Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser Ingenieurbüro H. Berg & Partner GmbH, Aachen Malmedyer Straße 30, 52066 Aachen, Tel. 0241 946230 www.bueroberg.de 1
H. Berg & Partner GmbH, Malmedyer Straße 30, 52066 Aachen 24 Mitarbeiter davon 17 Ingenieure 2
Startblock Fachveranstaltung am 17.03.2009 in Bonn Arbeitsgebiete H. Berg & Partner GmbH Gewässer Trinkwasser Abwasser Straße Biogas 3
Gliederung: Wärmegewinnung aus Abwasser Grundlagen Merkblatt DWA-M 114 Beispiel Wärmegewinnung aus Rohabwasser Beispiel Wärmegewinnung aus gereinigtem Abwasser Beispiele Abwassertemperaturen aus der Kölner Region Wärmegewinnung aus Grundwasser Grundlagen Beispiel Wärmegewinnung aus Grundwasser Beurteilung nach EEWärmeG Fazit und Ausblick 4
Wärmegewinnung aus Abwasser 5
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Wärmeübertragungssysteme im Kanal nachträglich eingebaute Wärmetauscher integrierte Wärmetauscher außerhalb des Kanals angeordnete Wärmegewinnungsanlage (WGA) 7
Wärmetauscher als Fertigteilelement (Foto: TBL) 8
Betonrohr mit einbetonierten Wärmemediumrohren (Foto: Uhrig) 9
Wärmegewinnung aus dem Kanal Schema des Abwasserwärmesystems (Quelle: Gernot Glaser) 10
Außerhalb des Kanals angeordnete WGA (Quelle: Huber) 11
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 12
Systeme der Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen (Quelle: asue) 13
Funktionsweise einer Kompressionsgaswärmepumpe (www.asue.de) 14
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. 600 bis 100 C. Zugute kommen den Gaswärmepumpen die enormen Fortschritte bei der Entwicklung von Gasmotoren aufgrund der Erfahrungen bei Blockheizkraftwerken. (Quelle: asue) 15
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) 16
Merkblatt DWA-M 114 Energie aus Abwasser Wärme- und Lageenergie 17
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) 18
DWA M-114 Einsatzgebiete und Grenzen Wärmeabnehmer relativ große Wärmeabnehmer (> 150 kw) niedrige Betriebstemperatur der Heizung Möglichkeit der Abdeckung von Heiz- und Kühlbedarf 19
Wärmegewinnung aus Rohabwasser in Binningen, Schweiz durch Wärmeversorger Binningen AG 20
Wärmegewinnung Binningen Fachveranstaltung am 17.03.2009 in Bonn (Foto: Kasag) 21
Umleitung des Abwassers während der Bauzeit (Foto: EBM) 22
Wärmegewinnung Binningen Bestandteile Wärmeversorgung Binningen Abwasserwärmepumpe 2 BHKW (fungieren auch als Wärmepumpenantrieb) Konventionelle Gas- und Heizölkessel 380 kw (Grundlast) (Grundlast) (Spitzenlast) Wärmetauscher aus 47 Teilelementen von 3 m Länge und 0,80 m Breite (Gesamtlänge 141 m) In 2005 2006: Gesamtwärmenetz für 763 Wohnungen mit 14.350 MWh (31% Umweltenergie) 23
Wärmegewinnung aus gereinigtem Abwasser in Weiz, Österreich durch Stadtgemeinde Weiz 24
Abflussdaten Kläranlage Weiz von Mai 2006 bis April 2007 (www.grazer-ea.at) 25
Projektbasis Wärmegewinnung Weiz Wassermenge je Stunde: 70 m³ Temperaturniveau Winter: 10 C Temperaturniveau Sommer: 18 C min. Rückeinspeisetemperatur: 5 C (www.grazer-ea.at) 26
Projektdaten Wärmegewinnung Weiz Objekt 1 Objekt 2 Objekt 3 Summe Heizleistung kw (geschätzt) Heizmitteltemp. 40/35 C 120 kw 110 kw 90 kw 320 kw Gereinigte Abwassermenge m³/h Wärmequelle 10/6 C 22 m³/h 18 m³/h 16 m³/h 56 m³/h Reserveleistung Kläranlage Weiz: 14 m³/h bzw. 80 kw (www.grazer-ea.at) 27
(www.grazer-ea.at) 28
Kläranlage Bornheim: Temperatur Ablauf Biologie (Quelle: Erftverband, Bergheim) 29
Gruppenkläranlage Nordkanal: Temperatur Ablauf Biologie (Quelle: Erftverband, Bergheim) 30
Wärmegewinnung aus Grundwasser 31
Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlage (Quelle: Arbeitshilfen Geothermie) 32
Benötigte Fördermengen in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe Heizleistung in kw 7 10 15 Mindestfördermenge in m³/h 2 3 4 (Quelle: Arbeitshilfen Geothermie) 33
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 7,5 9 300 mg/l 1 mg/l 100 mg/l 70 mg/l 70 300 mg/l 5 20 mg/l 0,5 mg/l 2 mg/l (Quelle: Arbeitshilfen Geothermie) 4,0 8,5 dh 10 500 µs/cm 34
Wärmegewinnung aus Grundwasser in Mönchengladbach, Stadtteil Dahl durch NVV AG in Mönchengladbach 35
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. 36
Überprüfung Wasserparameter WW Dahl Parameter Leitfähigkeit µs/cm Richtwerte 10 500 Dahl 711 ph-wert 7,5 9,0 6,16 Chlorid mg/l 300 40 Sulfat mg/l 70 144 Kohlensäure mg/l 5 20 115 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 37
Ergänzende Installationen im ehemaligen WW Dahl Vertikalbrunnen (25 m tief, Durchmesser 600 mm) zur Wasserentnahme CO 2 Riesler zur Entsäuerung des aggressiven Rohwassers (100 200 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 38
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 39
Erkundungsbohrung WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 40
Bohrung Vertikalfilter WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 41
CO 2 -Rieselentgaser WW Dahl (Foto: Berg & Partner) 42
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) 43
Pufferspeicher SMS Meer Der Pufferspeicher vermeidet eine zu schnelle Taktung der Wärmepumpen und sorgt so für einen verschleißarmen Betrieb. (Foto: IKZ) 44
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) 45
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) 46
Kosten der Wärmepumpenanlage WW Dahl/SMS Meer Herstellungskosten EUR/netto Brunnen und Rohrleitungen 55.600,00 Tiefbau Rohrleitungen 3.000,00 Druckleitung DN 250 258.000,00 Wärmepumpen und Zubehör 180.000,00 Verfahrenstechnik, Rohrl., Armat. WW Dahl 97.000,00 Lohnleistungen 30.000,00 Elektrotechnik/Anschl. E-Versorgung 18.000,00 Sonstiges 11.800,00 653.400,00 Ingenieur-Honorare 56.000,00 Gesamtsumme 709.400,00 47
Nutzen der Wärmepumpenanlage Dahl Energiegewinnung bis zu jährlich 2.000 MWh Einsparung gegenüber Erdgasheizung jährlich 144t CO 2 Versorgungssicherheit für SMS Meer und Einnahmensicherheit für die NVV AG 20 Jahre 48
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 49
Beurteilung der Wärmegewinnung aus Abwasser und Grundwasser hinsichtlich EEWärmeG und EEG 50
EEWärmeG Wärmegewinnung aus Trinkwasser: Erneuerbare Energie Wärmegewinnung aus Abwasser: Keine Erneuerbare Energie, aber Ersatzmaßnahme nach 7 EEWärmeG 51
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 52
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 53
EEWärmeG: Fördermittel Maßnahmen können gefördert werden bei: Übererfüllung der gesetzlich vorgeschriebenen technischen Anforderungen Übererfüllung der jeweiligen Nutzungspflicht (50% höher im Falle des 3 Abs. 1 EEWärmeG) Kombination mit Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Nutzung heizungsunterstützender Solarthermieanlagen und Tiefengeothermie 54
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. 55
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 56
Elektrische Energie aus Trinkwasser (Quelle: Kempf, Fachtagung Energiegewinnung aus Trinkwasser und Abwasser) 57
Wärmeentnahme aus Trinkwasser (Quelle: Kempf, Fachtagung Energiegewinnung aus Trinkwasser und Abwasser) 58
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 59
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 60
Akteure eines Wärmeprojektes Abwasser/Grundwasser Gebäudenutzer Gemeinde/ Stadt Wärmenutzung Abwasserentsorger oder -verband/ Trinkwasserversorger Haus- und Bautechnik Regionale Energieversorger 61