Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser

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1 Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser Ingenieurbüro H. Berg & Partner GmbH, Aachen Malmedyer Straße 30, Aachen, Tel

2 H. Berg & Partner GmbH, Malmedyer Straße 30, Aachen 28 Mitarbeiter davon 19 Ingenieure 2

3 Startblock Fachveranstaltung am in Düren Arbeitsgebiete H. Berg & Partner GmbH Gewässer Trinkwasser Abwasser Straße Biogas 3

4 Gliederung: Wärmegewinnung aus Abwasser Grundlagen Merkblatt DWA-M 114 Beispiele Wärmegewinnung aus Rohabwasser Beispiel Wärmegewinnung aus gereinigtem Abwasser Abwassertemperaturen auf Kläranlagen in der Region Wärmegewinnung aus Grundwasser Grundlagen Beispiel Wärmegewinnung aus Grundwasser Beurteilung nach EEWärmeG Fazit und Ausblick 4

5 Wärmegewinnung aus Abwasser 5

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7 Vorteile der Wärmenutzung aus Abwasser Großes nutzbares Wärmetauschpotenzial Langfristig sichere Energiequelle Wärmeangebot ständig und in großer Menge verfügbar Großes Reduzierungspotenzial für CO 2 -Ausstoß Gewässerschutz (Reduzierung der thermischen Belastung) Keine Preissteigerungen für Abwasserwärme gegenüber hohen Preissteigerungen für fossile Wärmeerzeugung 7

8 Entwicklung Verbraucherpreise für verschiedene Energieträger (Quelle: Statistisches Bundesamt 2010) 8

9 9

10 Wärmeübertragungssysteme im Kanal nachträglich eingebaute Wärmetauscher integrierte Wärmetauscher außerhalb des Kanals angeordnete Wärmegewinnungsanlagen (WGA) 10

11 Wärmetauscher als Fertigteilelement (Foto: TBL) 11

12 Aufbau Therm-Liner Element (Quelle: Uhrig) 12

13 Betonrohr mit einbetonierten Wärmemediumrohren (Foto: Uhrig) 13

14 Thermpipe Grundlagen, Fa. Frank Die nutzbare Wärme wird nicht allein dem Abwasser entzogen. Durch den profilierten Aufbau der Rohre wird ebenso Wärme aus dem umgebenden Erdreich entnommen. Profilquerschnitt Anteil Erd- zu Abwasserwärme 14

15 PKS-Thermpipe der Fa. Frank 15

16 Bodentemperaturen Zeitversatz Jahresverlauf der Bodentemperatur in Abhängigkeit der Tiefe (Quelle: IGSHPA/NRECA entnommen aus DWA-M 114) 16

17 Außerhalb des Kanals angeordnete WGA Energiestation mit Abwasservorreinigung 1 Abwasserkanal 2 Abwasserentnahme 3 Schachtsiebanlage 4 Siebkorb 5 Gesiebtes Abwasser 11 6 Wärmetauscher Wärmepumpe 8 Energiespeicher Heizungsvorlauf 10 Abwasserrücklauf 11 Siebgut- und Abwasserrückführung (Quelle: Huber) 17

18 Beurteilung der Standorte für die Wärmegewinnung Orte der Wärmegewinnung im Entwässerungssystem nach der Kläranlage Vorteile in der Regel kurze Wärmetransportwege kein Einfluss auf Abwasserreinigung größte Abwassermenge und bessere Wärmeübertragung, somit größtes Wärmeangebot benutztes Abwasser ist gereinigt, somit evtl. keine Reinigung erforderlich Nachteile Einbauten bedingen eine aufwändigere Überwachung und evtl. Reinigung Einfluss auf Abwasserreinigung infolge Temperaturabsenkung (Nitrifikation) oft keine Abnehmer in der Nähe, dadurch eher längere Wärmetransportwege etwas niedrigere Abwassertemperaturen als im Kanal 18

19 Systeme der Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen (Quelle: asue) 19

20 Kältenutzung (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe e.v.) 20

21 Funktionsprinzip einer Kompressions-WP (Quelle:Vortrag J. Lambauer, IER, DWA-Workshop am

22 Kompressionswärmepumpe mit Gasmotor-Antrieb Eine Besonderheit der Gasmotorwärmepumpe ist das Angebot von gleich vier unterschiedlichen Temperaturniveaus: Verdampferwärme 10 C und tiefer, je nach Wärmequelle. Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess, 40 bis 50 C. Kühlwasserabwärme des Gasmotors, ca. 90 C. sensible Wärme aus dem Abgas des Gasmotors, ca. 100 C bis 600 C. Zugute kommen den Gaswärmepumpen die enormen Fortschritte bei der Entwicklung von Gasmotoren aufgrund der Erfahrungen bei Blockheizkraftwerken. (Quelle: asue) 22

23 Gaswärmepumpen als CO 2 -Einsparer Gaswärmepumpen sind gegenüber anderen Heizsystemen nicht nur energetisch im Vorteil, sondern auch ökologisch. Vergleich der CO 2 -Emissionen unterschiedlicher Heizsysteme in einem Niedrigenergiehaus, bei dem verschiedene Primärenergieträger zum Einsatz kommen: Die Gegenüberstellung bezieht sich auf einen spezifischen Heizwärmebedarf von 70 kwh/m²a und einer Wohnfläche von 150 m². (Quelle: asue) 23

24 Merkblatt DWA-M 114 Energie aus Abwasser Wärme- und Lageenergie 24

25 DWA M-114 Einsatzgebiete und Grenzen Einbauvoraussetzungen Mindestabflussmenge: 15 l/s Misch- oder Schmutzwasserkanal keine stoßartigen Abflüsse mindestens DN 800 (nachträglicher Einbau) hydraulische Leistungsfähigkeit des Kanals ausreichend (nachträglicher Einbau) 25

26 DWA M-114 Einsatzgebiete und Grenzen Wärmeabnehmer relativ große Wärmeabnehmer (> 150 kw) niedrige Betriebstemperatur der Heizung Möglichkeit der Abdeckung von Heiz- und Kühlbedarf 26

27 Anlage Bochum 2009 (Quelle: Uhrig) 27

28 Anlage Pinneberg 2009 (Quelle: Uhrig) 28

29 Anlage München 2009 (Quelle: Uhrig) 29

30 Wärmenutzung der STAWAG in Aachen Vortrag Dipl.-Ing. Uwe Lorenz, STAWAG, DWA-Workshop am

31 Wärmenutzung der STAWAG in Aachen Vortrag Dipl.-Ing. Uwe Lorenz, STAWAG, DWA-Workshop am

32 Wärmegewinnung aus gereinigtem Abwasser in Weiz, Österreich durch Stadtgemeinde Weiz 32

33 Abflussdaten Kläranlage Weiz von Mai 2006 bis April 2007 ( 33

34 Projektbasis Wärmegewinnung Weiz Wassermenge je Stunde: 70 m³ Temperaturniveau Winter: 10 C Temperaturniveau Sommer: 18 C min. Rückeinspeisetemperatur: 5 C ( 34

35 ( 35

36 Gruppenkläranlage Nordkanal: Temperatur Ablauf Biologie (Quelle: Erftverband, Bergheim) 36

37 35 Ablauftemperaturen der Kläranlagen Nordkanal und Düren Differenz: ca. 7,5 C - KA Düren - KA Nordkanal 0 (Quelle: Erftverband, Bergheim und Wasserverband Eifel-Rur, Düren) 37

38 Luftbild Kläranlage Düren-Merken Kläranlage Gewerbegebiet (Quelle: 38

39 Wärmegewinnung aus Grundwasser 39

40 Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlage (Quelle: Arbeitshilfen Geothermie) 40

41 Richtwerte ph-wert Chloride (Cl - ) Sulphid (SO 3 ), freies Chlorgas (Cl 2 ) Nitrat (NO 3 ) gelöst Sulfate (SO 4 2- ) Hydrogencarbonat (HCO 3- ) freie aggressive Kohlensäure (CO 2 ) Eisen und Mangan Sauerstoff elektrische Leitfähigkeit Gesamthärte 7, mg/l 1 mg/l 100 mg/l 70 mg/l mg/l 5 20 mg/l 0,5 mg/l 2 mg/l (Quelle: Arbeitshilfen Geothermie) 4,0 8,5 dh µs/cm 41

42 Wärmegewinnung aus Grundwasser in Mönchengladbach, Stadtteil Dahl durch NVV AG in Mönchengladbach 42

43 Übersicht Wasserwerk Leitung - Technikzentrale (Quelle: IKZ) Das 1997 stillgelegte Wasserwerk Dahl in Mönchengladbach wurde reaktiviert und liefert nun etwa 10 C warmes Grundwasser für die Wärmepumpen in der 600 m entfernten Firma SMS Meer. 43

44 Überprüfung Wasserparameter WW Dahl Parameter Richtwerte Dahl Leitfähigkeit µs/cm ph-wert 7,5 9,0 6,16 Chlorid mg/l Sulfat mg/l Kohlensäure mg/l Sauerstoff mg/l 2 2,9 Ammonium mg/l - 0,05 Eisen mg/l 0,5 0,02 Mangan mg/l 0,5 0,51 44

45 Ergänzende Installationen im ehemaligen WW Dahl Vertikalbrunnen (25 m tief, Durchmesser 600 mm) zur Wasserentnahme CO 2 Riesler zur Entsäuerung des aggressiven Rohwassers ( m³/h) 2 Pumpen (2 x 75 m³/h Förderleistung) im Keller zur Förderung des Grundwassers zu SMS Meer neue Rohrleitungen, Armaturen und Messtechnik im Wasserwerk Druckleitung DN 250 von 600 m Länge zum Gelände SMS Meer 45

46 Heiztechnik bei SMS Meer Monovalent - für Schwerlasthalle: Wärmetauscher (Heizung) 2 Wärmepumpen (jeweils 4-stufig, 8-stufiger Betrieb) Wärmetauscher (Kühlung) Pufferspeicher für Bürogebäude: Wärmetauscher (Heizung) 2 Wärmepumpen Wärmepumpe Wärmetauscher (Kühlung) 600 kw (auf 900 kw erweiterbar) 2 x 250 kw (55 C/50 C) 250 kw 400 kw 2 x 90 kw (35 C/30 C) 70 kw 250 kw 46

47 Erkundungsbohrung WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 47

48 Bohrung Vertikalfilter WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 48

49 CO 2 -Rieselentgaser WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 49

50 Wärmepumpen SMS Meer Die beiden Wärmepumpen der GEA Happel Klimatechnik verfügen jeweils über 4 Verdichter, so dass ein fein gestufter Teillastbetrieb möglich ist. (Foto: IKZ) 50

51 Pufferspeicher SMS Meer Der Pufferspeicher vermeidet eine zu schnelle Taktung der Wärmepumpen und sorgt so für einen verschleißarmen Betrieb. (Foto: IKZ) 51

52 Wärmetauscher SMS Meer Der Wärmetauscher bewirkt den Übergang vom Grundwasser-Kreislauf auf den Wasser-Glykol- Kreislauf der Wärmepumpen. Er ist für den Ausbau vorbereitet, falls bei SMS Meer eine Nachbarhalle angeschlossen werden soll. (Foto: IKZ) 52

53 Schwerlasthalle SMS Meer Rund 1,8 km lang sind die Deckenstrahlplatten in der Schwerlasthalle, die für Wärme bzw. im Sommer für Abkühlung sorgen. (Foto: IKZ) 53

54 Kosten der Wärmepumpenanlage WW Dahl/SMS Meer Herstellungskosten EUR/netto Brunnen und Rohrleitungen ,00 Tiefbau Rohrleitungen 3.000,00 Druckleitung DN ,00 Wärmepumpen und Zubehör ,00 Verfahrenstechnik, Rohrl., Armat. WW Dahl ,00 Lohnleistungen ,00 Elektrotechnik/Anschl. E-Versorgung ,00 Sonstiges , ,00 Ingenieur-Honorare ,00 Gesamtsumme ,00 54

55 Nutzen der Wärmepumpenanlage Dahl Energiegewinnung bis zu jährlich MWh Einsparung gegenüber Erdgasheizung jährlich 144t CO 2 Versorgungssicherheit für SMS Meer und Einnahmensicherheit für die NVV AG 20 Jahre 55

56 Wärmegewinnung aus Grundwasser in Mönchengladbach-Dahl Bauherr/Contractor: NVV AG, Mönchengladbach Ingenieurleistungen Heiztechnik bei SMS Meer: Ingenieurbüro Rolf Besten, Mönchengladbach Wassertechnik in WW Dahl: Ingenieurbüro H. Berg & Partner GmbH, Aachen 56

57 Beurteilung der Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser hinsichtlich EEWärmeG und EEG 57

58 EEWärmeG Wärmegewinnung aus Trinkwasser: Erneuerbare Energie Wärmegewinnung aus Abwasser: Keine Erneuerbare Energie, aber Ersatzmaßnahme nach 7 EEWärmeG 58

59 EEWärmeG: Nutzungspflicht Deckung des Wärmeenergiebedarfs von Gebäuden durch die anteilige Nutzung von Erneuerbaren Energien Deckung des Wärmeenergiebedarfs zu mindestens Geothermie und Umweltwärme 50 % Technische Mindestanforderungen an Wärmepumpen 59

60 EEWärmeG: Technische Mindestanforderungen bei Einsatz von Wärmepumpen Unterscheidung zwischen elektrisch und mit fossilen Brennstoffen angetriebenen Wärmepumpen (WP) Einzuhaltende Jahresarbeitszahlen 4,0 bei elektrisch angetriebener Wärmepumpe 1,2 bei mit Gas angetriebener Wärmepumpe Einbau eines Wärmemengen- und Stromzählers zur Berechnung der Jahresarbeitszahl 60

61 Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Wasser Wärmegewinnung aus Rohabwasser aus gereinigtem Abwasser aus Grundwasser aus überschüssigem Trinkwasser aus Gewässern und Kanälen mit Sümpfungswasser Wasserkraft (Stromvergütung nach EEG) aus Trinkwasser aus Abwasser 61

62 Elektrische Energie aus Trinkwasser (Quelle: Kempf, Fachtagung Energiegewinnung aus Trinkwasser und Abwasser) 62

63 Wärmeentnahme aus Trinkwasser (Quelle: Kempf, Fachtagung Energiegewinnung aus Trinkwasser und Abwasser) 63

64 Machbarkeitsstudie Aufgabe und Ziel Grundlagen Regionale Wärmegewinnungsanalyse (Wärmeangebot im Abwasser, Trinkwasser, Grundwasser) Regionale Wärmenutzungsanalyse (Wärmebedarf) Grobdimensionierung der potentiellen Wärmenutzungsanlagen mit Wärmepumpe Wärmeentnahme aus dem Wasser Technisches Konzept Beurteilung inkl. Abschätzung der Auswirkungen auf die Umwelt 64

65 Machbarkeitsstudie Kostenschätzungen Eckdaten (Zinssätze, Lebensdauer, etc.) Investitionskosten, Betriebskosten (Strom, Brennstoffe) und sonstige Kosten Wirtschaftlichkeit Spezifische Wärmekosten, Vergleich mit konventioneller Heizung Amortisation Energie- und CO 2 -Reduktion Projektbewertung: Empfehlung, weiteres Vorgehen, Terminplan, Ausblick 65

66 Akteure eines Wärmeprojektes Abwasser/Grundwasser Gebäudenutzer Gemeinde/ Stadt Wärmenutzung Abwasserentsorger oder -verband/ Trinkwasserversorger Haus- und Bautechnik Regionale Energieversorger 66

67 Fazit und Ausblick Wärmenutzung aus Abwasser und Grundwasser Die Wärmenutzung aus Abwasser und Grundwasser ist kein Ersatz sondern in vielen Fällen eine sinnvolle und wirtschaftliche Ergänzung der bisher genutzten Energieträger. Nach EEWärmeG ist die Wärmegewinnung aus Grundwasser und Trinkwasser eine Erneuerbare Energie. Nach EEWärmeG ist die Wärmegewinnung aus Abwasser keine Erneuerbare Energie, aber Ersatzmaßnahme. Das Potenzial für Wärmenutzungsanlagen im Kanal, auf Kläranlagen und im Grundwasser muss in jeder Region unterschiedlich bestimmt werden. 67

68 Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ingenieurbüro H. Berg & Partner GmbH