Energetische Optimierung des Hamburg Water Cycle im. PL Treffen EneffStadt: November 2012, Weimar

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1 Energetische Optimierung des Hamburg Water Cycle im Stadtquartier Jenfelder Au PL Treffen EneffStadt: November 2012, Weimar Wenke Schönfelder Zukunftstechnologie, HAMBURG WASSER

2 Stoffstromtrennung als Basis für ein urbanes Abwasser- und Energiekonzept Folie 2

3 Der HAMBURG WATER Cycle Grundlage für das Quartier Jenfelder Au Revitalisierung einer ehemaligen Kaserne zu einem neuen Stadtquartier Gesamtfläche: 45 ha, davon umgestaltet: 35 ha Realisierung: Wohneinheiten: 770 Einwohner: ca Niedrigenergie- und Passivhäuser Folie 3

4 Von der Projektidee zur Umsetzung Folie 4

5 Zeitplan des Bauvorhabens Folie 5

6 Von der Projektidee zur Umsetzung Quelle: West 8 Folie 6

7 Förder- und Forschungsprojekte rund um den HWC in Jenfeld Bauliche Umsetzung des HWC Planung und Errichtung der Infrastruktur Energetische Optimierung des HWC Evaluation des HWC Kopplung von Regenerativer Energiegewinnung mit Innovativer Stadtentwässerung Wissenschaftliche Begleitung des Infrastrukturprojektes Jenfelder Au Folie 7

8 Der HAMBURG WATER Cycle in der Jenfelder Au Getrennte Erfassung der Abwasserteilströme Schwarz- und Grauwasser Belastungsarmes Grauwasser und konzentriertes Schwarzwasser Behandlung auf Betriebshof im Quartier Schwarzwasserverwertung: Vergärung mit anderer Biomasse und damit regenerative Energiegewinnung vor Ort Nutzung der Wärme vor Ort, Einspeisung Stromüberschuss Folie 8

9 Quartier-Wärmeversorgung Jenfelder Au 630 WE Neubau 2 Hausvarianten: EnEV 2009 KFW-Effizienzhaus 40 Quartier C: Fernwärme Referenzsystem nur für KFW-Effizienzhaus 40 Quartier B: Nahwärme & Fernwärme Anlagen HAMBURG WASSER Quartier A Quartier A: Solarthermie & Wärmepumpen Quartier B Quartier C Folie 9

10 Quartier-Wärmeversorgung Jenfelder Au Primärenergievergleich EnEV 2009 Standard KfW 40 Effizienzstandard (Referenzsystem) KfW 40 Effizienzstandard kwh/(e*a) Quartier C Quartier B 0 A B C Quartier A Quartier B Quartier C Quartier A Folie 10

11 Strombilanz der Abwasserentsorgung HWC im Vergleich zu HAMBURG WASSER Einsparung Trinkwasserbereitstellung HWC- System Referenzsystem Einheit 6 kwh el /(E*a) Schwarzwasserableitung kwh el /(E*a) Schwarzwasserreinigung -5 Grauwasserreinigung kwh el /(E*a) Stromproduktion kwh el /(E*a) Gesamt-Strombilanz 3-13 kwh el /(E*a) Gesamt-Wärmebilanz kwh th /(E*a) Folie 11

12 Kostenvergleich der Abwasserentsorgung HWC im Vergleich zu HAMBURG WASSER Investitionskosten Abwasserleitungen in Jenfeld Schwarzwasser- und Grauwasserbehandlung HWC- System Referenzsystem Einheit T T Mehrkosten Hausinstallation T Betriebskosten (Gärreste Abwasserleitungen und Behandlung) (Abwassergebühren) T /a Reinvestitionskosten T / a Wasserkosten T / a Einnahmen (FettAR, Stromund Wärmeabgabe) T / a Gesamt-Kostenvergleich / (E*a) Folie 12

13 Stoffliche Verwertung und Nachbehandlung der Gärreste Warum? Wertvoller nährstoffreicher Dünger: Phosphat, Kalium, Stickstoff, viel organische, humusbildende Substanz Stickstoffkreislauf heute: Elektrischer Energiebedarf pro kg Stickstoffumsatz: 27,4 kwh Phosphatvorkommen weltweit begrenzt; P in Gärresten pflanzenverfügbar, da ohne Fällmittel Energetischer Vorteil: für Herstellung herkömmlicher Stickstoffdünger und Elimination Stickstoff aus Abwasser 27,4 kwh el /kg NH 3 -N benötigt Einsparpotenzial von 230 t kwh / a Weniger Mikroschadstoffe in Umwelt Stickstoffkreislauf beim HAMBURG WATER Cycle: Elektrischer Energiebedarf pro kg Stickstoffumsatz: 0 kwh Folie 13

14 Stoffliche Verwertung und Nachbehandlung der Gärreste Möglichkeiten Rechtlicher Rahmen Begrenzung Mindest- fläche BioAbfV 20 t/ha*3a 22,5 ha AbfKlärV 5 t/ha*3a 90 ha Ggf. Hygienisierung gefordert, aber Ausnahmeregelungen bei Kleinanlagen möglich Praktische Umsetzung: Landwirtschaftskammer SH: Gärreste sind Bioabfall Preis abhängig von Inhaltsstoffen und Abholrhythmus Folie 14

15 Optimierung der Gärreste-Behandlung Einbauen eines Lamellenabscheiders Kostenersparnis ca /Jahr Annahmen: 15 /m 3 für Gärreste 2,30 /m 3 für Abwasser bis (mit Propelair) Ersparnisse von ~ 80 /E*a 15 Folie 15

16 Grauwasserbehandlung Vergleich der Anwendbarkeit und Energieeffizienz dreier Verfahren 2. Rotationstauchkörper (RTK) 3,6 kwh/e*a Spezifischer 1. Tropfkörper (TK) 5,0 kwh/e*a Energiebedarf 3. Membranbelebungsreaktor (MBR) 16,5 kwh/e*a Vergleich der Verfahren zusätzlich über Nutzwertanalyse Investitionskosten Betriebskosten Reinigungsleistung Energieverbrauch Quelle: FH Aachen Folie 16

17 Wärmerückgewinnung aus Grauwasser Vergleichsweise hohe Temperatur des Grauwassers C, durchschnittlich ca. 30 C Modellierung der Abkühlung auf Fließstrecke (Haushalte bis Pumpwerk) in Abhängigkeit von Füllung des Rohrs Rohrmaterial Lufttemperatur 303,5 303 Temperatur in K 302, , , % Füllung 10% Füllung 15% Füllung 25% Füllung 50% Füllung 299, Distanz in m Folie 17

18 Fazit Wärmerückgewinnung aus Grauwasser Bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Füllgrad Abkühlung bis auf 15 C möglich Abkühlung im Pumpwerk unbekannt viele Unsicherheiten im thermischen Potential, begrenzte Nutzung des Wärmepotenzials möglich Effizientere Verwertung über Nutzung am Anfallsort (d.h. in Gebäuden) möglich, z.b. zur Trinkwasservorerwärmung Potential thermische Energie (dezentral): kwh th /m 3 Evtl. kombinierbar mit dezentralem Grauwasserrecycling: Strombedarf für Grauwasseraufbereitung = 2-2,5 kwh el /m 3 Quelle: Nolde & Partner Folie 18

19 Wärmerückgewinnung aus Gärresten Zur Aufwärmung des Schwarzwassers vor dem Fermenter Temperatur der Gärreste: ca. 35 C Ergebnis: 70 % der Wärme (= 37,4 kw) kann eingespart werden Wärmetauscheroberfläche A = 5,5 m 2 Strom Beschreibung Eintretendes Substrat in Fermenter Austretender Gärrest aus Fermenter Grauwasser Folie 19

20 Vakuumnetz energetisch optimieren Folie 20

21 Überprüfung des Strangüberwachungskonzepts Folie 21

22 Alternative Erfassung im HWC - Propelair 1,5 L pro Spülung Schwarzwassertransport muss nicht Vakuum sein PropelAir Toilet (Phoenix Product Development Ltd, 2012) Folie 22

23 Untersuchungen Propelair-Toilette 2. Transport Schwarzwasser 1. Hausinstallation Transferstelle 3. Behandlung Behandlung Schwarzwasser Grauwasser Behandlung 23 Folie 23

24 Hausinstallation mit der Propelair-Toilette Wie weit werden Fäzes aus dem Haus transportiert? Welche Anordnungen und Rohrdurchmesser? Teststand: 2 Propelair-Toiletten (vorläufige Modelle) DN 100 transparentes Rohr ca. 18 m 0,5-1,5 % Gefälle DN 50 Schlauch Verschiedene Konsistenzen / Mischungen Zwischenergebnisse: DN 100: 1. Spülung: 0-1 m; 6 Spülungen 1-5 m DN 50: 1. Spülung 5 m; 3. Spülung m DN 100: je trockener desto schlechterer Transport DN 50: Konsistenz scheint keinen Einfluss zu haben Folie 24

25 Schwarzwasser-Transport 4 Varianten mit Propelair-Toilette Druck mit Schneidradpumpen Freigefälle mit Drainwave Saugwagen mit Tanks Alt. Vakuum 25 Folie 25

26 Energiebilanzen der Varianten für die Jenfelder Au Einsparung Trinkwasserbereitstellung Druck Energieverbrauch und produktion (kwh/einwohner*jahr) Schwerkraft Vakuum I Saug- Referenz Referenz wagen Vakuum HW Schwarzwasserableitung Grauwasserreinigung Schwarzwasserreinigung Stromproduktion Gesamt-Strom (kwh el /E*a) Gesamt-Wärmebilanz Mit Wärmerückgewinnung Gärreste Folie 26

27 Kostenvergleich Zusammenfassung Yea arly Costs /person Yearly Costs of Water and Wastewater per Person Real Interest Rate = 3%, Rise in Energy Prices = 4%, Rise in Water and Wastewater Prices = 2%, Calculation Period= 25 years Unreliable Questionable Acceptability Pressure Gravity Vacuum Tanks Ref: Vacuum Ref: WWTP Type of Wastewater Transport 27 Folie 27

28 Folie 28