele anginge, sagt von Drachenfels. Während das Geothermiebeschleunigungsgesetz den Ausbau von Erdwärme massiv forciert, bliebe eine zeitgleich im Bundestag eingebrachte Entschließung für ein dediziertes Abwasserwärmegesetz bislang nicht weiterbearbeitet.

Umso relevanter erscheinen realisierte Projekte wie in Paderborn. Sie beweisen, dass die Nutzung der Abwasserwärme, die dazugehörige Technik und Bauprozesse reif für den Markt sind, sofern Kanalnetzbetreibende, Energieplanende und Kommunen pragmatisch und lösungsorientiert zusammenarbeiten. Christian v. Drachenfels: „Das ist hier wirklich ein Stück Energiewende, und zwar absolut minimalinvasiv.“

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