Wat is de invloed van riothermie op de afvalwaterketen?

Het potentieel van thermische energie uit afvalwater is enorm. Maar kunnen we onbeperkt warmte uit het riool winnen zonder gevolgen voor de afvalwaterzuivering? Dat heeft Syntraal in 2019 in opdracht van STOWA en Stichting RIONED onderzocht. Hieruit blijkt dat de temperatuur van het rwzi-influent door riothermie mogelijk daalt, wat voor een iets hoger stikstofgehalte in het effluent zorgt.

Uit onderzoek van Tauw en IF Technology in 2018 bleek dat het potentieel van thermische energie uit afvalwater 59 Peta Joule (PJ) is. Dit is gelijk aan het gemiddelde warmtegebruik van circa 1,3 miljoen huishoudens. De vraag is hoe het stedelijk waterbeheer met een dergelijk potentieel kan omgaan. Kunnen we onbeperkt warmte uit het afvalwater winnen zonder gevolgen voor de waterzuivering? Dat heeft Syntraal in 2019 in opdracht van STOWA en Stichting RIONED onderzocht aan de hand van literatuur, praktijkmetingen, modelberekeningen en een rwzi-gevoeligheidsanalyse met een voorbeeldcasus. Het onderzoeksrapport Invloed riothermiesystemen op de afvalwaterketen is nu beschikbaar.

Literatuuronderzoek

Uit het literatuuronderzoek blijkt dat het afvalwater in de verzamelriolen gemiddeld door het jaar een redelijk voorspelbare temperatuur heeft. Deze is afhankelijk van de buiten- en de bodemtemperatuur (zie figuur A).

 
De temperatuur van het afvalwater en dus van het rwzi-influent heeft een directe invloed op het nitrificatieproces op de zuivering en daarmee het stikstofgehalte (N-totaal) in het rwzi-effluent. De capaciteit van de meeste rwzi’s is ontworpen op een influenttemperatuur van 8 graden Celsius.

Belangrijkste conclusies uit het literatuuronderzoek zijn:

• De influenttemperatuur heeft een directe relatie tot de gemiddelde buitenluchttemperatuur.
• In het laatste deel van het rioolstelsel – het deel dat het verzamelde afvalwater naar de rwzi transporteert en in beheer is bij het waterschap – is het temperatuurverloop minimaal. Met andere woorden, de invloed van de omgeving is daar minimaal. Dit is ook het gedeelte waar het economisch het meest rendabel is om warmte te winnen, omdat hier de grootste afvalwaterstroom doorheen gaat.
• De influenttemperatuur heeft invloed op het nitrificatieproces en daarmee op het stikstofgehalte (N-totaal) in het effluent.
• De influenttemperatuur heeft geen directe invloed op het energieverbruik van de zuivering.

Praktijkmetingen

Voor het praktijkonderzoek zijn twee casussen gebruikt om de invloed van de riool- en de omgevingstemperatuur te meten. De praktijkmetingen hebben vooralsnog te weinig data opgeleverd voor een definitieve conclusie. De enkele systemen die op dit moment thermische energie onttrekken uit afvalwater, hebben weinig effect op de temperatuur van het rwzi-influent. Dit komt vooral omdat het een kleine deelstroom van het totale influentdebiet is.

Modelberekeningen

Om inzicht te krijgen in het verloop van de afvalwatertemperatuur in een rioolbuis, is een zogenaamd stromingsmodel gebouwd, een CFD-model (Computational Fluid Dynamicsmodel). Het model berekent het verloop van de afvalwatertemperatuur in het riool nadat het water door warmteonttrekking een aantal graden is afgekoeld.

Enkele parameters hebben invloed op de snelheid waarmee het afvalwater opwarmt en zich weer kan herstellen tot de begintemperatuur:

• Contactoppervlak van het afvalwater met de bodem.
• Materiaal van de rioolbuis.
• Stroomsnelheid.
• Bodemsamenstelling.
• Bodemtemperatuur.
• Neerslag.
• Bijmenging van stromen.

Het model kan met een beperkte nauwkeurigheid aangeven wat het effect is op de influenttemperatuur op een bepaalde afstand vanaf de rioolwarmtewisselaar na de warmteonttrekking uit het afvalwater. Om de betrouwbaarheid te verhogen, moet het model met meer praktijkdata worden gevalideerd.

Gevoeligheidsanalyse zuivering met voorbeeldcasus

Als de influenttemperatuur door riothermie daalt, wat is dan het effect op de zuivering? Aan de hand van een voorbeeldcasus is het effect op het stikstofgehalte (N-totaal) in het effluent onderzocht, een belangrijke parameter voor het zuiveringsproces. In de casus wordt de warmtewinning gebruikt om tweeduizend duurzame nieuwbouwwoningen te verwarmen. De nieuwbouwwoningen hebben een beperkte warmtevraag en de warmte wordt in relatief korte tijd opgewekt (nog geen 5 uur op vol vermogen verdeeld over 20 uur per dag). Dit betekent dat het rioolwater het grootste deel van de dag niet of nauwelijks afkoelt. Hierdoor is de gemiddelde temperatuurdaling bij de zuivering veel minder groot dan wanneer het riothermiesysteem continu op vol vermogen warmte zou onttrekken. Als een rwzi daarbij gemiddeld goed draait, is het effect op de zuivering beperkt: het gehalte N-totaal in het effluent stijgt tot 0,3 mg/l over het jaar. Daarbij is uitgegaan van een worstcasescenario, waarbij de afvalwatertemperatuur niet meer stijgt nadat het water is afgekoeld.

Voorlopige conclusies

Het winnen van thermische energie uit het rioolstelsel heeft invloed op de influenttemperatuur bij de rwzi. Hoe groot die invloed is, is afhankelijk van veel factoren, zoals de diepteligging van het riool, de stroomsnelheid van het afvalwater, de bodemsamenstelling en het materiaal van de rioolbuis. Vooral aan het einde van het rioolstelsel (verzamelriool) heeft de omgeving steeds minder invloed op het temperatuurverloop van het afvalwater.

Afname van de influenttemperatuur zorgt voor een iets hoger stikstofgehalte in het rwzi-effluent. Of deze toename aanvaardbaar is en in welke mate een toename aanvaardbaar is, is onderwerp van discussie. De casus is toegepast voor één rwzi en dus niet representatief voor alle rwzi’s. Elke zuivering heeft een eigen capaciteit en optimalisatie ten opzichte van de stikstofverwijdering.

Aanbeveling waterschappen en gemeenten

Meerdere factoren die de invloed van riothermie op de influenttemperatuur bepalen, liggen in het beheergebied van de gemeente. Dus om het enorme potentieel van riothermie te kunnen benutten, moeten waterschappen en gemeenten samen optrekken. De warmte uit het riool is een heel constante en directe warmtebron, die uitstekend past in de energietransitie waarvoor Nederland staat. Per project moeten waterschappen en gemeenten samen de voor- en nadelen van riothermie en het maatschappelijk belang afwegen. Wanneer ook bij komende riothermieprojecten de energieopbrengst en de effecten op de influenttemperatuur goed worden gemonitord zal de kennis van riothermie toenemen. Het in dit onderzoek ontwikkelde model zal in dat geval steeds beter effecten kunnen voorspellen waarmee de verdere implementatie van riothermie wordt ondersteund, aldus het onderzoek.

Naar het onderzoeksrapport Invloed riothermiesystemen op de afvalwaterketen.