KLIMASCHUTZ mit regionalem WÄRMEKREISLAUF

Variante 1:

Klimaschutz durch regionalen Wärmekreislauf: Das Beispiel Mittelstadt

Zweck und Vision

Die Energiewende braucht nicht nur große Infrastrukturprojekte, sondern vor allem intelligente, lokale Lösungen. In Mittelstadt und Umgebung liegt eine solche Chance direkt vor unseren Augen: Die Nähe von Wasserwerk, Kläranlage und Biogasanlage ermöglicht einen regionalen Wärmekreislauf, der nicht nur Energie spart, sondern auch CO₂-Emissionen reduziert und Versorgungssicherheit erhöht. Dieses Konzept soll beispielgebend für andere Regionen werden.

Regionale Gegebenheiten

  • Wasserwerk Mittelstadt: Versorgt unter anderem Kleinstadt, Mittelstadt, Stadt und Teile der umliegenden Dörfer mit Trinkwasser.
  • Kläranlage Mittelstadt: Reinigt das Abwasser von rund 50.000 Einwohnerwerten aus Kleinstadt, Mittelstadt, Stadt und Teile der umliegenden Dörfer.
  • BioEnergie Mittelstadt: Produziert aus Speiseresten, Pferde- und Schweinemist Biomethan, das in das Netz der Stadtwerke Mittelstadt eingespeist wird. Zusätzlich wird ein Nahwärmenetz, u. a. für Schloss Mittelstadt, betrieben.

Die Entfernung zwischen Kläranlage und Wasserwerk beträgt lediglich rund 1000 m – ideale Voraussetzungen für energetische Synergien.

Technisches Konzept: Der Wärmekreislauf

  1. Abwasserwärme-Rückgewinnung:
    • Die Kläranlage gewinnt Wärme aus dem gereinigten Abwasser, idealerweise bevor dieses in die Ruhr eingeleitet wird.
    • Die Natur bekommt so im Winter die „kalte Schulter“ der Wärmepumpe gezeigt: Das Abwasser gelangt kälter in die Vorfluter, was ökologische Vorteile haben kann – z. B. geringere Störung der natürlichen Gewässerökologie.
  2. Wasser-Vorwärmung im Winter:
    • Diese Wärme wird über eine unterirdische Leitung verschiedenen Großverbrauchern zugeführt, um dort im Winter das Trinkwasser vorzuwärmen. Dadurch benötigen die Wärmepumpen weniger elektrische Energie für das Aufheizen.
  3. Trinkwasserseitige Effizienzsteigerung:
    • Das Wasserwerk nutzt die zugeführte Wärme zur Einspeisung „vorgewärmten“ Wassers ins Netz.
  4. Biogaserzeugung als Rückhalt im Winter:
    • Die Biogasanlage wird ganzjährig betrieben. Die Nutzung des erzeugten Biogases (Strom und/oder Wärme) soll jedoch vorwiegend im Winter erfolgen, wenn Strom- und Wärmebedarf besonders hoch sind. Die erzeugte Energie wird dezentral genutzt – z. B. über Blockheizkraftwerke oder Einspeisung ins Nahwärmenetz., wenn Strom und Wärmebedarf hoch sind. Die erzeugte Energie (Strom und/oder Wärme) wird dezentral genutzt – z. B. über Blockheizkraftwerke oder Einspeisung ins Nahwärmenetz.
  5. Sommerbetrieb mit Wärmepumpen und Stromüberschüssen:
    • Im Sommer übernehmen kleinere Wärmepumpen die Warmwasserbereitung. Dies entlastet die Biogasanlage und erlaubt ihren flexiblen Einsatz im Winter.
  6. Konditionierung und Einspeisung des Biomethans:
    • Das Biomethan wird auf Erdgasqualität gebracht und ins bestehende Netz eingespeist.

Ergänzung: Saisonale Speicher und hybride Energieversorgung

Die Idee eines Wärmekreislaufs wird um eine gezielte Sommer-Winter-Balance ergänzt. Dabei wird vorsichtig mit dem Thema Wärmespeicherung umgegangen, da dies zusätzliche technische und wirtschaftliche Herausforderungen mit sich bringt.

  1. Lastverschiebung durch Hybridbetrieb:
    • Im Sommer erzeugte Wärme (z. B. durch Wärmepumpen, Solarthermie oder Prozesswärme) kann kurzfristig in Pufferspeichern zwischengespeichert werden. Ziel ist es nicht, monatelange Wärmespeicherung zu betreiben, sondern Lastspitzen abzufedern und Betriebszeiten zu entzerren.
  2. Biogas-Flexbetrieb im Winter:
    • Durch optimierte Betriebsführung steht Biogas vor allem in der Heizperiode bereit. Dadurch entsteht ein verlässlicher Rückhalt bei geringer Solarleistung und erhöhtem Wärmebedarf.
  3. Wärmepumpenentlastung durch vorgewärmtes Trinkwasser:
    • Eine ganzjährige Energieeffizienzsteigerung wird erreicht, wenn im Winter bereits auf vorgewärmtes Trinkwasser zugegriffen werden kann. So sinkt der Strombedarf der Wärmepumpen signifikant.
  4. Dezentrale Resilienz:
    • Die Kombination aus Wärmepumpe, Biogasnutzung und Wärme aus Abwasser schafft ein widerstandsfähiges Versorgungssystem.

Vorteile und Nutzen

  • CO₂-Einsparung durch Energieeffizienz und Nutzung regenerativer Quellen
  • Entlastung der Stromnetze im Winter durch gezielten Biogaseinsatz
  • Reduzierte Heizkosten durch niedrigere Stromverbräuche bei Wärmepumpen
  • Vorbild für kommunale Sektorenkopplung im kleinen Maßstab
  • Nutzung vorhandener Infrastrukturen (Abwasser, Wasser, Biogas, Strom)

Partnerstruktur: Der „Wärmepakt Mittelstadt“

Ein Zusammenschluss lokaler Akteure wird etabliert, um Planung, Umsetzung und Betrieb zu koordinieren:

  • Stadtwerke Mittelstadt (Strom, Gas, Fernwärme)
  • BioEnergie Mittelstadt (Biogasanlage, Nahwärme)
  • Flusswasserwerk Mittelstadt (Trinkwasserversorgung)
  • Kläranlage Mittelstadt (Abwasser und Wärmequelle)
  • Kommunen: Kleinstadt, Mittelstadt, Stadt und Teile der umliegenden Dörfer
  • Wissenschaftliche Begleitung (z. B. Hochschule West, Fraunhofer IEG)

Nächste Schritte

  • Gemeinsame Machbarkeitsstudie durch alle Beteiligten
  • Fördermittelprüfung (z. B. Bundesförderung effiziente Wärmenetze, NRW-Programme)
  • Öffentlichkeitsarbeit und Einbindung der Bevölkerung
  • Entwicklung eines Wärmepumpen-Förderprogramms für Haushalte
  • Aufbau einer Koordinationsstelle („Wärmepakt Mittelstadt“)

Fazit und Ausblick

Mittelstadt bietet ideale Voraussetzungen für eine neu gedachte Wärmeversorgung. Durch die intelligente Kopplung von Abwasserwärme, Trinkwassererwärmung, Biogas, Strom und Wärmepumpen entsteht ein Modellprojekt für Klimaschutz mit regionaler Verankerung.

Die vorsichtige Integration von Wärmespeichern, der gezielte Winterbetrieb von Biogasanlagen und die saisonale Optimierung durch Hybridversorgung machen das Konzept wirtschaftlich wie ökologisch zukunftsfähig. Mittelstadt könnte so zum Blaupausen-Beispiel für viele andere Städte und Regionen werden – aus der Region, für die Region.

Variante 2: aktuelle Diskussion!

KLIMASCHUTZ MIT REGIONALEM WÄRMEKREISLAUF – Beispiel Mittelstadt (Überarbeitete vorläufige Endfassung) Anmerkung UMB: Es fehlen noch wichtige Aspekte der Gasspeicherung im Sommer!

Mittelstadt hat mit Wasserwerk, Kläranlage und Biogasanlage auf engem Raum die perfekte Ausgangslage für einen regionalen Wärmekreislauf. Im Winter wird Trinkwasser moderat vorerwärmt und Wärmepumpen werden entlastet; im Sommer wird Trinkwasser gezielt gekühlt – die dabei anfallende Wärme wird sinnvoll genutzt oder gespeichert. So sinken CO₂-Emissionen, Kosten und Lastspitzen, während die Versorgung widerstandsfähiger wird.

Kurzfassung

  • Nähe schafft Synergien: Wasserwerk, Kläranlage und Biogasanlage liegen nur ca. 1 km auseinander.
  • Winterbetrieb: Wärme aus gereinigtem Abwasser wird über Wärmepumpen genutzt, um z.B. Trinkwasser im Wasserwerk moderat zu temperieren – stets unter hygienischen Vorgaben. Wärmepumpen im Nahbereich brauchen dadurch weniger Strom.
  • Sommerbetrieb: Das Wasserwerk hält kühles Trinkwasser. Die entzogene Wärme wird anderweitig genutzt (z. B. für Speicher, Prozesswärme, Faulturm-Bedarf) oder verworfen.
  • Biogas als Winter-Rückhalt: Die Biogasanlage fährt im Winter flexibel hoch (Strom/Wärme/KWK), im Sommer entlastet sie der PV-gestützte Wärmepumpenbetrieb.
  • Ergebnis: Weniger CO₂, geringere Stromspitzen, Nutzung bestehender Infrastruktur, Vorbildcharakter für andere Regionen.

Technisches Konzept

1) Wasserwerk – Dual-Mode-Wärmepumpe

  • Sommer (Kühlmodus): Trinkwasser wird aktiv gekühlt (hygienische Grenzwerte beachtet). Dabei entstehende Wärme wird genutzt (z. B. Speicher, Nahwärme, Faulturm) oder gespeichert.
  • Winter (Vorerwärmungsmodus): Trinkwasser wird moderat vorgewärmt, um Großverbraucher-WPs zu entlasten. Hydraulische Trennung über Wärmetauscher gewährleistet.

2) Kläranlage – Quellenumschaltung

  • Sommer: Wärmepumpe nutzt Luft oder interne Prozesse, um Wärme bereitzustellen (Faulturm, Speicher, Nahwärme).
  • Winter: Wärmepumpe nutzt gereinigtes Abwasser als Wärmequelle, speist Energie ins Wasserwerk oder zu lokalen Verbrauchern und Großverbrauchern.
  • Ökologie: Gekühltes Abwasser kann im Winter Vorfluter thermisch entlasten (Prüfung erforderlich).

3) Biogasanlage – Flexibler Betrieb

  • Ganzjähriger Betrieb, Winter-Priorität bei Strom- und Wärmeerzeugung.
  • Nutzung für Nahwärme, KWK, Faulturm-Heizung und Netzstabilisierung.

4) Speicher & Lastverschiebung

  • Kurzzeitspeicher puffern Stunden bis Tage; keine saisonale Pflichtspeicherung.
  • Sommer: Wärme nutzen statt verwerfen.
  • Winter: Spitzenlast mit Biogas abfangen; Wärmepumpen auf bestmögliche Quellen fahren.

Leitplanken

  1. Hygiene: Trinkwasser bleibt stets innerhalb der zulässigen Temperaturgrenzen (DVGW/DIN). Hydraulische Trennung über Wärmetauscher.
  2. Regelung: Saisonale Strategien, Priorität: Hygiene > Versorgung > Effizienz.
  3. Quellenwahl: Umschaltung Luft ↔ Abwasser je nach Effizienz und Ökologie.
  4. Faulturm: Ständige Temperatur von ~29 °C gesichert, Redundanz über KWK/Boiler.
  5. Hydraulik: Getrennter Niedertemperatur-Zwischenkreis, Korrosionsschutz, Rückkühloption.
  6. Energieeffizienz: Temperaturhub minimieren, COP optimieren.
  7. Messung: Transparente Mess- und Abrechnungssysteme.
  8. Genehmigungen: Wasserrecht, Energierecht, Leitungsrechte, Hygieneauflagen.

Kritische Fragen vor Projektstart

  • Welche Sommer-/Winter-Setpoints sind hygienisch und energetisch sinnvoll?
  • Welche Abwassertemperaturen liegen im Winter real an, welche Leistungen sind entziehbar?
  • Welche COPs sind bei Luftnutzung im Sommer erreichbar, inkl. Schallschutz?
  • Wie wird die konstante 29 °C im Faulturm redundant gewährleistet?
  • Welche Trassen und Wärmetauscherkonzepte sind machbar?
  • Welche Pufferspeichergrößen sind wirtschaftlich?
  • Welche Förderkulissen und Szenarien (CO₂-Preis, Energiepreise) sind realistisch?
  • Wer betreibt welches Modul wann (Leitstand, SLAs, Notfallpläne)?

Partner & Governance – „Wärmepakt Mittelstadt“

  • Stabsfunktion Umweltschutz: unabhängige Querschnittsstelle für Hygiene, Ökologie und Priorisierung.
  • Partner: Stadtwerke Mittelstadt, BioEnergie Mittelstadt, Flusswasserwerk Mittelstadt, Kläranlage Mittelstadt mit Kommunen, wissenschaftliche Begleitung (HW, Fraunhofer IEG).

Nächste Schritte

  1. Machbarkeitsstudie (Hydraulik, Temperaturprofile, Ökologie).
  2. Betriebskonzept Sommer/Winter (Setpoints, Umschaltlogik, Redundanz).
  3. Fördermittelprüfung & Genehmigungen.
  4. Pilotprojekt starten (z. B. Wasserwerks-Kühlmodus + Wärmenutzung im Sommer).
  5. Öffentlichkeitsarbeit & Förderprogramm für Haushalts-Wärmepumpen.

FAQ – „Wird Trinkwasser im Sommer zu warm?“

Nein. Das Wasserwerk kühlt im Sommer gezielt das Trinkwasser – Hygiene hat oberste Priorität. Die dabei entzogene Wärme wird über Wärmetauscher entnommen und anderweitig genutzt oder gespeichert. Im Winter wird das Trinkwasser nur moderat vorgewärmt – stets innerhalb sicherer Grenzen.

Downloads

  • Kurzzusammenfassung (1–2 Seiten) als PDF/DOCX.
  • Schema-Grafik (Fließbild): Wasserwerk (Dual-Mode) ↔ Kläranlage (Quellenumschaltung) ↔ Biogas/Faulturm ↔ Speicher.

Hinweis: Alle Zahlenwerte (Setpoints, Leistungen) werden im Rahmen der Machbarkeitsstudie spezifiziert.

Revision: 4Erstellt/Geändert:Geprüft:Freigegeben:Gültig ab:
Datum:10.09.202510.09.202510.09.202510.09.2025
Unterschrift:Beauftragter/ChatGPTAufsichtsratVorstandBeauftragter