Borken im westlichen Münsterland will künftig gereinigtes Abwasser als Wärmequelle für öffentliche Gebäude nutzen. Über einen Wärmetauscher wird dem Ablauf der Kläranlage Umweltenergie entzogen und über ein rund 1,6 Kilometer langes kaltes Nahwärmenetz zu Schule, Kreishaus und weiteren Liegenschaften transportiert. Dezentrale Großwärmepumpen heben die dort ankommende Temperatur bedarfsgerecht auf das jeweils erforderliche Niveau – ein Ansatz, der Abwasserwärme, Speicher und flexible Stromnutzung zu einem Modell für die kommunale Wärmewende verbindet.
Geplant ist, dem gereinigten Abwasser am Ablauf der Kläranlage Borken über einen Wärmetauscher thermische Energie zu entziehen. Das gereinigte Abwasser hat eine Temperatur von durchschnittlich 15,5°C, im Winter sind es in der Regel nicht unter 10°C.
Die dezentrale Wärmeerzeugung ist ein entscheidender Punkt bei unserem Konzept
Markus Niehaus
Projektentwickler Stadtwerke Borken
Der Durchfluss beträgt im Schnitt rund 660 Kubikmeter pro Stunde. Ein kaltes Nahwärmenetz transportiert die Umweltenergie anschließend zu den angeschlossenen Gebäuden, wo dezentrale Großwärmepumpen das etwa 8 bis 15 °C warme Wasser auf das jeweils zum Heizen benötigte Temperaturniveau anheben.
"Die dezentrale Wärmeerzeugung ist ein entscheidender Punkt bei unserem Konzept", erklärt Markus Niehaus, Projektentwickler Stadtwerke Borken. "Wir haben uns anfangs gefragt: Warum sollte Wärme über ein klassisches Fernwärmnetz zentral auf hohe Temperaturen gebracht werden? Es ist doch viel besser, wenn Wärmepumpen das direkt im Gebäude bedarfsgerecht übernehmen."
Bedarfsgerecht heißt in diesem Fall: Jede Liegenschaft, ob Schule oder Kreishaus, bekommt genau die Temperatur, die sie tatsächlich benötigt, die zum jeweiligen Heizsystem, zur Dämmung oder zur Nutzung passt. Entsprechend richtet sich die Temperaturabsenkung am Klärwerkablauf nach dem jeweiligen Wärmebedarf der angeschlossenen Gebäude. Ist er im Winter hoch, kann das Abwasser um bis zu 5°C abgekühlt werden. Luft nach oben gibt es auch noch: Das Wärmeangebot der Kläranlage übersteigt den Bedarf der angeschlossenen öffentlichen Liegenschaften deutlich.
Ruhigere Schaltvorgänge
Um die Wärme zeitversetzt ans Gebäude abgeben zu können, sind zusätzlich Pufferspeicher installiert. "So entkoppeln wir Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch. Die Wärmepumpen müssen nicht jeder Lastspitze folgen. Sie laufen länger, ruhiger und mit weniger Schaltvorgängen." Eine intelligente Steuerung sorgt zudem dafür, dass sich der Betrieb an fluktuierende Strompreise und die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien anpasst. Sind die Preise niedrig, laufen die Wärmepumpen und laden den Speicher auf. Sind die Strompreise hoch, wird zuerst die gespeicherte Wärme verbraucht.
Das kalte Nahwärmenetz, das die Umweltenergie zu den Gebäuden transportiert, ist rund 1,6 Kilometer lang. Es hat für sich auch nochmal Vorteile, so Niehaus. Statt Stahlrohrsysteme, wie sie bei Fernwärmenetzen aufgrund der hohen Wassertemperaturen nötig sind, werden Polyethylenleitungen verlegt. Das reduziert die Investitionskosten, und die Wärmeverluste sind gering. Das kalte Nahwärmenetz bildet zudem keine "starre Infrastruktur", sondern ist flexibel erweiterbar. Zu einem späteren Zeitpunkt lassen sich weitere regenerative Quellen - Geothermie, Grundwasser, Solarthermie, industrielle Abwärme - ohne Probleme einbinden.
Konstante Temperatur dank Mikroorganismen
Wer Abwasserwärme nutzen will, steht erstmal vor der Grundsatzfrage: Wo findet der Wärmeentzug statt? Niehaus erklärt, warum die Wärme erst nach der vollständigen Abwasserreinigung entnommen wird und nicht schon vorher im Kanalnetz. "Dort ist es zwar ein paar Grad wärmer. Schaut man sich das Gesamtsystem an, ist aber die Entnahme nach der biologischen Reinigung wirtschaftlicher und betriebssicherer." Die Mikroorganismen, die beim biologischen Reinigungsprozess organische Stoffe im Abwasser abbauen, geben durch ihre Stoffwechselaktivität kontinuierlich Wärme ab. Die dabei entstehende Reaktionswärme kompensiert einen Teil der Wärmeverluste, die auf dem Weg durch die Kläranlage entstehen.
Dadurch bleibt die Temperatur des gereinigten Abwassers konstant. Optimal für den wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpen, denn je konstanter Temperatur und Volumenstrom sind, desto gleichmäßiger arbeiten sie. Die Jahresarbeitszahl als Kernkennzahl für die Effizienz erhöht sich dadurch. Für die Wärmeentnahme am Ablauf spricht auch, dass die Funktionalität des Klärwerks dadurch nicht beeinträchtigt wird. Würde dem Wasser die Wärme dagegen bereits im Kanalnetz entzogen, wäre die Reinigungsleistung der Mikroorganismen schlechter. Bei niedrigerer Abwassertemperatur verlangsamt sich ihr Stoffwechsel.
Baubeginn für den Abwasserwärmetauscher, das PE-basierte kalte Nahwärmenetz sowie die Wärmepumpenanlagen in den angeschlossenen Gebäuden ist vorbehaltlich der weiteren Genehmigungs- und Vergabeverfahren für Ende 2027, Anfang 2028 vorgesehen. Spätestens Mitte Juni 2030 soll der Betrieb starten. Das Investitionsvolumen beträgt rund 10,5 Millionen Euro. Rund 6,1 Millionen Euro werden im Rahmen der Bundesförderungprogramms für Modellkommunen bereitgestellt. Die Stadt Borken, der Kreis Borken und die Stadtwerke Borken teilen sich die Fördermittel entsprechend ihrer Aufgaben. Der Kreis baut die Wärmepumpe im Kreishaus und die Stadt die in der Gesamtschule. Die Stadtwerke übernehmen den Bau des kalten Wärmenetzes und die Wärmeentnahmeanlage am Klärwerk.
Kombination entscheidend
Welche grundsätzliche Sicht auf die kommunale Wärmewende hat Niehaus? Nicht einzelne neue Technologien entscheiden über den Erfolg, es geht vielmehr darum, bestehende Systeme zu einem wirtschaftlichen und flexiblen Gesamtsystem zu vernetzen. "In diesem Sinne hat unser Projekt Modellcharakter." Wissenschaftlich begleitet wird es von Hochschule Mainz unter Leitung von Thomas Giel, Professor für nachhaltige Gebäudeenergiesysteme. Die Hochschule war bereits in die Konzeptentwicklung eingebunden.
Sobald der Betrieb startet, beginnt die Erfassung und Auswertung von Daten zu Temperaturen, Volumenströmen, Wärmemengen, Stromverbräuchen, Speicherzuständen und Betriebszeiten beginnen. Dafür werden an den Leitungen, den Wärmepumpen und den Wärmetauschern im Klärwerk Sensoren angebracht. Geplant ist zudem der Aufbau eines digitalen Zwillings zwecks Analyse des Gesamtsystems. Mit den Daten lässt sich der eigene Betrieb weiter optimieren, so Niehaus. "Zum Beispiel können wir erkennen, welche Betriebsstrategie bei welchen Außentemperaturen oder Strompreisen am günstigsten ist." Das System "lerne" aus seinen eigenen Betriebsdaten und werde im laufenden Betrieb effizienter. Die erhobenen Daten sollen zudem anderen Projektierern zur Verfügung gestellt werden.
Weitere Vorteile der Entnahme im Ablauf Die Wärmetauscher verschmutzen nicht so schnell, da das Abwasser ja bereits - anders als in der Kanalisation - von Feststoffen oder Fetten befreit ist. Zudem befinden sich Wärmetauscher, Mess- und Regeltechnik sowie Überwachungseinrichtungen an einem Ort. Das System kann also zentral überwacht, geregelt und gewartet werden. Insgesamt ist der technische Aufwand viel geringer im Vergleich zu mehreren dezentralen Wärmeentnahmestellen im Kanalnetz.
