Erfahrungen mit dem Pilotprojekt Bergsonstraße zur Abwasserwärmenutzung in München

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1 Erfahrungen mit dem Pilotprojekt Bergsonstraße zur Abwasserwärmenutzung in München Dr.-Ing. Bernhard Böhm M.Eng. Dipl.-Ing. (FH) Jörg Hagen Münchner Stadtentwässerung Friedenstraße 40, München Wärmenutzung aus Abwasser Fachveranstaltung des Referats für Gesundheit und Umwelt 1 am 12. November 2013

2 Abwasserwärmenutzung in München Gliederung Einführung Stadtentwässerung in München Nutzungsansatz Abwasserwärme der MSE Pilotprojekt Kanalbetriebsstation West - Technische Umsetzung - Betriebserfahrungen Fazit und Ausblick 2

3 Stadtentwässerung in München Stadtgebiet München Angeschlossene Umlandgemeinden Stadtrand Abwasserkanäle No rd west-samm elka na l Verb indungs kanal Isar Regenrückhaltbecken Groß la pp en Sp eichersee Pumpstation S che nke nd o rfstra ß e Le inthale rbrücke Obe rwie se nfe ld Be rth a v.s uttne r-weg Gyß lin gstraß e Hirsch g arten Zw eckverband Gräfelfin g Th alkirch ne r Str. Haar Würmtal Krailing Planegg Neuried Becker-Gu nd ahl-str. Isar Neu perlach Neu b iberg Pu tzbrun n Ortsteil Kefe rloh Gau ting Pullach Zweckverband Hachinger Tal Unterh achin g Otto bru nn Hoh enb run n Zw eckverband München Grünwald Südost Ta ufkirch en Baierbrunn S iegertsb ru nn Das Einzugsgebiet der Münchner Klärwerke Straßlach/ Dingharting Ob erh ach ing Saue rlach Brunn thal Höh enkirch en Ayin g 3

4 Stadtentwässerung in München Überblick Entwässerungssituation ha Gesamtfläche ha Einzugsfläche ha Mischsystem km Kanal Klärwerk II Gut Marienhof Isar Klärwerk I Gut Großlappen Isarkanal Entwässerungsgebiet Landeshauptstadt München 4

5 Stadtentwässerung in München Kanäle in München 5,65 m 3,80 m 5

6 Stadtentwässerung in München Kanäle in München Profilhöhenverteilung 550 DN 250 H 1100 Öffentliches Kanalnetz der Landeshauptstadt München DN km Länge [km] Verteilung Summenkurve Gesamtlänge [km] 150 H DN Profilhöhe [mm] 6 Stand 2012

7 Stadtentwässerung in München Kanäle in München Profilhöhenverteilung DN 250 H 1100 Öffentliches Kanalnetz der Landeshauptstadt München DN Länge [km] Verteilung Summenkurve Gesamtlänge [km] 150 H DN Profilhöhe [mm] 0 > Stand 2012

8 Stadtentwässerung in München Entwässerungssysteme ha Mischverfahren ha modifiziertes Mischverfahren ha Trennverfahren Isar Entwässerungsgebiet Landeshauptstadt München 8

9 Stadtentwässerung in München Münchner Stadtentwässerung MSE Eigenbetrieb nach Art. 88 Abs. 1 Gemeindeordnung - Abwasserableitung (Kanalnetz) - Abwasserreinigung (Kläranlagen) Stadtwerke München GmbH in städtischem Besitz - Trinkwasserversorgung - Energieversorgung (Strom, Gas, Fernwärme)

10 Ansatz Abwasserwärmenutzung Kooperation SWM MSE Schnittstellen Q Wärme = Q el + Q Anergie Kunde zahlt Wärmepreis an SWM Q Anergie = Q Wärme - Q el SWM zahlt Anergiepreis an MSE 10

11 Ansatz Abwasserwärmenutzung Kooperation SWM MSE Definition der Schnittstelle und der Zuständigkeiten Letter of Intent Absichtserklärung SWM-MSE Recherche zu Technik, Erfahrungen, Fördermitteln... Recherche geeigneter Abwasserkanäle (MSE) Recherche potenzieller Energieverbraucher (SWM, Bau-H7) Potenzialanalyse zur Nutzung der Abwasserwärme Ermittlung geeigneter Projekte (SWM, MSE, Bau-H7) Gemeinsame Kommunikation und Veröffentlichung der Ergebnisse 11

12 Ansatz Abwasserwärmenutzung Ökologische und ökonomische Randbedingungen Primärenergiebilanz - Nur als Ersatz eines energetisch ungünstigeren Energieträgers Wirtschaftlichkeit - Städtische Gesamtbetrachtung: Konkurrenz zur Fernwärmenutzung nicht sinnvoll 12

13 Ansatz Abwasserwärmenutzung Potenziell geeignete Objekte Mehrfamilienhäuser/Wohnsiedlungen - Kritische Stellungsnahmen von Wohnungsbaugesellschaften GWG, GEWOFAG, HEIMAG - Gespräche mit verschiedenen Bauträgern Öffentliche Gebäude - Verwaltungsgebäude - Schulen - Sportanlagen Bisher kein geeignetes Objekt zur Umsetzung der Technik 13

14 Kanalbetriebsstation West Bergsonstraße Entwässerungsgebiet Landeshauptstadt München 14

15 Kanalbetriebsstation West Bergsonstraße Ansicht vor Umbau 15

16 Kanalbetriebsstation West Bergsonstraße Ansicht nach Umbau 16

17 Kanalbetriebsstation West Bergsonstraße Neubau Sanitärbereich: Niedertemperaturheizung mit Wärmepumpe Bestand: Beibehaltung der alten Heizung 17

18 Kanalbetriebsstation West Bergsonstraße Wärmetauscherrinne Schmutzwasserkanal ÜE 1200/2050 Standort Wärmepumpe Betriebsstation West Soleleitungen DN 50 wärmegedämmt erdverlegt 18

19 Planungs-Eckdaten der Pilotanlage Anwendung - Niedertemperaturheizung für den Sanitärbereich einer KBS - Wasservorwärmung für Hochdruckreiniger Waschhalle Planungs-Eckdaten Energienutzung - Benötigte Heizleistung 32 kw - Temperatur Heizungsvorlauf 45 C - Versorgung auch über vorhandene Gastherme möglich Planungs-Eckdaten Abwasserkanal - Überhöhtes Eiprofil 1200 mm x 2050 mm - Überwiegend Schmutzwasser (Trennsystem) - Abfluß: Tagesmittel 23 l/s Minimum 12 l/s - Abwassertemperatur: min 12 C - Leitungslänge Kanal-Wärmepumpe 125 m 19

20 Auslegungsdaten Wärmetauscher Produkt - UHRIG THERM-LINER Form A Technische Daten - Gesamtlänge Angebot 18 m projektiert 19 m installiert 22 m ( Leistungsreserve) - Überströmte WT-Fläche 0,83 m²/m - Biofilmeinfluss 40 % - Entzugsleistung Kanal 25 kw min. - Temperatur Zwischenmedium 6 C Eintritt 11 C Austritt 20

21 Wärmetauscher THERM-LINER (UHRIG) Werkstoff Störkörper an der Oberfläche zur Erhöhung der Selbstreinigung und des Wärmeübergangs 21

22 Wärmetauscher THERM-LINER (UHRIG) Kanalregelprofil ÜE 1200/2050 Einbau WT-Elemente Zulaufgestaltung 22

23 Auslegungsdaten Wärmepumpe Produkt - Sole/Wasser-Wärmepumpe STIEBEL ELTRON WPF 27 Technische Daten - Entzugsleistung Kanal 21,3 kw - Elektrische Aufnahmeleistung 5,7 kw - Verfügbare Heizleistung 27,0 kw - Leistungszahl (min.) 4,7 - Volumenstrom primärseitig (Sole) 6,7 m³/h - Auslegungstemperatur Sole 7 C - Abschalttemperatur Sole 5 C 23

24 Wärmepumpe / Speicher 24

25 Projektablauf / / / /13 Konzeptionelle Überlegungen zur Realisierung eines Pilotprojekts Entscheidung zur Umsetzung des Pilotprojekts Ausschreibung, Aufbau und Inbetriebnahme der Anlage 1. Heizperiode: kein stabiler Betrieb möglich - Probleme mit der Steuerung - Austausch der Sole, Anpassung der WP erforderlich - Außerbetriebnahme wg. eines Lecks im Primärkreislauf (WT) Abdichtung Primärkreislauf, Wiederinbetriebnahme 2. Heizperiode: Betrieb möglich - diverse kleinere Anlagenstörungen 3. Heizperiode: durchgängiger Betrieb - Monitoring und Betreuung der Anlage im Rahmen einer Masterarbeit 25

26 Betriebserfahrungen Abwasserabfluss Wassertemperatur Wärmetauscher: Verunreinigung / Aufwuchs von Biofilmen Wärmepumpe: Verfügbarkeit / Laufzeit Wärmepumpe: Leistungszahl COP Ergebnisse der Masterthesis Wärmeenergie aus Abwasser von Dipl.-Ing. (FH) Jörg Hagen 26

27 Betriebserfahrungen Abfluss Abwasserkanal Abfluss Q [l/s] Gemessener Abfluss im Kanal Dez Apr

28 Betriebserfahrungen Abfluss Abwasserkanal Abfluss Q [l/s] n [-] 0 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24: Zeit [hh:mm] Abfluss Q [l/s] Typische Tagesganglinie Abfluss im Kanal Verteilungskurve Abfluss 28

29 Betriebserfahrungen Abwassertemperatur Temperatur T Abw [ C] Abwassertemperatur im Kanal Dez Apr

30 Betriebserfahrungen Abwassertemperatur Temperatur T [ C] :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 Zeit [hh:mm] 16:00 18:00 20:00 22:00 Typische Tagesganglinien der Abwassertemperatur im Kanal 24:00 n [-] Temperatur T Abw [ C] Verteilungskurve der Abwassertemperatur 30

31 Betriebserfahrungen Einfluss Niederschlag Tagesganglinie Abfluss im Kanal mit Schmelzwasser 31 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 Abfluss Q [l/s] Temperatur [ C] Zeit [hh:mm]

32 Einschub Einfluss Niederschlag Beispiel aus Projektrecherche in München [ C] Temperaturmessung im Mischwasserkanal Wotanstraße (März 2009) 32

33 Betriebserfahrungen Verunreinigungen / Biofilme Nach Inbetriebnahme regelmäßige Inspektion und Reinigung des Wärmetauschers in kurzen Intervallen Ablagerungen vor allem vor dem WT ( Einschnürung Fließquerschnitt) keine hydraulische Beeinträchtigung Auswirkungen auf Wärmeübergang nicht nachweisbar Zur Verringerung des betrieblichen Aufwands Reinigungsintervalle verlängert 33

34 Betriebserfahrungen Verunreinigungen / Biofilme Soleleitungen als merkliches Strömungshindernis Verunreingungen / Ablagerungen an den Leitungen Verbesserung durch Profilierung mit Zementmörtel Technisch nicht optimal gelöst 34

35 Betriebserfahrungen Wärmepumpe Stromaufnahme WP [MWh] Volllast WP 5,7 kw reale Stromaufnahme WP Abschaltzeiten durch Stromversorger SWM (max. 3 x 2 h / d "unterbrechbare Verbrauchseinrichtung") Während der Betriebszeiten meist nur Teillast Anlage ist bei Weitem nicht ausgelastet Stromaufnahme Wärmepumpe Beispieltag :00-21:00 Uhr 35

36 Betriebserfahrungen Heizungsanlage Wärmemenge [MWh/d] Abgegebene Wärmemengen der Pufferspeicher werden durch die Wärmepumpe stets vollständig nachgeführt Spitzenverbrauch 300 kwh/d WP liefert 15 kw ( Tagesmittel, 20 h Laufzeit) Redundante Zusatzheizung (Gastherme) wird nicht benötigt Wärmemengenbilanz Dez Apr Wärmepumpe Heizkreis Hochdruckreiniger und Wärmeverluste 36

37 Betriebserfahrungen Wärmepumpe Leistungszahl COP [-] Schwankungen wegen der geringen Auflösung der Messeinrichtungen Fallende Abwassertemperaturen ziehen eine Abnahme des COP nach sich Die spezifizierte Leistungszahl COP > 4,7 wird im Mittel erreicht Coefficient of Performance COP Dez Apr

38 Kosten Wärmepumpe + Zubehör Abwasserwärmetauscher Investition Wartung/ Instandhaltung Betrieb [EUR] [EUR/a] [EUR/a] *) Soleleitungen Nebenkosten Summe *) incl. 1 Sonderreinigung/a vor der Heizperiode 38

39 Wirtschaftlichkeit Abwasserwärmenutzung Gasbrennwertanlage Kapital Verbrauch Gesamt [EUR/a] [EUR/a] [EUR/a] Jahreskosten [EUR/a] Verbrauch Kapital Ursachen für Unwirtschaftlichkeit Wärmebedarf ist zu gering ( Rentabilität typisch Q W > 100 kw) Komponenten sind relativ zum Bedarf zu groß Relativ großer Abstand WT - WP Abwasserwärmenutzung 2475 Gasbrennwertanlage Hohe Ansätze für Wartung und Unterhalt ( zu hoch?) 39

40 Abwasserwärmenutzung in München Fazit und Ausblick Suche nach geeigneten Objekten zur Abwasserwärmenutzung in München bisher nicht erfolgreich Pilotprojekt "Kanalbetriebsstation West" ist nach Behebung von Anfangsproblemen technisch erfolgreich, aber nicht wirtschaftlich Durch weitere Optimierung des Betriebs der Anlage kann die Wirtschaftlichkeit noch verbessert werden Die Suche nach geeigneten Anwendungsobjekten wird fortgesetzt Verschiedene rechtliche Randbedingungen sind noch zu klären 40

41 Abwasserwärmenutzung in München Das Pilotprojekt "Abwasserwärmetauscher und Wärmepumpe in der Kanalbetriebstation West" wurde im Rahmen des Best-Practice-Programms Innovative Technik mit erneuerbaren Energien durch das Referat für Gesundheit und Umwelt gefördert 41

42 Abwasserwärmenutzung in München Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 42