Nutzung von Abwärme aus Abwasser

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1 Nutzung von Abwärme aus Abwasser Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Dipl.-Ing.(FH) Bastian Niazi Technische Hochschule Mittelhessen Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und anaerobe Verfahrenstechnik KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Wiesenstrasse Giessen Tel.: +49 (0) (0) Fax: +49 (0) 641 / ulf.theilen@bau.thm.de Abdullah-Bastian.Niazi@zeuus.thm.de

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3 Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele

4 Nutzungsmöglichkeiten der Ressource Wärme aus dem Abwasser direkt im Haus aus dem Kanal aus der Kläranlage Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz

5 Abwärme aus Abwasser Wärmetauscher Bei T = 2 C nutzbare Wärme 2,33 kwh/m³ Abwasser z.b. bei 100 m³/h: nutzbare Wärme von 233 kwh/h

6 Einbindung der Abwasserwärmenutzung in ein Gesamt-Wärmekonzept Schmidt, EnergieSchweiz 2007

7 Parameter der Abwasserwärmenutzung Parameter Abwasserwärmenutzung Temperatur der Wärmequelle 12 C (285 K) + 3 K Temperatur der Wärmenutzung 45 C (318 K) Leistungszahl der idealen WPεC 9,6 Leistungszahl der realen WPεWP 4,8 Annahmen: Leistungszahl der AWNA ergibt sich aus ε WP = ε C *0,5 (Quelle: Bine Informationsdienst)

8 Paralleler Heiz- und Kühlbetrieb Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen

9 Wärmetauschersystem im Haus Foto und Grafik: Feka Energiesysteme

10 Wärmetauscher für Abwasserkanäle Wärmetauscher in neu zu verlegenden Rohren Nachträglich einzubauende Wärmetauscher

11 Edelstahl-Wärmetauscher für Abwasserkanäle nachträglicher Einbau

12 Wärmetauscher kombiniert mit Inliner zur Kanalsanierung Außenliner: Brandenburger BB plus -Liner zur Sanierung des Kanals Wärmetauschermatte in der Kanalsohle als Absorber zur Wärmerückgewinnung Innenliner: Brandenburger BB plus -Liner zur Fixierung und zum Schutz der Wärmetauschermatte BB Heatliner

13 Bypasskonzept der Abwasserwärmenutzung

14 Kläranlage Wärmetauscherrohre im Belebungsbecken

15 Kläranlage Wärmetauscher im Ablauf der Nachklärung große Volumenströme keine Vorsiebung nötig sehr geringes Biofouling

16 Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele

17 Projekt Abwasserwärmenutzung in der Stadt Gießen Erarbeitung einer Potentialstudie Ziele des Projektes: Bestimmung der Rahmenbedingungen der Abwasserwärmenutzung Bestimmung des Potenzials in der Stadt Gießen Erstellen einer Energiekarte

18 Projekt Abwasserwärmenutzung in der Stadt Gießen Erarbeitung einer Potentialstudie Rahmenbedingungen allgemein: Mittlere Belastung: ca EW Mittlerer Zufluss: ca m²/h (600 l/s) (TW) Technische Rahmenbedingungen zur AWN: Nutzbarer Trockenwetterabfluss im Kanalnetz (24 h Mittel): mind. 15 l/s (ca. 55 m³/h) (um vollständige Überströmung des Wärmetauschers zu gewährleisten) Abkühlung im Zulauf der Kläranlage max. 0,5 K (bei einer über ein Schlammalter gemittelten Temp. > Dimensionierungstemperatur; sog. Bagatellgrenze DWA-M 114) Abkühlung im Ablauf der Kläranlage nicht limitiert (nur bei sehr kaltem Abwasser), Ansatz: 5 K

19 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Standort Klärwerk Gießen

20 ca. 65 l/s ca. 260 l/s Zulaufpumpwerk KW Gießen ca. 265 l/s

21 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Potentielle Wärmenutzer aus Zulauf KW Gießen: Qh = m³/h Δ T = 0,5 K QW = kw aus Zulauf KW Gießen: Qh = m³/h Δ T = 1,0 K QW = kw

22 Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: (ohne energetische Optimierung) C-Geb.: ca. 600 kw G-Geb.: ca. 150 kw I - Geb.: ca. 300 kw Wärmeangebot: ca. 300 m³/h (85 l/s) bei T = 2 C ca. 700 kw Hauptsammler Schmutzwasser Regensammler DN 300 SB DN 900 SB DN 500 SB DN 200 STZ DN 200 STZ DN 250 STZ I DN 250 B G DN 400 DN 1400 SB C DN 900 SB DN 400 DN 1300 SB DN 250 STZ DN 400 SPB DN 800 SB DN 500 SB DN 900 SB DN 1300 SB verändert nach v. Wehrden, 2008

23 Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: (ohne energetische Optimierung) C-Geb.: ca. 600 kw G-Geb.: ca. 150 kw I - Geb.: ca. 300 kw I G C verändert nach v. Wehrden, 2008

24 Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: (ohne energetische Optimierung) C-Geb.: ca. 600 kw G-Geb.: ca. 150 kw I - Geb.: ca. 300 kw Wärmeangebot: ca. 300 m³/h (85 l/s) bei T = 2 C ca. 700 kw Hauptsammler Schmutzwasser Regensammler DN 300 SB DN 900 SB DN 500 SB DN 200 STZ DN 200 STZ DN 250 STZ I DN 250 B G DN 400 DN 1400 SB C DN 900 SB DN 400 DN 1300 SB DN 250 STZ DN 400 SPB DN 800 SB DN 500 SB DN 900 SB DN 1300 SB verändert nach v. Wehrden, 2008

25 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Standort Klärwerk Gießen Fernwärme SWG? aus Ablauf KW Gießen: Qh = m³/h ΔT= 5K QW = kw Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen

26 mögliche Anbindung des Wärmenetzes des Klärwerks Gießen an das Fernwärmenetz der Stadtwerke Gießen Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Kälteversorgung Fernwärmeversorgung SWG

27 Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele

28 Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Rahmenbedingungen Kriterien Bagatellgrenze Wirtschaftliche Größe Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe Beschreibung Abkühlung von maximal 0,5 K ist gestattet, solange die über ein Schlammalter gemittelte Temperatur über der Dimensionierungstemperatur der Kläranlage liegt (DWA-M 114) Zusätzliche Annahme: gemittelte Temperaturen liegen über der Dimensionierungstemperatur. Anlagen ab etwa 150 kw Heizleistung erweisen sich derzeit als wirtschaftlich Jahresarbeitszahlen (JAZ) von etwas mehr als 4 können erreicht werden. In der Potenzialstudie wurde eine JAZ von 4 angenommen

29 Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Ergebnis Abwasserwärmepotenzial in Hessen Abwasserwärmepotenzial in kw RP Darmstadt RP Gießen RP Kassel Hessen Zulaufpotenzial Ablaufpotenzial kw

30 Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Ergebnis: Abwasserwärmenutzung aus dem Zulauf 52 von den 719 Kläranlagen in Hessen kommen für die Abwasserwärmenutzung aus dem Zulauf in Frage Die gesamte mögliche Entzugsleistung aus Abwasserwärme ergibt sich zu kw. Die entstehende Nutzwärme ergibt bei einer Leistungszahl von 4 zu kw.

31 Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele

32 In 8 Schritten zur Abwasser-Energiezentrale 1. Grobcheck: Wärme- und Kältebedarf Energiedargebot 2. Grundsatzentscheid des Bauherren über Machbarkeitsstudie 3. Gespräche mit Kanalnetzbetreiber grundsätzliches Einvernehmen 4. Variantenvergleich mit Wirtschaftlichkeitsuntersuchung Technologieentscheidung 5. Finanzierungskonzept: Eigenbetrieb oder Contracting? 6. Planungsleistungen 7. Bau der Anlage 8. Betrieb

33 Projektbeispiele (Literaturangaben) Objekt Gesamt-Wärmebedarf / Wärmepumpenleistung Anteil Wärmeleistung aus Abwasser Besonderheit Nordwestbad Bochum 200 kw ca. 50% Technologiepark SinTec, 350 kw ca. 77% Kühlleistung 150 kw Singen/Htw Wohnanlage Winterthur kw ca. 70% IKEA Berlin-Lichtenberg kw ca. 70% Kühlleistung1.137kW Wirtschaftsbetrieb Ludwigshafen, Abwasserpumpwerk, Betriebsgebäude 90 kw ca. 60% Straubing, 100 Wohneinheiten, m² Wohnfläche Winterthur, WINTOWER, BGF m² Sporthalle und Familienzentrum Berlin - Friedrichshain-Kreuzberg 265 kw ca. 75% 590 kw ca. 75% Kühlleistung 600 kw 60 kw ca. 60%

34 Technologiepark SinTec in Singen/Htw Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz

35 Wohnanlage mit 400 Wohnungen in Wintherthur/CH Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz

36 Heizzentrale Nordwestbad Bochum Prinzipschaltbild Abwasserenergienutzung Heizwärme Bad Drosselventil 11 C 40 C 7 C 50 C 10 C Verdichter Abwasserwärmetauscher Zwischenkreis 12 C

37 Auslegungsdaten Heizzentrale Nordwestbad Bochum Beschreibung Wert Einheit minimaler Abwasservolumenstrom 300 m³/h minimale Abwassertemperatur 12 C minimale verfügbare Wärmeleistung im Abwasser 800 kw Jahreswärmebedarf Nord-West Bad MWh/a Thermische Leistung Spitzenkesselanlage 2 x 720 kw Elektrische Leistung BHKW Modul ca. 50 kw thermische Leistung BHKW Modul ca. 90 kw thermische Leistung Wärmepumpe (Grundlast) ca. 190 kw Länge Abwasserwärmetauscher zweiteilig 19 / 28 m Vollbenutzungsstunden Wärmepumpe h/a

38 Wohnanlage Straubing: 102 Wohnungen 2 außen stehende Abwasserwärmetauscher Wärmeentzugsleistung: 210 kw, Wärmepumpenleistung 260 kw

39 Nutzung der Abwärme eines Industriebetriebs Grundidee: Das Abwassernetz fungiert als Wärmeverteilnetz. In der Industrie anfallende Abwärme mit einem dort nicht nutzbaren niedrigem Temperaturniveau wird nicht weggekühlt, sondern in das Abwassernetz abgegeben. Der Abwasserstrom transportiert die Wärme zu weiter unten liegenden Abnehmern. Dort wird über Abwasserwärmetauscher die Wärme entnommen und über Wärmepumpen auf ein nutzbares Niveau angehoben. Quelle: Uhrig Kanaltechnik

40 Wärmebedarf: ca. 500 kw Tennishalle Bürgerhalle Schulzentrum ca. 4,5 km Wärmeangebot: Abwasserfluss: Delta T: ca kw ca. 160 l/s ca. 4 K Wärmelieferant Potenzielle Wärmenutzer Kanal

41 Vielen Dank Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Dipl.-Ing.(FH) Bastian Niazi Technische Hochschule Mittelhessen Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und anaerobe Verfahrenstechnik KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Wiesenstrasse Giessen Tel.: +49 (0) (0) Fax: +49 (0) 641 / ulf.theilen@bau.thm.de Abdullah-Bastian.Niazi@zeuus.thm.de