Wärme aus Abwasser Wärme aus Abwasser Randbedingungen, Wirtschaftlichkeit, Betriebsergebnisse Technische Randbedingungen, Wirtschaftlichkeit, Betriebsergebnisse Nutzung von Abwasserwärme Fachtagung Nutzung von Abwasserwärme Fachtagung, Stuttgart 19.11.2015 Umweltministerium, Stuttgart 19.11.2015 Dipl.-Ing. Claus Schmidt
Realisierte Energieprojekte mit Blockheizkraftwerk 222 Anlagen davon 3 Abwasserwärmenutzung mit Holzheizung 150 Anlagen
Grundsätzliches zum Wärmepumpenprozess Leistungszahl e oder COP (Coefficient Of Performance) = Wärmeabgabe am Kondensator Stromaufnahme des Verdichters COP hängt wesentlich von der Temperatur der Wärmequelle T Quelle und der Heiztemperatur T Heiz ab. Je höher T Quelle und je niedriger T Heiz desto höher ist der COP Die Angabe eines COP ist daher immer an die Angabe dieser beiden Temperaturen gebunden. Sole/Wasser-WP B0/W35: B0 = Temperatur Sole am Verdampfereintritt = 0 C W35 = Temperatur Heizwasser am Kondensatoraustritt = 35 C 3
Kombination Wärmepumpe mit anderen Wärmeerzeugern Vorlauftemperatur Wärmepumpe üblicherweise maximal: 55-60 C Höhere Vorlauftemperaturen durch Kombination mit anderen Wärmeerzeugern. Voraussetzung Rücklauftemperatur Heiznetz ist niedrig genug < 50 C 45-50 C 55-60 C 70 80 C Wärmepumpe Blockheizkraftwerk und/oder Heizkessel
Prinzip Abwasserwärme mit Wärmepumpe und BHKW/Heizkessel Wärmeentzug aus Abwasser mit Wärmepumpe Einbindung Wärmepumpe in den Rücklauf Nahwärmenetz Anhebung auf Sollwert der Vorlauftemperatur durch BHKW Strombedarf der Wärmepumpe wird vom BHKW gedeckt Effizienzsteigerung durch zusätzlich Brennwertnutzung
Nahwärmeversorgung aus Klärwerk Freiberg a. N. Klärwerk Wärmenetz Bestand Tennishalle u. Jumpinn Netzverluste Erweiterung red. Netzv. neue Hauptleitung Wärmeverbrauch gesamt 550.000 kwh/a 950.000 kwh/a 255.000 kwh/a 15.000 kwh/a -50.000 kwh/a 1.720.000 kwh/a Heizzentrale WEG Stadion Umkleidegeb. Stadiongebäude Neubau Tennishalle Jumpinn Wasenhalle
Projektentwicklung Klärgas-BHKW 40 kwel / 80 kwth seit 1990 Abwasserwärmepumpe 100 kw 2004 Pelletheizung 300 kw 2006 Modernisierung/Erweiterung Wärmenetz 2015
Abwasserwärmetauscher im Belebungsbecken
Belebungsbecken
Rohrschlange als Abwasserwärmetauscher Werkstoff: Edelstahl Rohrdurchmesser: DN 80 Schlangendurchmesser: 2 m Anzahl der Windungen: 16 Höhe: 2 m Rohrlänge: 100 m
Nahwärmeversorgung Bretten Gymnasium Wohngebäude Gymnasium Sporthalle Gesamt 280.000 kwh/a 1.355.000 kwh/a 140.000 kwh/a 1.775.000 kwh/a Sporthalle Wärmeleitungen Wärmenetz neu Bestand 700 Trm 200 Trm Regenüberlaufbecken mit Heizzentrale Wohngebäude energetisch saniert 11
Regenüberlaufbecken und Abwasserwärmetauscher Abwassermenge: Tagesmittel 34 l/s Tagesmini. 24 l/a Fläche Wärmetauscher 87 m² 12
Abwassertemperatur
Heizzentrale Bretten Abwasserwärmepumpe Erdgas-Blockheizkraftwerk Brennwertkessel 150 kw 50 kwel/200 kwth 300 kw
Aufstellungsplan Heizzentrale Bretten Wärmepumpe Puffer BHKW Kessel
Wärmenetz Schulzentrum 70 60 50 Rücklauftemperaturen Schulzentrum Februar 2010 Optimierungsmaßnahmen Reduzierung der installierten Pumpenleistung / geregelte Pumpen Regler 40 30 Schließen/Regeln von Überströmungen 20 10 Reihenschaltung von Niedertemperaturverbrauchern 0 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 08:30 00:30 16:30 Wärmetauscher Optimieren der Regelung 16
Übergabestation TV-Halle Fußbodenheizung 40/35 C Regler Rücklauf Schulzentrum indirekte Wärmeübergabe Wärmetauscher Vorlauf Heizzentrale Rücklauf Gesamt 17
Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs Heizleistung [kw] 1.100 1.000 900 800 700 600 500 400 Kessel Deckungsanteile BHKW 32 % Wärmepumpe 25 % Kessel 43 % 300 200 100 0 0 500 Puffer Wärmepumpe BHKW 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 Stunden 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 8.000 8.500 18
Investitionskosten Gebäude mit Erschließung 65.000,-- Abwasserwärmetauscher 135.000,-- Wärmepumpe, Blockheizkraftwerk, Heizungstechnik 345.000,-- Wärmenetz und Übergabestationen 285.000,-- Nebenkosten 100.000,-- Netto-Gesamtkosten 930.000,-- 19
Zeitlicher Ablauf Konzeption 2007/2008 Planung und Ausschreibung 2008 Realisierung/Inbetriebnahme 2009 20
Betriebserfahrungen - Anlage ist seit 2009 in Betrieb. - Der Wärmetauscher erreichte nicht die ausgeschriebene Entzugsleistung. - Als Folge der zu geringen WT-Leistung schaltete die WP aus Frostschutzgründen häufiger und früher ab als ursprünglich konzipiert (kein Frostschutzmittel im Zwischenkreis) - Zwischenzeitlich erfolgte Austausch des Wärmetauschers durch Hersteller - Reihenschaltung Hoch- und Niedertemperaturverbraucher sowie Optimierungsmaßnahmen im Schulzentrum liefern Rücklauftemperaturen die zufriedenstellend sind. 21
Schlossgymnasium Kirchheim unter Teck Walter-Jacob-Halle Schlossgymnasium Hausmeisterwohnung Heizzentrale 22
Bestehende Heizanlage Kessel Heizzentrale Baujahr Kessel 1977 1977 Leistung 500 kw 1.000 kw Heizstrom Heizstrom 23
Stromverbrauch und Stromkosten Heizstrom Stromverbrauch 2011 Heizstromkosten 2011 1.050.000 kwh/a 157.700,-- /a Allgemeinstrom Stromverbrauch 2011 Strombezugskosten 2011 430.000 kwh/a 72.000,-- /a
Abwasserkanal Mindestabfluss Trockenwetter 16 l/s; 8,8 C Abfluss Trockenwetter bei Mindesttemperatur 27 l/s; 8,3 C Mittlerer Trockenwetterabfluss während der Heizperiode 55 l/s; 10,7 C DN 700 DN 500
Konzeption der Abwasserwärmenutzung
Abwasserwärmetauscher und Zwischenkreis (Sole)
Einbau Abwasserwärmetauscher Aus arbeitsschutzrechtlichen Gründen konnte Wärmetauscher nicht direkt eingebaut werden (min. DN 800 erforderlich). Wärmetauscher wird er von einer Seite aus eingeschoben und nach der Plazierung über Manschetten fixiert, die mittels Roboter aufgespannt werden.
Heizzentrale nach Umbau Pufferspeicher Kessel Blockheizkraftwerk Wärmepumpe
Energiebilanz Heizlast [kw] 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Kessel = 10 % WP = 25 % BHKW = 65 % 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 Stunden
Brutto-Investitionskosten Blockheizkraftwerk 251.000 Wärmepumpe 316.000 Gasheizung 245.000 Erdgasanschluss 62.000 Summe 874.000 Fördermittel -114.000 Summe 760.000
Vergleich betriebsgebundener Kosten 251.000 /a 106.000 /a Betriebskosten Allgemeinstrom 7.000 /a 84.000 /a Unterschied 145.000 /a Heizstrom 160.000 /a 19.000 /a 38.000 /a Betriebskosten Allgemeinstrom 49.000 /a Erdgas Bei Investitionskosten von 760.000,-- Kapitalrückflusszeit: 760.000,-- : 145.000,-- = 5,3 Jahre
Umweltbilanz
Zusammenfassung Abwasserwärmeprojekte sind komplex, technisch anspruchsvoll und bedürfen einer guten konzeptionellen Vorarbeit sowie einer sorgfältigen Planung und Bauausführung. Mehrere Beteiligte mit unterschiedlichen Interessen und Anforderungen - Zweckverband / Entwässerungsamt (Einfluss von Kanaleinbauten, Eigentumsfragen, Kosten) - Kläranlage (Einfluss auf Betrieb und Biologie der Kläranlage) - Kommune/Stadtwerk (Standort- und Betreiberfragen) - Wärmekunden mit unterschiedlicher Abnahme- und Verbraucherstruktur. Abwasserseite - Entfernung zu Kanal, Kanalquerschnitt, Gefälle - Abflussmenge, Abwassertemperatur Heizungstechnik - Heizsystem, Auslegungstemperaturen, Temperaturspreizung - hohe RL-Temperaturen verschlechtern den COP und verringern den Wärmedeckungsanteil WP - Bei Bestandsgebäuden meistens Maßnahmen zur Senkung der RL-Temperaturen notwendig Konzeption und Auslegung - Im Bestand meistens bivalente Konzeptionen (wegen hohen Heizlasten und Temperaturanforderungen) - Kombination von Wärmepumpe und Blockheizkraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung) kann sinnvoll sein. - Verbraucher mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen sollten in Reihe geschaltet werden. - Deckungsanteile und COP sollten die Anforderungen der Wärmegesetze (EWärmeG; EEWärmeG) erfüllen. Einflussgrößen Wirtschaftlichkeit - Energiepreisen (Strom, Erdgas, Heizöl) - Fördermitteln (z.b. KlimaschutzPlus-Programm fördert BHKW, Wärmepumpen, Wärmenetze) - gesetzlichen Rahmenbedingungen (Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz KWKG, Wärme-Gesetze) 34
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