Grauwasser und Wärme zweifache Wiederverwertung für verbesserte Nachhaltigkeit. Ökologische Bewertung des AQUALOOP Systems

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1 Grauwasser und Wärme zweifache Wiederverwertung für verbesserte Nachhaltigkeit Wärme Recycling Wasser Recycling Ökologische Bewertung des Systems Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), Karlsruhe Dr. Eve Menger-Krug, Dr. Jutta Niederste-Hollenberg, Dr. Thomas Hillenbrand, Thorsten Hummen, Ulrike Feldmann, Angelina Pavon Garcia August 2015

2 Einleitung Bei jeder Dusche verschwinden wertvolles Wasser und Wärme im Abfluss Die Lösung: intelligentes und ganzheitliches Recycling von Wasser und Wärme Wasserressource: Grauwasser ist eine ideale Ressource für Wasserrecycling Die Fracht an organischen Stoffen und Schadstoffen ist im Vergleich zu Abwasser geringer Die Substitution von Trinkwasser, z.b. für die Toilettenspülung, Gartenbewässerung und Waschmaschine, wird ermöglicht Energieressource: Grauwasser ist eine ideale Ressource für Wärmerecycling und für die Substitution fossiler Energieträger Hohe Temperaturen das ganze Jahr über 1 m³ Grauwasser substituiert bei einer Abkühlung von 10 C etwa 1 m³ Erdgas (~10 kwh)

3 Motivation Wasser Mit wird weniger Trinkwasser benötigt, da z.b. das Wasser für die Toilettenspülung und den Garten im Gebäude aus Grauwasser produziert wird (2 nd use, downcycling) Weniger Druck auf wertvolle Wasserressourcen: auch wenn Deutschland ein relativ wasserreiches Land ist, sind unsere qualitativ hochwertigen Grundwasserressourcen steigendem Druck durch Übernutzung ausgesetzt. Dies erfordert u.a. immer tieferes Pumpen. Weniger Wasser muss in Wasserinfrastrukturen gepumpt und dort aufbereitet werden *doppelwandige Übertragung: um zu gewährleisten, dass kein physischer Kontakt zwischen eingehendem und ausgehendem Wasser stattfindet wird nur Wärme übertragen

4 Motivation Energie Weniger thermische Energie für die Wassererwärmung wird benötigt, da Wärme aus Grauwasser sicher* auf kaltes Wasser übertragen wird (vor der Warmwasserbereitung im Boiler): die wiederverwendete Energie entspricht erneuerbarer Energie plus Einsparungen bei der Elektrizität, da weniger Wasser in Wasserinfrastrukturen gepumpt und dort aufbereitet werden muss (es wird aber zusätzlich Elektrizität für den Betrieb des Systems benötigt) weniger CO 2 Emissionen Ökosysteme Weniger Abwasser mit geringerer thermischer Last erreicht die Fließgewässer. Dies bringt Vorteile für die Wasserressourcen und Ökosysteme mit sich.

5 Funktionsschema System Netzwasser H Brauchwasser Grauwasser Warmwasserbereitung Kein Netzwasser X Abwasser Ökologische Bewertung (Nutzungsphase) (Lebenszyklus) Wärme Recycling (dezentral) Einsparungen Wärme Wasser Recycling Energieverbrauch Betrieb und Bauphase Andere Anwendungen Einsparungen Wasser und Abwasser, damit verbundene Energieeinsparungen

6 Nachhaltigkeit von Wie viel Wasser und Energie wird mit gespart? Um die ökologische Nachhaltigkeit zu bewerten, erstellen wir: Wasserbilanz Energiebilanz CO 2 Bilanz für die Nutzungsphase von Außerdem bewerten wir den vollen Lebenszyklus. Dieser umfasst: die Produktion von Materialien, inklusive Verrohrung und Membranreinigung die Herstellung von Komponenten Materialrecycling Wir analysieren das System in verschiedenen Einsatzgebieten: Einfamilienhaus bis Hochhaus mit 100 Personen, Sporteinrichtung und Hotel

7 Wasserbilanz Erhebliche Einsparungen bei der Wassernutzung und folglich auch bei der Abwassergenerierung m³ pro Person und Jahr oder 30% der Wassernutzung m³ pro Person während einer Lebensdauer von 20 Jahren Wassernutzung [m 3 /p*yr] Nutzungsphase in m³/p*yr -15 ohne mit Einsparungen mit

8 Wasserbilanz Weniger Wasser muss in den Wasserinfrastrukturen gepumpt und dort aufbereitet werden Neben den Einsparungen bei Trinkwasser und Abwasser, können somit auch Energieeinsparungen in den Wasserinfrastrukturen erzielt werden Wassernutzung [m 3 /p*yr] Nutzungsphase in m³/p*yr -15 ohne mit Einsparungen mit

9 Wasserbilanz Zusätzliche Auswirkungen sind Einsparungen von Wasser im aufnehmenden Fluss Wenn weniger Abwasser mit geringerer thermischer Fracht den Fluss erreicht, ist weniger Verdünnung nötigt Vorteile für Ökosysteme Die Menge hängt von dem maximal zulässigen Temperaturanstieg im Fluss ab (3 C Standardwert, 1 C für empfindliche Fließgewässer) Nutzungsphase in m³/p*yr Winter Sommer Winter Sommer 3 C 3 C 1 C 1 C ohne mit

10 Wasserbilanz Nutzungsphase in m³/p*yr Einsparungen: m³ pro Person und Jahr oder 40-50% m³ pro Person während einer Lebensdauer von 20 Jahren Winter Sommer Winter Sommer 3 C 3 C 1 C 1 C ohne mit

11 Wasserbilanz Ohne Häusliches Trinkwasser Abwasser 40 m³/p*yr 40 m³/p*yr Verluste Regenwasser + Infiltration + Wasser des aufnehmenden Flusses, das für die Verdünnung des Abflusses auf Umweltlevel benötigt wird 270 m³/p*yr Mit Weniger Druck auf Weniger Pumpen Weniger Abwasser mit Wasserressourcen und Aufbereitung geringerer thermischer Fracht erreicht den Fluss weniger Wasser für Verdünnung wird -30% -30% benötigt (Vorteile für Ökosysteme) -42% m³/p*yr

12 Energiebilanz Energieeinsparungen pro Person und Jahr mit (ausgedrückt als Primärenergie PE) kwh PE pro Person und Jahr kwh pro Person während einer Lebensdauer von 20 Jahren Optimistisches (best case +) und pessimistisches Szenario (worst case -) Primärenergieverbrauch [kwh/p*a] Nutzungsphase in kwh/p*yr (PE) + - ohne mit Einsparungen mit -400 best case worst case

13 Energiebilanz Energieeinsparungen pro Person und Jahr mit Optimistisches (best case +) und pessimistisches Szenario (worst case -) Deutliche Einsparungen bei der Energienutzung: Größer Beitrag von Einsparungen bei der Heißwasserproduktion (entspricht Energie aus m³ Erdgas pro Person und Jahr) Gefolgt von Einsparungen bei Wasser und Abwasser Zusätzliche Energienutzung für 100,0 50,0 0,0-50,0-100,0-150,0-200,0-250,0-300,0-350,0 den Betrieb von -400,0 Nutzungsphase in kwh/p*yr (PE) + - Energy Energieverbrauch consumption für for Warmwasserbereitung hot water preparation Electricity Stromverbrauch consumption Aqualoop System Electricity Stromverbrauch consumption WW Abwasser Electricity Stromverbrauch consumption DW Trinkwasser

14 CO 2 Bilanz Energieeinsparungen führen zu einer Reduktion der Emissionen von CO 2 (oder anderer Treibhausgase) (ausgedrückt als kg CO 2 Äquivalent) kg pro Person und Jahr kg pro Person während einer Lebenszeit von 20 Jahren CO 2 Emissionen [kg/p*yr] Nutzungsphase in kg CO 2 -equ. /p*yr + - ohne mit Einsparungen mit Optimistisches (best case +) und pessimistisches (worst case -) Szenario best case worst case

15 CO 2 Bilanz Nutzungsphase in kg CO 2 -equ. /p*yr CO 2 Emissionen [kg/p*yr] Stromverbrauch für Warmwasserbereitung Stromverbrauch des Systems Stromverbrauch Abwasser Stromverbrauch Trinkwasser ohne (+) mit (+) ohne (-) mit (-)

16 in verschiedenen Settings Um die ökologische Nachhaltigkeit zu bewerten, analysieren wir das System in verschiedenen Szenarien Für diese Szenarien S1 bis S5, bewerten wir den vollen Lebenszyklus, welcher die Produktion von Materialien, die Herstellung der Komponenten und das Materialrecycling umfasst. Name Beschreibung Anzahl der Nutzer S1 Einfamilienhaus 4 S2 Mehrfamilienhaus mit 6 Wohnungen 24 S3 Hochhaus mit 40 Wohnungen 100 S4 Sportanlage: Duschen und Toiletten werden von mehreren Personen genutzt 100 S5 Hotel mit Einzelzimmern und Doppelzimmern 100

17 Materialphase Primärenergie in MJ (Umwandlungsfaktor kwh=3.6 MJ) S1 S2 S3 S4 Beschreibung Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus mit 6 Wohnungen Hochhaus mit 40 Wohnungen Sportanlage: Duschen und Toiletten werden von mehreren Personen genutzt Primärenergie [MJ] _Membranreinigung 8_Verrohrung (im Gebäude) 7_Wärmerückgewinnung 6_Verteilungspumpe 5_ Füllkörper 4_ Gebläse 3_ Membranstation 2_ Vorfilter 1_Speichertank S5 Hotel mit Einzelzimmern und Doppelzimmern 0 S1 S2 S3 S4 S5

18 Materialphase MJ gesamt (S1-S5) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Primärenergie in MJ (Umwandlungsfaktor kwh=3.6 MJ) Relativer Beitrag (S1-S5) 9_Membranreinigung 8_Verrohrung (im Gebäude) 7_Wärmerückgewinnung 6_Verteilungspumpe 5_ Füllkörper 4_ Gebläse 3_ Membranstation 2_ Vorfilter 1_Speichertank 0 S1 S2 S3 S4 S5 0% S1 S2 S3 S4 S5

19 Materialphase Größerer Einfluss Großer Einfluss auf die Materialphase haben: Verrohrung und Wärmetauscher* Membranreinigung Pumpe und Speichertank Membranstation (10 Jahre Lebenszeit) Kleinerer Einfluss *Verrohrung und Wärmetauscher haben Lebenszeiten zwischen 50 und100 Jahren in dieser Studie 20 Jahre Szenarien mit angepasster Lebenszeit für Verrohrung und Wärmetauscher (Materialphase *0,5)

20 Materialphase 4000 Materialphase pro Nutzer Im Hinblick auf den Lebenszyklus ist die Sporteinrichtung (S4) das effizienteste Szenario. Da Duschen und Toiletten von mehreren Personen genutzt werden, ist die Verrohrung relativ kurz und eine geringe Anzahl an Wärmetauschern wird benötigt. Primärenergie in MJ pro Nutzer S1 S2 S3 S4 S5 9_Membranreinigung 8_Verrohrung (im Gebäude) 7_Wärmerückgewinnung 6_Verteilungspumpe 5_ Füllkörper 4_ Gebläse 3_ Membranstation 2_ Vorfilter 1_Speichertank

21 Materialphase 4000 S3 und S2 schneiden ebenfalls gut ab, da im Vergleich zum Einfamilienhaus (S1) bei den größeren Szenarien (24 Personen und mehr) Skaleneffekte auftreten Szenario S5 (das Hotel) weist aufgrund von Einzelzimmern und freien Raumkapazitäten eine größere Verrohrungslänge und eine größere Anzahl an Wärmetauschern auf Primärenergie in MJ pro Nutzer S1 S2 S3 S4 S5 9_Membranreinigung 8_Verrohrung (im Gebäude) 7_Wärmerückgewinnung 6_Verteilungspumpe 5_ Füllkörper 4_ Gebläse 3_ Membranstation 2_ Vorfilter 1_Speichertank

22 Energie-Amortisationszeit Der Energieverbrauch der Materialphase geteilt durch die jährlichen Einsparungen an Primärenergie ergibt die Energie-Amortisationszeit in Jahren Diese variiert zwischen den Settings: 6,00 2 3,5 Jahre für ein Einfamilienhaus und 1 2 Jahre für die größere Settings 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0Einfamilien- 1 Mehrfamilien- 2 Hochhaus 3 Sport- 4 5Hotel (S5) 6 haus S1 haus S2 (S3) anlage (S4) (angepasste Lebensdauer von Leitungen und Wärmetauschern von 50 Jahren)

23 Fazit Wasser: Deutliche Einsparungen bei der Wassernutzung in Haushalten bedeuten weniger Druck auf Wasserressourcen Außerdem gibt es große Wassereinsparungen in der Natur, da weniger Abwasser mit einer geringeren thermischen Last den Fluss erreicht. Somit wird eine geringere Verdünnung in den aufnehmenden Flüssen benötigt, was Vorteile für Wasserressourcen und Ökosysteme mit sich bringt

24 Fazit Energie: Die Analyse zeigt, aufgrund von Wärmerückgewinnung und Energieeinsparungen in der Wasserinfrastruktur, deutliche Energieeinsparungen während des Lebenszyklus. Diese Einsparungen gleichen den zusätzlichen Energiebedarf für die Betriebsphase von aus. Die Energie-Amortisationszeit zeigt, dass das Konzept energetisch günstig ist, auch wenn der Energiebedarf für die Produktion der Rohmaterialien und die Fertigung mit einberechnet werden. Sie ist kürzer für größere Anwendungen (24 Nutzer und mehr) und bei einer ressourceneffizienten Verrohrung.

25 Grauwasser und Wärme zweifache Wiederverwertung für verbesserte Nachhaltigkeit Wärme Recycling Wasser Recycling Ökologische Bewertung des Systems Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), Karlsruhe Dr. Eve Menger-Krug, Dr. Jutta Niederste-Hollenberg, Dr. Thomas Hillenbrand, Thorsten Hummen, Ulrike Feldmann, Angelina Pavon Garcia August 2015