„Es ist im Moment unser Lieblingsprojekt“, sagt Tobias Huter, der beim Energieversorger Naturstrom die Wärmeversorgungsprojekte leitet. Er spricht vom Quartier Lück in Köln, das seine Wärme aus einem Abwasserkanal bezieht. Es sei nicht nur das erste Abwasserprojekt für Naturstrom, sondern das erste, bei dem generell die Nutzung von Abwärme im Fokus steht. Das berichtete Huter auf der Fachtagung Abwärme in Stuttgart, wo er das Projekt vorstellte.
Wie immer, wenn es um die Nutzung von Abwärme geht, steckt auch in diesem Fall die grundlegende Idee dahinter, Energie zu erschließen, die sonst ungenutzt bleibt. Abwärme entsteht zum Beispiel in Industrieprozessen oder in Rechenzentren oder steckt im Abwasser. Und sie lässt sich mit den richtigen Konzepten für die Beheizung von Gebäuden verwenden.
In Lück sieht das Konzept so aus: Vier Mehrparteienhäuser auf einem vormals brachliegenden Fabrikgelände, die Raum für 216 Wohneinheiten bieten, werden mit der Abwärme eines nahegelegenen Abwasserkanals versorgt. Dafür wurde auf einer Strecke von 120 Metern ein Wärmetauscher installiert. Die Energie nutzt eine Wärmepumpe mit einer Leistung von 400 Kilowatt, die in der Heizzentrale des Quartiers untergebracht ist. Sie erwärmt das Heiz- und Trinkwasser auf ein Temperaturniveau von knapp 45 Grad. Neben der Abwasserwärme nutzt das Quartier auch Sonnenenergie aus Photovoltaikanlagen mit einer Maximalleistung von 90 Kilowatt.
Abwasserwärme mit vielen Vorteilen
Ein Grund, bei der Beheizung der Wohnungen auf Abwärme zu setzen, war die Vorgabe, gleich von Beginn an erneuerbare Energien zu nutzen. Und zu diesen zählt Abwärme aus dem Abwasser. Zudem war die Anbindung dank der räumlichen Nähe relativ einfach umzusetzen. Der Abwasserkanal liegt Luftlinie gerade mal 70 Meter von der Heizzentrale entfernt.
Gegenüber anderen Technologien bieten sich einige Vorteile. Im Vergleich zur Installation von Erdsonden, die vor Beginn des Bauprojekts im Boden platziert werden müssen, sei der Aufwand geringer, berichtet Nadine Busse aus der Projektentwicklung bei Naturstrom. Bei der Anbindung von Abwasserabwärme könne man seinen Zeitplan unabhängig von der Gebäudeerstellung verfolgen. Und im Vergleich zu Luft/Wasser-Wärmepumpen seien die Betriebskosten für die Abwärmenutzung geringer.
„Ein Vorteil besteht außerdem darin, dass die Abwärme das ganze Jahr über gleichbleibend zur Verfügung steht“, sagt Kollege Huter. Auch im Winter biete das Abwasser Temperaturen von zehn bis 20 Grad. Seine Schlussfolgerung lautet daher: „Wir sehen Abwasser als sehr wichtige Wärmequelle – vor allem im urbanen Bereich.“
Pufferspeicher schließt Versorgungslücke am Morgen
Doch daneben besitzt Abwasserabwärme auch ein paar Eigenheiten, die man beachten muss. Dazu zählt das so genannte Morning Gap. Denn die meisten Menschen schlafen in der Nacht. Sie benötigen keine Heizung und verbrauchen kein warmes Wasser. Das bedeutet, dass dem Abwasserkanal nachts auch keine Abwärme zugeführt wird, die dann am Morgen wiederum von den Wohnungen im Quartier Lück genutzt werden kann. Erst wenn die Heizungen morgens wieder hochgefahren werden und die Leute unter die Duschen springen, entsteht auch wieder Abwärme, die im Abwasser landet.
Um dieses Morning Gap zu kompensieren, gehört zum Wärmekonzept des Quartiers ein 20 Kubikmeter großer Pufferspeicher. Außerdem kann eine Power-to-Heat-Anlage zugeschaltet werden, wenn besonders viel Solarstrom produziert wird oder der Wärmebedarf kurzzeitig stark ansteigt.
Die Wärmepumpe könne nur circa zwei Drittel der Spitzenlast tragen, sagt Busse. Da man relativ wenige Volllaststunden habe, sei dieses Konzept aber wirtschaftlicher als eine größere Pumpe einzubauen. Ein leistungsfähigeres Gerät könnte zwar 100 Prozent des Bedarfs bedienen, würde aber nur selten in Volllast betrieben.
Die Power-to-Heat-Anlage kommt auch in anderen Fällen zum Einsatz, die man bei der Nutzung von Abwasserabwärme einplanen muss. So berichtet Busse von einer Situation im Winter, in der die Temperatur des Abwassers aufgrund von sehr kalten Niederschlägen außergewöhnlich stark absank. Denn bei dem Kanal handelt es sich um einen Mischwasserkanal. „Doch damit haben wir gerechnet und das Energiekonzept entsprechend ausgelegt“, erklärt Busser.
Dass das Konzept funktioniert, zeigt die erste Heizperiode, die das Quartier hinter sich hat. Es habe keine Versorgungsunterbrechungen gegeben, berichtet Huter. Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe lag bei 4. Er weist aber darauf hin, dass es nicht möglich gewesen wäre, das Projekt ohne die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) umzusetzen. Aus Sicht seiner Kollegin ist dieses Förderprogramm essenziell, um die Technologie weiter voranzutreiben.
Serverwärme ersetzt Biomethan
Die Unterstützung durch das BEW-Programm hat auch ein anderes Projekt in Anspruch genommen. Bei diesem wird die Abwärme nicht aus dem Abwasser, sondern aus einem Rechenzentrum genutzt. In Hattersheim am Main in der Nähe von Frankfurt sorgt eines des Betreibers NTT dafür, dass die Bewohner eines Quartiers sowie die eines Neubaugebiets nicht frieren müssen.
Energieversorger Mainova betreibt bereits seit 2014 ein Nahwärmenetz für ein Wohngebiet am Hugo-Hoffmann-Ring. Die Wärme wurde bisher mit Biomethan aus einem Blockheizkraftwerk erzeugt. Die unmittelbare Nachbarschaft eines vor Ort entstehenden Neubaugebiets und des Rechenzentrums von NTT schaffte die Voraussetzungen für ein integriertes Konzept.
Beide Gebiete – und somit mehr als 600 Haushalte - werden über ein gemeinsames Wärmenetz verbunden, das fast vollständig mit Server-Abwärme aus dem Rechenzentrum versorgt werden kann. Das Blockheizkraftwerk des bestehenden Nahwärmenetzes bleibt für Spitzenlasten und als Redundanz erhalten.
Zur Abdeckung des insgesamt rund fünf Gigawattstunden hohen Wärmebedarfs dient eine Energiezentrale, die von Mainova betrieben wird und in die Kältezentrale des Rechenzentrums integriert ist. Zwei Großwärmepumpen bringen dort die Abwärme von rund 30 Grad Celsius auf die für das Wärmenetz erforderlichen 70 bis 75 Grad Celsius. Darüber hinaus installierte Mainova eine Photovoltaikanlage auf dem Dach des Rechenzentrums mit einer Leistung von knapp 100 Kilowattpeak. Diese deckt rund ein Zehntel des Stromverbrauchs der Wärmepumpen ab.
Projekte sind sehr individuell
Rechenzentren sind eine der Hauptquellen für Abwärme. Durch die fortschreitende Digitalisierung und den damit steigenden Bedarf an IT-Leistung wächst das Potenzial, diese zu nutzen. Der zunehmende Einsatz von künstlicher Intelligenz tut sein Übriges. Denn die KI braucht besonders viel Rechenpower und sorgt so für große Mengen an unvermeidbarer Abwärme.
Doch oft sind die Gegebenheiten vor Ort sehr individuell. Dies nennt Mainova-Pressesprecherin Ulrike Schulz als eine der Herausforderungen im Projekt in Hattersheim. Die erarbeitete Lösung sei keine „von der Stange“. Erfahrungswerte und Zahlen zu vergleichbaren Abwärmeprojekten seien kaum verfügbar gewesen. Auch die Koordination der Zeitpläne sei herausfordernd gewesen. Die Installationsarbeiten mussten in den zeitlichen Bauablauf des Rechenzentrums integriert werden.
Abwärme aus Rechenzentren ist auch an anderen Orten ein Thema, zum Beispiel im Marienpark in Berlin Tempelhof. Dort entsteht auf dem ehemaligen Gelände einer Gasanstalt der GASAG ein modernes Gewerbequartier – inklusive Rechenzentrum von NTT. Die Versorgung des Quartiers mit dessen Abwärme soll Mitte 2027 starten. Auch in diesem Projekt werden Wärmepumpen die 28 Grad warme Abluft auf die benötigten Vorlauftemperaturen anheben. Über das Nahwärmenetz werden dann 150.000 Quadratmeter Gewerbefläche beheizt.
In einem zweiten Schritt ist ab 2027 in der näheren Umgebung des Marienparks geplant, mehrere tausend Wohneinheiten sowie öffentliche Einrichtungen wie beispielsweise Schulen nach dem gleichen Prinzip mit der Abwärme aus dem Rechenzentrum zu versorgen. Für dieses und zukünftige Projekte zur Abwärmenutzung haben die GASAG-Tochter Solution Plus und die Immobiliengruppe Investa Real Estate das Joint Venture Data2Heat gegründet.
Reallabor in Kaiserslautern
Wie die Nutzung von Abwärme zur Entwicklung von klimaneutralen Quartieren beitragen kann, ist auch Gegenstand von Forschungsprojekten. Dazu zählt das von Bundeswirtschafts- und Bundesforschungsministerium geförderte Projekt EnStadt:Pfaff. Ein 19 Quadratmeter großes ehemaliges Industriegelände in Kaiserslautern, auf dem früher das Unternehmen Pfaff Nähmaschinen produziert hat, soll als Reallabor dienen, um verschiedene Technologien und Erfolgsfaktoren für klimaneutrale Quartiere zu erproben. Dort wurden vier Bestandsgebäude modernisiert, zudem wird das Gelände neu bebaut.
Für die Wärmeversorgung wurden verschiedene Abwärme-Varianten untersucht. So steht zum Beispiel der Abwasserkanal in der neben dem Pfaff-Quartier verlaufenden Königstraße theoretisch als Energiequelle zur Verfügung. Die Abwasserwärme könnte mit einer 450-Kilowatt-Wärmepumpe insgesamt circa 1000 Megawattstunden pro Jahr Wärme bereitstellen. Das entspricht etwa 15 Prozent des Heizwärmebedarfs im Quartier.
Daneben wurde auch die Nutzbarkeit der Abwärme aus einer 400 Meter entfernt gelegenen Gießerei analysiert. Die Berechnungen ergaben ein Abwärmepotenzial von etwa zwei Megawatt. Aufgrund des chargenweisen Schmelzbetriebes und der Stillstandzeiten am Wochenende wurde zunächst eine nutzbare Wärmemenge von etwa 2.500 Megawattstunden pro Jahr errechnet – was circa 40 Prozent des Gesamtwärmebedarfs entspricht. Zur teilweisen Überbrückung der Stillstandzeiten wäre ein Wärmespeicher erforderlich.
In einer weiteren Untersuchung zum verfügbaren Temperaturniveau, zur Leitungsführung sowie zu wirtschaftlichen und vertraglichen Fragestellungen wurde die verfügbare Abwärmemenge nochmals gemessen. Dabei zeigte sich, dass die vorige, aus einer älteren Messung stammende Wärmemenge in der Praxis nicht wie erwartet zur Verfügung stehen würde und stattdessen weniger als 30 Prozent an der Wärmeversorgung im Quartier beitragen würde. Aufgrund der damit verbundenen erhöhten Wärmekosten sah man von der Nutzung der Industrieabwärme ab.
Nach Abschluss der Untersuchung fiel die Entscheidung schließlich auf folgendes Konzept: Das Wärmenetz im Pfaff-Quartier wird als Niedertemperaturnetz mit circa 65 Grad Celsius Vorlauftemperatur ausgeführt, das primär aus dem Rücklauf der städtischen Fernwärme gespeist wird. Zusätzlich wird die Abwärme von Kältemaschinen in das Wärmenetz eingespeist. Die Energiezentrale, über die die Wärme verteilt wird, wurde vor wenigen Monaten eingeweiht.
Bild: Naturstrom
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