Passivhaus »Wohnen & Arbeiten«

Antrag 1 bei der Deutschen Bundes-Umweltstiftung:

ökologisches Sanitärkonzept für ein Wohn- und Bürogebäude

April 1997

1. Einleitung
2. Beschreibung des Bauvorhabens
3. Ausgangssituation
4. Zielsetzung des Projektes
5. Beschreibung des ökologischen Sanitärkonzeptes
6. Literatur

Einleitung

Im Modellstadtteil Vauban in Freiburg hat sich die Baugruppe "Wohnen & Arbeiten" zusammengefunden, um erstmalig ein Passivhaus mit 4 Geschossen und ca. 1.440 m² Nutzfläche (für ca. 30 Einwohner und gewerbliche Nutzung) zu errichten. Als Passivhaus wird hier ein Haus bezeichnet, welches im Vergleich zu einem konventionellen Neubauvorhaben um mehr als 80% geringere CO₂-äquivalente Emissionen aufweist. Es ist vorgesehen, in diesem Haus ein neuartiges, ökologisches Sanitärkonzept zu realisieren.

Unter Einhaltung eines strengen Kostenplans soll erreicht werden, daß die Mehrkosten im Vergleich zum Standard weniger als 10% bzw. 150 €/m² betragen. Mit Einhaltung dieser Zielgröße wird erreicht, daß das Gesamtvorhaben, trotz der heute sehr niedrigen Energiepreise, eine statische Amortisationszeit von weniger als 20 Jahren aufweist. Die genaue energetische Optimierung und Auslegung des Gebäudes ist Bestandteil eines separaten Projektantrags an die Deutsche Bundesstiftung Umwelt.

Wesentliche Aspekte des Modellvorhabens sind die interdiziplinäre Zusammenarbeit sowie die integrale Planung. Erstmalig werden bei einem Bauvorhaben alle energetisch und ökologisch relevanten Bereiche bilanziert und optimiert. Dies sind: Raumwärme, Brauchwasser, elektrische Energie, Abwasser und Abfall. Hierzu ist eine bereichsübergreifende Kooperation von Energieplanern, Ingenieuren, Biologen und ökonomen erforderlich. Die Forschungs- und Planungsarbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den Architekten, dem Haustechnikplaner sowie dem Bauherrn durchgeführt. Durch die in den Projekten vorgesehene wissenschaftliche Begleitung wird eine Begleitung des Projektes in der ersten Nutzungsphase, eine kritische Prüfung der gewonnenen Erkenntnisse und die Voraussetzungen für deren übertragbarkeit sichergestellt. Die großtechnische Demonstration des Konzeptes und die Beteiligung eines Industrieunternehmens an dem beantragten Demonstrationsprojekt gewährleisten außerdem eine direkte Nutzung der erzielten Ergebnisse.

Das in dem beantragten Vorhaben zu realisierende Bauvorhaben zeichnet sich durch folgende Punkte aus:

• ökologisches Sanitärkonzept: Grundlegende Idee des Abfall- und Abwasserkonzeptes ist es, die Teilströme Grauwasser (Abwasser aus den Bereichen Küche, Körperpflege und Waschen), Urin und Fäkalien zu trennen. Nur das Grauwasser wird in die Kanalisation abgeleitet; Urin und Fäkalien werden dagegen mit möglichst wenig Wasser zu einer Biogasanlage abtransportiert und dort zusammen mit organischen Küchen- und Gartenabfällen behandelt. Die verbleibenden Rückstände aus der Biogasanlage sollen als vollwertiger Dünger in der Landwirtschaft ausgebracht werden.
• Ganzheitliche Konzeption von Energie- und Sanitärkonzept. Das entstehende Biogas wird zum Kochen verwendet und trägt damit erheblich zur Minimierung der CO₂- äquivalente Emissionen bei. Die Beheizung des Biogasreaktors erfolgt ausschließlich durch regenerative Wärmequellen.
• Energetische Optimierung des Gebäudes (Bestandteil des separaten Projektantrags):
• Hoch wärmegedämmte Außenhülle.
• Energetisch optimierte Grundrisse zur passiven Solarenergienutzung.
• Minimierte Wärmebrücken und luftdichte Gebäudehülle.
• Lüftungsanlage mit einem thermischen Wirkungsgrad von mehr als 80%.
• Energiekennzahl Raumwärmebedarf: kleiner als 20 kWh/m²a.
• Minimierte Zirkulations- und Bereitsstellungsverluste bei der Warmwasserbereitung.
• Thermische Solaranlage zur 50%igen Deckung des Warmwasserbedarfs.
• Hoher bauökologischer Standard: Es sollen überwiegend ökologische Baumaterialien verwendet werden.

Bauprojekt

Beim vorliegenden Projekt handelt es sich um ein viergeschossiges Mehrfamilienhaus mit insgesamt 15 Wohneinheiten und einer dazugehörigen gewerblichen Nutzfläche.

Ausgangssituation

Die in den Industrieländern heute üblichen Sanitärkonzepte setzen sich zusammen aus Spültoiletten, Schwemmkanalisation und zentraler Kläranlage. Dieses System der linearen Stoffströme erfordert einen hohen Wasserverbrauch. Die Verdünnung mit Wasser, die weitere Vermischung mit Haushaltsabwässern sowie das Abwasser der indirekteinleitenden Gewerbe- und Industriebetriebe verhindern eine getrennte Behandlung der nährstoffreichen Fäkalien und erhöhen stattdessen die enthaltenen Schadstoffmengen. Unter hohem Energieeinsatz wird das stark verdünnte Abwasser in der Kläranlage gereinigt und es entsteht Klärschlamm, der nur in geringem Umfang in die Landwirtschaft zurückgeführt wird und dessen Entsorgung i.d.R. mit hohen Kosten verbunden ist (s. Abb. 1).

Abb. 1: Schematische Darstellung der Stoffströme beim traditionellen Sanitärkonzept [1]

Die Nachteile des heute üblichen Sanitärkonzeptes sind:

• Anstelle der Gewinnung von organischem Dünger, der die Rückführung der Nährstoffe in den Nahrungskreislauf erlauben würde, entsteht ein Abfallprodukt (Klärschlamm), dessen Entsorgung immer teurer wird.
• Der fehlende organische Dünger muß durch synthetischen Dünger ersetzt werden. Dieser synthetische Dünger, insbesondere der Stickstoffdünger, muß unter hohem Energieeinsatz hergestellt werden.
• In den Kläranlagen muß sehr viel Energie aufgewendet werden, um organische Inhaltsstoffe abzubauen und den Stickstoff zu nitrifizieren.
• Der hohe Wasserverbrauch und die Nutzung von Wasser höchster Qualität zum Transport von Fäkalien führen teilweise zu Problemen bei der Wasserversorgung. Außerdem wird der Wasserkreislauf auch bei vollständiger Umsetzung der gesetzlichen Anforderungen an die kommunale Abwasserreinigung ständig mit Nährstoffen belastet. Dieses führt zur überdüngung insbesondere bei stehenden Gewässern oder Küstengewässern.
• Die abbauwürdigen Phosphatvorräte der Erde werden in hundert bis hundertfünfzig Jahren verbraucht sein, da ständig ein Anteil des Phosphors in die Gewässer eingeleitet wird. Danach werden die fossilen Phosphatvorräte, die etwa noch weitere vierhundert Jahre reichen könnten, so stark von Cadmium belastet sein, daß eine weiterer Abbau und Nutzung dieser Vorräte fraglich erscheint [3].
• Den landwirtschaftlichen Flächen wird keine organische Substanz zur Verbesserung der Humusschicht zugeführt. Dies schädigt die Bodenfruchtbarkeit auf Dauer.

Die heutige Abwasserentsorgung und -behandlung ist eine historisch gewachsene Kette von Problemlösungen. Die obengeschilderten Probleme des hohen Wasserverbrauchs privater Haushalte, des Energieverbrauchs bei der kommunalen Abwasserbehandlung und des Verlusts wertvoller Nährstoffe sind zu einem großen Teil Folge der heutigen Sanitärkonzepte. Im industriellen Bereich wird inzwischen verstärkt auf die Behandlung von Teilströmen und die Rückgewinnung von Wertstoffen gesetzt. Die Anwendung dieser Prinzipien könnte auch im kommunalen Bereich zum Einsatz kommen.

Eine nachhaltige Entwicklung erfordert dauerhafte Sanitärkonzepte, welche die menschliche Ernährung in natürliche Kreisläufe integrieren, insbesondere auch in städtischen Gebieten. Ziel eines ökologischen Sanitärkonzeptes muß deshalb der verminderte Einsatz nicht regenerierbarer Ressourcen und eine möglichst weitgehende Nutzung der Stoffe in einem Kreislauf sein. Eine Anreicherung mit nur schwer oder nicht abbaubaren Stoffen ist zu vermieden.

Zielsetzung des Projektes

Das Modellvorhaben hat zum Ziel ein neuartiges ökologisches Sanitärkonzept zu realisieren und dessen Funktionsfähigkeit zu demonstrieren. Dieses Konzept baut auf auf einer getrennten Behandlung der Fäkalien und des Urins. Dieser Abwasserteilstrom wird gemeinsam mit Bioabfall in einer Biogasanlage anaerob behandelt. Das anfallende Biogas wird energetisch, der Naßschlamm wird als Flüssigdünger in der Landwirtschaft verwertet. Die Antragsteller sehen in dem hier erstmals vorgeschlagenen Konzept eine zukunftsfähige Lösung für die Behandlung von Fäkalien, Urin und den Bioabfällen. Das Sanitärkonzept fügt sich in idealer Weise in das Gesamtkonzept eines energieeffizienten Passivhauses ein und läßt sich effizient in die Planung der Energieversorgung integrieren.

Im Vergleich zum derzeitigen Stand in Forschung und Technik bietet dieses Projekt damit die Chance, erstmalig ein auf den Komponenten Trenntoiletten, Biogasanlage und Gasverwertung aufbauendes Sanitärkonzept für ein Gebäude großtechnisch zu demonstrieren und wissenschaftlich zu begleiten. Während die einzelnen Komponenten zwar bekannt und bereits in größerem Umfang eingesetzt werden (Trenntoiletten v. a. in Schweden), ist die angestrebte Kombination zu einem eigenständigen Gesamtkonzept neuartig und bislang noch nicht erprobt.

Beschreibung des ökologischen Sanitärkonzeptes

Die getrennte Ableitung von Urin und Fäkalien mit Hilfe von Trenntoiletten bzw. Vakuum-Trenntoiletten und deren anaerobe Behandlung in einer Biogasanlage gemeinsam mit dem organischem Hausmüll ist ein neues Konzept, daß hier erstmalig für ein Wohn- und Bürohaus realisiert werden soll. Das Konzept basiert auf einer gesonderten Abführung von Fäkalien und Urin mit Trenntoiletten (Tt). Diese ermöglichen durch geringe Verdünnung eine getrennte anaerobe Behandlung (Energie-Gewinn statt Verlust bei aerober Behandlung) von Fäkalien zusammen mit vorsortierten organischen Haushaltsabfällen und die Erzeugung eines flüssigen Volldüngers.

Die Biogasanlage ist abflußlos. Der in ihr gewonnene Flüssigdünger wird in saisonale Speicherbecken beim Landwirt transportiert. Das übrige anfallende Abwasser (Grauwasser) ist relativ leicht zu reinigen, da nur noch geringe Nährstoffmengen enthalten sind (s. Abb. 2). Dazu könnten bspw. naturnahe Abwasserreinigungsverfahren eingesetzt werden [8][9]. Aufgrund der örtlich vorgegebenen Bedingungen ist für das vorgeschlagene Demonstrationsvorhaben die Ableitung des Grauwassers über das konventionelle Kanalnetz vorgesehen. Dadurch ist für die zukünftigen Hausbewohner auch eine Absicherung beim Scheitern des Konzeptes gegeben. Sollte sich entgegen der Erwartung der Antragsteller erweisen, daß das hier vorgeschlagene ökologische Sanitärkonzept auf Grundlage von Trenntoilette und Biogasanlage nicht erfolgreich betrieben werden kann, besteht jederzeit die Möglichkeit, das gesamte Abwasser in die vorhandene konventionelle Kanalisation abzuführen.

Schematische Darstellung der Stoffströme in einem ökologischen Sanitärkonzept

Die wesentlichen Komponenten des neuartigen Sanitärkonzeptes sind bereits bekannt und technisch ausgereift. Trenntoiletten kommen bereits in Dänemark und Schweden sowie in der Schweiz zum Einsatz [1]. Sie erlauben es, den Urin beinahe wasserfrei abzuführen. Die Fäkalien können z.B. durch Einsatz von Stopptasten mit relativ wenig Wasser (im Durchschnitt etwa 3 l/Spülgang) abgeführt werden. So läßt sich der durchschnittliche Wasserverbrauch bei Trenntoiletten auf etwa 6 l/Tag begrenzen. Inzwischen werden auch erste Vakuum-Trenntoiletten angeboten, deren spezifischer Wasserverbrauch nochmals niedriger liegt. Die Technik von Vakuumtoiletten ist bereits seit längerem bekannt und wird bislang vorwiegend in Schiffen, Flugzeugen und Eisenbahnen und in radiologischen Abteilungen von Krankenhäusern (zur Verringerung der anfallenden Abwassermengen) genutzt. Vakuumtoiletten zeichnen sich durch ihren geringen Wasserbedarf von ca. 1,2 l pro Spülvorgang aus. Zusätzlich werden bei jeder Spülung ca. 60 - 70 Liter Luft in das Rohrleitungssystem eingesaugt. Diese Luft drückt den Flüssigkeitspfropfen durch die Rohrleitung.

Der Einsatz von Biogasanlagen zur direkten Behandlung menschlicher Fäkalien ist insbesondere in Entwicklungsländern, in denen nur in sehr geringem Umfang eine Schwemmkanalisation vorhanden ist, weit verbreitet (z.B. in Indien und China) [2]. Aufgrund der äußeren Randbedingungen kann in wärmeren Regionen eine sehr einfache und kostengünstige Technik eingesetzt werden, bei der i.d.R. auf eine Zusatzheizung verzichtet wird. In den gemäßigten Zonen scheiterte der breite Einsatz der Anaerobtechnik zur direkten Behandlung von Fäkalien bislang an der aufwendigeren Technik, die für die Reaktorbeheizung notwendig ist, und insbesondere an der starken Verdünnung der Fäkalien, die jedoch für die Funktion der Schwemmkanalisation erforderlich ist. Anaerobe Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm, bei der industriellen Abwasserbehandlung oder im Bereich der Bioabfallbehandlung sind dagegen in Deutschland weit verbreitet [3, 4 , 5, 6, 7].

Zielsetzung des Sanitärkonzeptes

Die o.g. Nachteile der konventionellen Sanitärkonzepte sollen durch das vorgeschlagene Konzept vermieden werden. Die langfristigen Ziele bei einer breiten Umsetzung des vorgeschlagenen ökologischen Sanitärkonzepts sind:

• Rückführung der Nährstoffe (u.a. Stickstoff, Phosphor, Kalium) in die Landwirtschaft.
• Die Humusschicht der landwirtschaftlichen Flächen wird durch die Rückführung der organischen Stoffe verbessert. Durch die C- Speicherung im Oberboden wird der Globalerwärmung (Treibhauseffekt) entgegengewirkt [1].
• Der Energiebedarf im Bereich der Abwasserbehandlung und indirekt auch bei der Düngerherstellung wird verringert (vgl. Tab. 1): Bei der Anaerobbehandlung entsteht energetisch nutzbares Biogas. Das fäkalienfreie Restabwasser (Grauwasser) ist weitgehend nährstofffrei und könnte somit einfach und mit nur geringem Energieaufwand gereinigt werden (Kostenersparnis). Durch die Nutzung des Naßschlamms aus der Biogasanlage wird gleichzeitig der bei der Herstellung von Handelsdünger notwendige Energieaufwand reduziert.
• Da die Fäkalien nicht mehr in ein Leitungsnetz eingeleitet werden, wird das Problem der Mischwasserentlastung bei Kanalnetzen im Mischsystem (Rohabwasser in Gewässer) entschärft oder ganz vermieden.
• Etwa 30 - 50 Gewichts-% des Hausmülls (heutige Zusammensetzung) werden einer echten Verwertung im Kreislauf zugeführt.
• Der Wasserverbrauch sinkt um etwa 20 - 40%.
• Durch die weitgehende Rückführung der Nährstoffe in die Landwirtschaft und die Trennung der Fäkalienbehandlung vom Wasserkreislauf wird ein sehr weitgehender Gewässerschutz erreicht.

Für ökologische Sanitärsysteme spielt der Energieverbrauch eine große Rolle. In Tabelle 1 ist ein grober Vergleich (Abschätzung) zum traditionellen Ansatz dargestellt. Dabei wurde der Energieaufwand für die Erstellung der Infrastruktur (graue Energie) nicht berücksichtigt. Auch der Energiebedarf für die beim traditionellen System erforderliche Handelsdüngerproduktion mit energieaufwendigen Verfahren zur Stickstoffgewinnung aus der Luft, Phosphatabbau in anderen Kontinenten und der bergbaulichen Kaliförderung ist nicht enthalten.

Tabelle 2: Abschätzung des Energieverbrauches des neuartigen Sanitärkonzeptes im Vergleich zum traditionellen System.

Neben der günstigeren Energie- und Nährstoffbilanz (Phosphor und Stickstoff) fällt auch die Kohlenstoff (CO₂)-Bilanz für das hier vorgeschlagene Konzept voraussichtlich deutlich günstiger aus. Im Gegensatz zum traditionellen Konzept werden trotz der Annahme, daß sämtlicher Klärschlamm in der Landwirtschaft ausgebracht würde (dies ist in Deutschland jedoch nur für ca. 30 % der Fall) beim Trenntoiletten/Biogas-Konzept ca. 20-40 % weniger Kohlendioxid emittiert und bis zu 30 % mehr an Kohlenstoff im Boden gespeichert (s. Abb. 3).

Das vorgestellte Konzept basiert auf einer Zusammenarbeit mit Landwirten aus der Region, die den erzeugten Flüssigdünger langfristig verwenden. Im Rahmen des Projektes sind hierfür die organisatorischen und rechtlichen Voraussetzungen zu klären und die Abnahme der anfallenden Mengen sicherzustellen. Im Gegenzug können die Produkte des entsprechenden Betriebes im Siedlungsgebiet angeboten werden. Da im Sinne der Dauerhaftigkeit ökologisch wirtschaftende Betriebe auf natürliche Kreisläufe setzen, ist das Schließen des Nahrungskreislaufes eine konsequente Fortführung der Grundideen.

Abb. 3: Kohlenstoffbilanz für das konventionelle Entwässerungskonzept (aerobe Abwasserbehandlung) gegenüber dem vorgeschlagenen ökologischen Sanitärkonzept (Trenntoilette/Biogas)

(Annahme: 100 % ige Verwertung der Klärschlämme in der Landwirtschaft beim konventionellen Konzept; Bezugsgröße: Kohlenstoffgehalte von Abwasser und Bioabfällen für ca. 300 000 Einwohner/Jahr)

Bezogen auf die Bewohner/Nutzer des Gebäudes lassen sich die zu erwartenden Vorteile bei Umsetzung des ökologischen Sanitärkonzeptes wie folgt quantifizieren:

• Deutlich geringerer Trinkwasserverbrauch (ca. 315 m³ Wasser pro Jahr -a 10,5 m³ pro Person und Jahr).
• CO₂-neutrale Wärmeerzeugung (nutzbare Wärme, ca. 3.900 kWh/Jahr 130 kWh pro Person und Jahr).
• Erzeugung eines vollwertigen Flüssigdüngers (ca. 100 m³/a).
• Mittel- bis langfristige Kostenentlastung der Bewohner bei steigenden Wasser-, Abwasser- und Energiekosten.

Literatur

• [1] Lange, Jörg; Otterpohl, Ralf (1996): Abwasser - Handbuch zu einer zukunftsfähigen Wasserwirtschaft, ökologie Aktuell, Mallbeton, DS-Pfohren, 225 S.
• [2] Schulz, Heinz (1996): Biogas-Praxis, ökobuch-Verlag, Staufen, ISBN Nr. 3-922964-59-1, 187
• [3] Beckereit, M. (1988): Kosten der anaeroben Abwasserbehandlung, Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Universität Hannover, Heft 71
• [4] Kroll, Rainer; Diekmann, Reinhard; Lindert, Mark (1995): Behandlung von Bioabfall in Vergärungsanlagen - eine Marktübersicht, Entsorgungspraxis 5/95
• [5] ATV/BDE/VKS-Fachausschuß 3.8 Biogas: Gewinnung, Aufbereitung und Verwertung von Biogas. Korrespondenz Abwasser, 8/94, 41. Jahrgang, S. 1379-1391.
• [6] B. Gutterer, L. Sasse: Bericht Biogas Survey 1992, Bremen 1993, BORDA Bremen Overseas Research and Development Association
• [7] IFE Institut für angewandte Forschung und Entwicklung GmbH: Marktübersicht, Behandlung von Bioabfall in Vergärungsanlagen, Dezember 1994
• [8] Bahlo, Klaus; Wach, Gerd (1992): Naturnahe Abwasserreinigung, ökobuch-Verlag, Staufen, ISBN Nr. 3-922964-52-4
• [9] UBA - Umweltbundesamt, Hagendorf, Ulrich; Hahn, Jürgen (1994): Untersuchungen zur umwelt- und seuchenhygienischen Bewertung naturnaher Abwasserbehandlungssysteme, Texte 60/94
• [10] Reicherter, Eckart; Günthert, Frank Wolfgang: Ein Modell zur Kostenschätzung für Abwasserkanalisationen. Korrespondenz Abwasser, Heft Nr. 2, 1997

Kurzbeschreibung:

Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll ein neuartiges ökologisches Sanitärkonzept für ein Wohn- und Bürogebäude realisiert und seine Funktionsfähigkeit demonstriert werden. Kern dieses Konzeptes ist es, Fäkalien und Urin von dem sonstigen Abwasser getrennt zu halten und mit möglichst geringen Wassermengen in eine Biogasanlage abzuleiten. Um den Wasserverbrauch der Toiletten möglichst weitgehend zu reduzieren, werden Trenntoiletten bzw. Vakuum-Trenntoiletten eingesetzt. In der Biogasanlage wird dieser Abwasserteilstrom gemeinsam mit Biomüll anaerob behandelt. Der verbleibende Restschlamm kann als Flüssigdünger in der Landwirtschaft verwertet werden, das anfallende Biogas wird energetisch genutzt. Das verbleibende Grauwasser aus den Bereichen Waschen und Körperpflege enthält nur noch geringe Mengen an Nährstoffen und kann deshalb mit nur geringem Aufwand gereinigt werden.