Abwasser. Stadtwerke Amstetten und deren Kraftwerk

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1 Abwasser als Energiequelle für Stadtwerke Amstetten und deren Kraftwerk Ing. Gottfried W. Adelberger

2 Übersicht Abwasser und Trinkwasser als Energiequelle Überschuss und Bedarf zusammenführen Energiekarte Abschätzung Potential Abwasserwärme Prinzip der Abwasserwärmenutzung Forschungsprojekt Energie aus Abwasser Kriterien für Energie aus Abwasser Wettbewerbssituation für Energie aus Abwasser Anlagenprojektierung / Machbarkeitsstudie Projektierte und ausgeführte Beispiele Zusammenfassung 2

3 Einsatzbereiche Abwasser als Energiequelle Hauptanwendungsbereiche: Raumheizung und Raumkühlung Prozesswärme Warmwasserbereitung Branchen: Krankenhäuser (Heizen UND Kühlen) Industrie- und Gewerbebauten (Heizen UND Kühlen) Verwaltungsgebäude (Heizen UND Kühlen) und mehrgeschossige Wohngebäude Landwirtschaft Gewächshäuser, Fischzuchten, Molkereien, Schlachthöfe Hotels (Heizen UND Kühlen), Wellnessbereiche, Schwimmbäder (Heizen UND Entfeuchten) Supermärkte (Heizen UND Kühlen) Infrastrukturanlagen (Eisfreihaltung) 3

4 Abwasser und Trinkwasser als Energiequelle Abwasserkanäle sind Energieverteiler ähnlich wie ein Fernwärme- oder Fernkältenetz Sie erschließen sowohl Städte als auch Siedlungs- und Industrie- / Gewerbegebiete Im Abwasser ist, neben wiederverwertbaren Rohstoffen, die Wärmeenergie aus Haushalt, Industrie und Gewerbe gespeichert Trinkwasser kann dann als Energiequelle dienen, wenn es zu warm zum Verbraucher kommt und durch Abkühlung eine Qualitätsverbesserung erreicht wird 4

5 Überschuss und Bedarf zusammenführen Wo im Kanalnetz gibt es Abwärme in entsprechender Kapazität? Wo sind die Verbraucher, die diese Umweltenergie nutzen könnten? Welche Entfernungen sind zu überwinden? Welche Verbraucher benötigen Kühlung und in welchen Kanalstrang kann diese Energie abgegeben werden? Das ganze gilt auch für Industriebetriebe, Krankenhäuser, Wäschereien, überall wo Heizund Kühlenergie etwa zeitgleich benötigt wird Lösung Energiekarte 5

6 Beispiel Energiekarte (Quelle: Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer, GFM Beratende Ingenieure GmbH, München) 6

7 Inhalt einer Energiekarte (Quelle: Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer, GFM Beratende Ingenieure GmbH, München) Vorhandene Energieinfrastruktur (Fernwärme, Geothermie, Kanal) Abwassermenge / Wärmepotenziale Dimension und Zustand vorhandener Kanalhaltungen Differenzierte quantitative Darstellung der Gebiete mit Wärmenutzungspotenzial (vorhandene und ausgewiesene Baugebiete) Markierung möglicher Wärmeabnehmer mit Angabe von deren Heizenergiebedarf (Kühlenergiebedarf) 7

8 Abwasser - die unbeachtete Wärmequelle 8

9 Prinzip der Abwasserwärmenutzung Nach der ARA Quelle: Bundesamt für Energie BFE EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen 9

10 Forschungsprojekt: Energie aus Abwasser Potentiale und Machbarkeit für Österreich erheben Dabei wurde GAV Amstetten als gut geeignetes Projekt für eine Machbarkeitsstudie ausgewählt Konsortialführer: Ochsner Wärmepumpen GmbH Projektpartner: Austrian Energy Agency Universität für Bodenkultur Fernwärme Wien GmbH Energie Schweiz für Infrastrukturanlagen 10

11 Ziele des Projekts Abwasserwärme/-Kältenutzung in Österreich kaum bekannt Erschließung der Energiequelle in Österreich Schaffung von Voraussetzungen für eine rasche Verbreitung Optimierung der Systeme im Zusammenspiel mit den Abwasser Wärmetauschern Erarbeitung von Grundlagen für Entscheidungsträger Anlagenbesichtigung Schweiz 11

12 Ursprünglich sollten (aufgrund der hohen Energiemenge im Abwasser) mehrere Objekte mit Abwasser beheizt werden: Und zwar: Stadtwerkehaus monovalente Wärmepumpe Wohnhaus Winklarnerstraße 19 monovalente WP Volksschule Allersdorf bivalent / alternative WP Kindergarten Allersdorf bivalent / alternative WP Einzelne Abwasserwärmetauscher Variante: Gemeinsamer Wärmetauscher, dezentrale Wärmepumpen 12

13 Lageplan der Objekte: Anlagenbesichtigung Schweiz 13

14 Die einzelnen Objekte sind leider nicht direkt neben dem betreffendem Abwassersammler, sondern doch einigermaßen weit entfernt (jeweils kürzeste Entfernung zum Abwassersammler) ca.: Stadtwerke Gebäude Volksschule / Kindergarten Allersdorf Wohnhaus Winklarnerstraße m 220 m 80 m Dadurch ergaben sich relativ hohe Kosten für die erforderlichen Nahwärmeleitungen, sodass die Amortisationsdauer zu lang wurde 14

15 Es wurden dabei verschiedene Varianten untersucht, die zwar alle relativ große CO 2 -Einsparungen gebracht hätten (nämlich ca. 66 t/a oder 63 % Reduktion), aber von der Wirtschaftlichkeit der Investition her noch nicht optimal waren. Variante 1: Einzelne Abwasser WT und einzelne Wärmepumpen Investitionskosten zwischen 550 und 650 T (je nach eingeplantem Abwasserwärmetauscher) Variante 2: Ein Abwasserwärmetauscher und einzelne Wärmepumpen (kalte Nahwärme) Investitionskosten zwischen 540 und 570 T Beide Varianten wurden verworfen, da sich bei den betrachteten Energiepreisen eine Amortisationsdauer von mehr als 20 Jahren ergeben hätte. 15

16 Variante 3: Ein Abwasserwärmetauscher und eine Wärmepumpe für alle Objekte (Warme Nahwärme) Investitionskosten zwischen 350 und 405 Tsd Diese Anlagenvariante hat die relativ günstigsten Investitionskosten und eine vertretbare Amortisationsdauer ergeben Die Amortisationsdauer lag aber auch hier noch, bei den aktuellen Energiepreisen, bei etwa 18 Jahren Letztendlich wurde auch diese Konzeption als realisierbares Pilotprojekt verworfen, da einerseits die Amortisationsdauer zu lang erschien und andererseits auch noch Unwägbarkeiten bei den Nahwärmeleitungen und der Einbindung unterschiedlicher Objekte zu erwarten waren. 16

17 Es wurden für diese Studie die unterschiedlichsten Abwasser-WT-Varianten untersucht: Uhrig Thermliner (DE): Wird direkt im Kanal eingebaut und vom Abwasser überströmt Huber RoWin (DE): Das Abwasser wird über einen Entnahmeschacht aus dem Kanal entnommen, Feststoffe werden ausgesiebt, das gefilterte Abwasser wird über einen Pumpenkreislauf zum WT gefördert und gibt dort die Energie an den Kühlkreislauf der WP ab Kasag Langnau (CH): Wird direkt im Kanal eingebaut und vom Abwasser überströmt Jaske & Wolf, Lingen (DE) Das Abwasser wird aus dem Kanalnetz entnommen und über den Wärmetauscher geführt Weiters wurden auch noch BlueSynergy (DE) und Rabtherm (CH) in die Überlegungen einbezogen 17

18 Variante 1 Thermliner Form B Firma Uhrig Dieser Wärmetauscher wird direkt im Abwasserkanal eingebracht und ist vom Abwasser überströmt In den einzelnen Wärmetauscherelementen aus Edelstahl fließt das Kühlmedium von der Wärmepumpe und nimmt dabei die Energie aus dem Abwasser auf Quelle: Fa. Uhrig 18

19 Thermliner Vorteile und Nachteile Vorteile: Keine zusätzliche Infrastruktur erforderlich Keine bewegten mechanischen Teile Kein Energieverbrauch für die Förderung des Abwassers durch den Wärmetauscher Relativ leicht reinigbar Nachteile: Während der Montage muss das Abwasser umgeleitet werden Erst ab gewissen Kanalquerschnitten möglich (In diesem Fall muss der Kanal begehbar sein) 19

20 Variante 2 System Huber ThermWin Bei diesem System wird das Abwasser aus dem Verbandssammler in einen Entnahmeschacht umgeleitet Mittels einer Siebanlage wird das Abwasser von Feststoffen befreit, die mittels einer Förderschnecke zurück in den Kanal kommen. Das grob gereinigte Abwasser wird mittels einer Tauchpumpe zum Wärmetauscher RoWin befördert und gibt dort die Energie an die WP weiter 20

21 Huber ThermWin Vorteile und Nachteile Vorteile: Während der Montage muss das Abwasser praktisch nicht umgeleitet werden Auch bei kleinen Kanalquerschnitten einsetzbar Wärmetauscher ist außerhalb des Kanalnetzes reinigbar Nachteile Zusätzliche Abwasserförderpumpe erforderlich (Abnutzung, Energieverbrauch) Bewegte mechanische Teile für die Förderanlage Mechanische Reinigungseinrichtung am Wärmetauscher Zusätzlicher Entnahmeschacht erforderlich Platzbedarf für Wärmetauscher 21

22 Variante 3: DUPUR Wärmetauschersystem von Jaske & Wolf, Lingen externer Wärmetauscher, Abwasser wird im Kanal entnommen, gesiebt, und über den Wärmetauscher geführt. Abwasser ist in den Innenrohren, die mit Molchen bedarfsabhängig gereinigt werden Wärmepumpenwasser befindet sich im Mantel um die Abwasserrohre Thermodynamisch optimiert, arbeitet im reinen Gegenstrom, daher sehr gute Übertragungsleistungen, auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen WP und Abwasser Wenn es gelingt, die Abwasserrückgabe in den Kanal wieder auf dem gleichen Niveau wie die Entnahme zu machen, und die Rückgabe in den Abwasserfluss eintaucht, erhalten wir kommunizierende Gefäße und müssen energetisch den Höhenunterschied nicht mit der Pumpenleistung aufbringen, sondern nur die Rohrreibungsverluste und die WT-Widerstände. 22

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24 Jaske & Wolf DUPUR Vorteile und Nachteile Vorteile: Während der Montage muss das Abwasser praktisch nicht umgeleitet werden Auch bei kleinen Kanalquerschnitten einsetzbar Wärmetauscher ist außerhalb des Kanalnetzes reinig bar Durch reinen Gegenstrom sehr niedrige Temperaturdifferenzen möglich Durch kommunizierende Gefäße nur WT und Rohrleitungswiderstand zu überwinden Nachteile Zusätzliche Abwasserförderpumpe erforderlich (Abnutzung, Energieverbrauch) Bewegte mechanische Teile für die Förderanlage Reinigungseinrichtung am Wärmetauscher Zusätzlicher Entnahmeschacht erforderlich Platzbedarf für Wärmetauscher 24

25 Betriebsgebäude Stadtwerke Amstetten und Kraftwerk - Anlagenkonzeption Auf Basis der ursprünglichen Varianten Energie aus Abwasser entstand das Konzept: Betriebsgebäude Stadtwerke komplett mit Fußbodenheizung und daher für Wärmepumpe bestens geeignet Kraftwerk der Stadtwerke elektrisch beheizt Isolierte Rohrleitungen zwischen Heizraum und Kraftwerk vorhanden Die Idee als Konzeption: Strom verkaufen, Kraftwerk umstellen auf Niedertemperaturheizung Energiequelle ist das Abwasser Im Sommer Kühlung, Energiespeicher ist das Abwasser Vorhandene Gaskessel als Backup-Lösung bzw. zur absoluten Spitzenlastabdeckung (99,9 % erbringt das WP-System) 25

26 Lageplan (erstellt von IKW Amstetten) 26

27 Anlagenkonzeption: Anlage wird bivalent / parallel ausgelegt (von der Hydraulik) Die Wärmepumpe reicht mit 228,2 kw leistungsmäßig bis zu einer Außentemperatur von -14,7 C Das Abwasser (min. 130l/s, 22 C) wird um 0,34 C abgekühlt Das Kraftwerk wird auf Niedertemperatur-Heizkörper umgestellt Auslegung der WP auf 45 C maximale Vorlauftemperatur Abwasser-Wärmetauscher im Kanal von wird Therm-Liner von Uhrig, D Geisingen, ausgelegt auf 10 / 15 C Durch diese Auslegung erreicht die OCHSNER Wärmepumpe eine Leistungszahl von 5,4 und eine Jahresarbeitszahl von 4,5 Kühlbetrieb im Sommer mit einer minimalen Vorlauftemperatur von 16 C (um über dem Taupunkt zu bleiben) Energieabgabe an das Abwasser 27

28 Hydraulikschema (Wagner & Partner, Linz) 28

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34 Betriebsgebäude Stadtwerke Amstetten und Kraftwerk Kostenabschätzung (Angebote , Stadtwerke Amstetten) Richtpreis excl. Ust Wärmepumpe Heizung inkl. Zubehör OCHSNER Wasser Wasser Wärmepumpe IWWS 210ER Super Visions System (Überwachung über Internet) (nicht erforderlich) elektronischer Kältekreiscontroller OECC (im Grundpr. enth.) 0 Sanftanlauf Schallschutzhaube Mehrpreis Schallschutz kapselung Inbetriebnahme Summe WP Heizung Installation, Rohrleitungen, Umwälzpumpen Umwälzpumpe, Rohrleitungskompensatoren, usw. zwischen Wärmepumpe und Abwasser Wärmetauscher bzw. zwischen Wärmepumpe Kondensator und Pufferspeicher ==> Anteil aus Installateurangebot Heizung Kraftwer Pufferspeicher 15 l / kw Heizleistung = l (4.000 l in Heizungs Angebot enthalten) 0 Einbringung WP in Aufstellungsraum (Felbermayr) Montage / Demontage WP Schaltschrank Bauliche Maßnahmen 0 Zwischensumme Wärmepumpen Anlage

35 Wärmetauscher Kanal Entschieden Variante Uhrig Wasser 10 / 17 C (im Kanal eingebaut) Wasserhaltung während der WT Montage (345 l/sec, xxx mm DM, ca 45 m) Summe Uhrig Zwischensumme Kanal Wärmetauscher Rohrleitungen zwischen WT und WP Künette 80 x 125 cm für 2 x PVC DN 100 (Leitner Bau) Rohrleitung DN110 Rohr PE 100A inkl. Isolierung (Stadtwerke intern) inklusive der Leitungen im Keller (3.267,-) Elektro Leerverrohrung für Fühlerleitung plus Verkabelung (2 x PT 1000 Fühler Uhrig) 0 ca. 205 m von Entnahmestelle Kanal bis Betriebsgebäude Kraftwerke Amstetten, Stadtwerkestraße 2 in Uhrig Angebot enthalten Zwischensumme Rohrleitungen WT zu WP Regelung / GLT Gebäudeleittechnik Komponenten Siemens Schaltschrank und Arbeitszeit (Stadwerke intern) Austausch bestehender Regelung (Prozessor alleine 4.000,- ) 0 Zwischensumme Regelung / GLT

36 Einbindung in Kläranlagenleitsystem (nicht erforderlich mit Uhrig WT) 0 Umstellung Kraftwerk von Elektro auf NT Heizung Umstellung der Heizungsanlage des Kraftwerks von elektrischer Direktheizung auf bivalente Wärmepumpenheizung laut Angebot Firma Gartner, Amstetten vom Verbindungsleitungen zwischen Wärmepumpen Heizraum und Kraftwerk sind vorhanden Gesamt inkl WP Verrohrung und Umbauarbeiten Werkstätte ==> bei WP, bei Umstellung Sonstiges (inkl AIT) SUMME Stadtwerke Zentrale und Kraftwerk Kosten AIT (Personalkostenanteil) 0 Detailplanung (Haustechnik, Kanal, Verbindungsleitungen Kanal zu WT) Summe inkl Detailplanung

37 Gaspreis Kalkulation Rechnung EVN vom Abrechnung bis Verbrauch Abrechnungsperiode ,5 kwh 367 Tage Verbrauch Vorjahresperiode ,7 kwh 361 Tage Durchschnitt Gasverbrauch (1998 bis 2010) ,0 k Wh Werte aus Gasabrechnung 2011 Hochrechnung mit Durchschnitts Verbrauch Tarif Mega kwh Grundpreis für 365 Tage 12,00 12,00 /anno Aktueller Gaspreis (ab ) 4,41 ct/kwh , ,60 /anno Netznutzungsentgelt Netznutzungsentgelt Ebene 3 aus Abrechnung , ,5 kwh 1, ct/kwh , ,53 /anno Entgelt für Messleistungen 38, Tage 38,03 /anno Abgaben, Zuschläge, Förderbeiträge 1.587, ,5 kwh 0,5898 ct/kwh , ,21 /anno Summe mit durchschnittlichem Gasverbrauch , , bis Stadwerke Aktueller Amstetten Gesamtgaspreis inkl Messleistungen usw ,0 6,28 ct/kwh

38 Amortisation mit Minimal Förderung Anlagenpreis Variante 1 abzüglich Gaskesse Mehr Invest Invest ,00 BK Ersparnis WP ,92 IWWS 210ER2 Gesamtanlage inkl.zubehör etc Kapitalzins % 3,5 abzüglich Förderung Zwischensumme Energiezins % 4 Gas 4 Strom 2,1 38

39 Jahre Invest Einsparung , ,92 Preis 1 [ Ct/kW , , , ,55 COP WP 5,60 Gas 6, , ,25 Strom WP Mischpreis 12, , ,34 Jahresverbrauch Gas und Strom Bestand Strom E-Heizung 14, , , kwh - % 100,00% , , , , , , , ,18 Bestand Summe Bestand , ,39 Strom Kraftw ,12% 9.800, , ,17 Gas BetrGeb kwh - % 80,88% , , , ,37 Geplant WP bivalent Ermittlung Energiebedarf , ,95 Ges. Heizenergie Jahres Nutz.Gr 0, , ,90 Gas , , ,34 Strom Kraftw , ,43 Geplant , ,45 Ges. Heizenergie kwh Deckung Summe WP 7.944, , , Mit WP Strom (/ COP 99,90% 7.503, , , Gas 88 % JNGr 0,10% 23, , , VBh Wartung WP - Gask Anlage / a -270, , ,33 2 kw 0 Strom Umwälzpumpe Abwasser 0, , ,27 3 kw Strom UWP Kalte Seite WP 687, , , , , , , , ,00 Ersparnis WP zu: , ,76 72,02 Bestand , , , , , , , , , , , , , , ,65 39

40 Amortisation mit guter Förderung Anlagenpreis Variante 1 abzüglich Gaskesse Mehr Invest Invest ,00 BK Ersparnis WP ,92 IWWS 210ER2 Gesamtanlage inkl.zubehör etc % Kapitalzins % 3,5 abzüglich Förderung Zwischensumme Energiezins % 4 Gas 4 Strom 2,1 40

41 Jahre Invest Einsparung , ,92 Preis 1 [ Ct/kW , , , ,55 COP WP 5,60 Gas 6, , ,25 Strom WP Mischpreis 12, , ,34 Jahresverbrauch Gas und Strom Bestand Strom E-Heizung 14, , , kwh - % 100,00% , , , , , , , ,18 Bestand Summe Bestand , ,39 Strom Kraftw ,12% 9.800, , ,17 Gas BetrGeb kwh - % 80,88% , , , ,37 Geplant WP bivalent Ermittlung Energiebedarf , ,95 Ges. Heizenergie Jahres Nutz.Gr 0, , ,90 Gas , , ,34 Strom Kraftw , ,43 Geplant , ,45 Ges. Heizenergie kwh Deckung Summe WP 7.944, , , Mit WP Strom (/ COP 99,90% 7.503, , , Gas 88 % JNGr 0,10% 23, , , VBh Wartung WP - Gask Anlage / a -270, , ,33 2 kw 0 Strom Umwälzpumpe Abwasser 0, , ,27 3 kw Strom UWP Kalte Seite WP 687, , , , , , , , ,00 Ersparnis WP zu: , ,76 72,02 Bestand , , , , , , , , , , , , , , ,65 41

42 Fragen? Danke für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit 42