VERWARMING
Install Magazine 970 – mei 2020

Riolering als warmtenet

Verwarmen op basis van afvalwater

Verwarmen met rioolwater. Daarrond werken bedrijven, wetenschappers en het gemeentebestuur in het Duitse Lünen. Het is een verdere ontwikkeling van het concept van warmteterugwinning uit afvalwater, en bereikt duidelijk hogere rendementen dan klassieke systemen, met name omdat men gebruikt maakt van restwarmte uit de industrie of andere bedrijven, die anders verloren zou gaan. Voor de installatiesector en distributienetbeheerders opent het nieuwe kansen.

Bij vele processen ontstaat afvalwarmte, die normaal gezien verloren gaat. “Nu gebeurt het doorgaans dat bedrijven veel geld betalen om die warmte te vernietigen. Daarbij gaat veel waardevolle energie verloren”, aldus Professor Dr. Karsten Körkemeyer, hoofd van het vakgebied bouweconomie van de Technische Universiteit Kaiserslautern. Onder zijn leiding werkt een onderzoeksteam samen met de bedrijven Innovatherm (slibverbranding), Trianel (elektrische centrale op steenkool), Auribis (koperrecyclage) en Caritas (sociale hulp) in Lünen om afvalwarmte nuttig te gebruiken. Verder bestaat het team uit de onderzoekers Philipp Müller en Andreas Glöckner, het onderzoeksinstituut Fraunhofer ISI Karslruhe, en het stadsbedrijf voor rioolwaterverwerking Lünen.

Gebruik uitbouwen

Het doel van het project is om gericht afvalwarmte uit de industrie over te dragen op het afvalwater. Dat water wordt dan stroomafwaarts getransporteerd in de bestaande riolering, tot waar de opgeslagen warmte uiteindelijk benut wordt. Hoe groot is het potentieel? Er zijn studies die aangeven dat de mogelijkheden voor warmteterugwinning uit rioolwater die nu voorhanden zijn, zouden volstaan om 10% van de totale warmtebehoefte voor gebouwen in Duitsland te dekken. “Als men daarbij ook nog rekening houdt met afvalwarmte uit de industrie, dan stijgt het potentieel nog sterker, en komt men tot minstens 27% van de totale warmtebehoefte in Duitsland”, verklaart professor Körkemeyer.

Twee mogelijkheden

Het onderzoek heeft uitgewezen dat er twee varianten zijn om de warmte te transporteren. Bij de eerste wordt de warmte uit het industriële afvalwater direct gebruikt. “Dat is een goedkope methode”, aldus Philipp Müller. In de tweede versie wordt gebruik gemaakt van een warmtenet, dat de warmte van de plaats waar ze ontstaat transporteert naar de riolering, waarbij het rioolwater wordt opgewarmd. “Daarvoor gebruiken we een techniek die al jaren op de markt is”, zegt Andreas Glöckner “Het komt er alleen op aan om de beschikbare componenten op een nieuwe manier te combineren.” Om de warmte uit de riolering te kunnen recupereren, worden er verschillende warmtewisselaarconcepten gebruikt, in functie van de toepassing.

Bij warmtewisselaars voor de warmteterugwinning uit afvalwater is het van groot belang dat het warmtemedium nooit in direct contact komt met het rioolwater, zowel om hygiënische als om bedrijfstechnische redenen. Als warmtetransportmedium in het secundaire circuit gebruikt men doorgaans water of een water-glycol mengsel, dat als warmtebron dient voor een warmtepomp. Het afgekoelde water gaat weer naar de warmtewisselaar, om de kringloop te sluiten.

Project in Lünen

Dit concept is vooral interessant voor steden met industriële productiebedrijven. Deze vorm van warmtevoorziening kan dan geïntegreerd worden bij de planning van nieuwe woonprojecten. In dit project werkt het onderzoeksteam onder andere samen met de bedrijven Innovatherm, Trianel en Aurubis. “Al deze bedrijven zijn warmteproducenten”, zegt Philip Müller. De gebruikers zijn in dit geval een beschutte werkplaats van Caritas van Lünen en een verkaveling van een lokale huisvestingsmaatschappij.

Bij dit nieuwe concept van warmtevoorziening maken we gebruik van de bestaande infrastructuur, meer bepaald de riolering, die we gebruiken als warmtenet”, legt professor Körkemeyer uit. “De aansluitingen zijn al overal voorhanden.” In vergelijking met gangbare lucht-water warmtepompen, die hun energie uit de omgevingslucht halen, is het afvalwater een bron met een constante hoge temperatuur: het jaargemiddelde bedraagt 15°C. “Als we de temperatuur van het afvalwater kunnen verhogen, dan heeft dat een directe invloed op het rendement van de warmtepomp, en dus ook de prijs van de warmte voor de gebruiker”, voegt Andreas Glöckner toe. Om efficiënt te werken, is er niet alleen een voldoende hoge temperatuur nodig, maar ook een voldoende hoog debiet aan afvalwater. Bovendien mag de warmteproductie niet te ver van de gebruikers af liggen.

Economische haalbaarheid

In het concrete geval van Lünen koos men voor een warmtewisselaar in de riolering. Dit type warmtewisselaar wordt gefabriceerd door bijvoorbeeld Uhrig Bau of Kasag. In de huidige stand van het project wordt de afvalwarmte van Innovatherm direct, zonder tussengeschakelde warmtewisselaar in de riolering gevoerd. Dat is mogelijk omdat Innovatherm het eigen afvalwater zo goed als niet afkoelt, en direct in de riolering stort. In de riool mengt het warme afvalwater zich met de overige afvalwaterstromen. Het zo opgewarmde afvalwater dient dan als warmtebron voor een water-water warmtepomp die de beschutte werkplaats van Caritas bedient. Daar is een bivalente stookplaats geïnstalleerd, namelijk de bestaande condensatieketel op gas, aangevuld met een warmtepomp die de basislast dekt. De warmtepomp is gedimensioneerd op 1/3 van de maximale warmtevraag en dekt 3/4 van de totale warmtebehoefte op jaarbasis.

Naast de reeds vermelde parameters voor een economisch haalbare werking, meer bepaald de temperatuur en het debiet van het afvalwater, zijn er nog andere factoren die de rendabiliteit bepalen: hoog vermogen (minstens 100 kW), gemakkelijke toegang tot de riolering, voldoende dichte bebouwing, lage-temperatuurverwarming, verwarmingsvraag het hele jaar door, modernisering van de verwarmingsinstallatie, mogelijkheid tot combinatie met een WKK, omvang en lengte van het rioleringsstelsel, goede staat van de riolering, afschot tussen 1 en 10 promille, stroomsnelheid tussen 0,2 en 0,8 m/s en hydraulische belasting van de riolering tussen 5 en 40%.

Parameters moeten kloppen

Op de website van het onderzoeksteam is er dan ook een ontwerpsoftware beschikbaar, aan de hand waarvan geïnteresseerde gemeentes en bedrijven zich snel een idee kunnen vormen of dit concept ook voor hun situatie zinvol is. “Voor een eerste inschatting kan men volstaan met een korte evaluatie aan de hand van enkele gegevens”, volgens Philipp Müller. “Is het resultaat positief, dan kan men een haalbaarheidsstudie uitvoeren, zonder dat men daarvoor het hele gebied moet onderzoeken. Dat laatst zou immers tot hoge kosten leiden.”

“De instapkosten kunnen hoger zijn dan bij traditionele verwarmingstechnieken”, gaat Andreas Glöckner verder. Investeringen in de warmtewisselaars en de warmtepomp verdienen zichzelf echter op termijn terug. Zo zijn de gebruikers onafhankelijker tegenover de prijsschommelingen van fossiele brandstoffen. Verder zijn de werkingskosten duidelijk lager dan bij traditionele verwarmingsinstallaties. Bovendien beschikt men zo over een milieuvriendelijk systeem met lage CO₂-uitstoot. De levensduur van de warmtewisselaar is lang genoeg, ongeveer 40 jaar.

Onderzoek in de praktijk

In de eerste fase van het project InnoA2 ”Innovatief gebruik van warmte uit afvalwater door warmteverdeling via de riolering”, heeft het team uit Kaiserslautern met hun partners de technische en juridische haalbaarheid van het proces onderzocht en investeerders gezocht. Einde 2020 moet dan de concrete realisatie volgen. De pilootinstallaties worden dan wetenschappelijk geëvalueerd. Bij de uitvoering worden alle componenten met BIM gemodelleerd en geïntegreerd in het proces van ontwerp-bouw-monitoring. Zo kan men voor latere projecten niet alleen op de gebruikelijke documentatie teruggrijpen, maar ook op 3D modellen, en zien waar het ontwerp in de loop van de realisatie aangepast moest worden.

Energie uit afvalwater, die nu onbenut blijft, kan zo via de riolering getransporteerd worden tot bij gebruikers ‘stroomafwaarts’. Door het rioolwater op de warmen met behulp van afvalwarmte, kan men de energie relatief gemakkelijk en efficiënt transporteren. Daarna wordt de warmte bij de gebruikers opgewaardeerd. Zo komen bronnen van afvalwater in aanmerking, die tot nu toe niet benut werden. Bovendien wordt de bestaande rioleringsinfrastructuur dubbel gebruikt: als riolering en als warmtenet. Dat alles doet het verbruik aan primaire energie dalen, en maakt het concept meer rendabel. Zo kan men ook minder dichtbevolkte gebieden aansluiten op hernieuwbare energie, waar traditionele warmtenetten niet haalbaar zijn. Voor beheerders van rioleringsnetten ontstaan er zo nieuwe economische kansen.

Door Dr. Lütz Mücke

Foto’s: TU Kaiserslautern