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ENERGIEWENDE – DIE HERAUSFORDERUNG

Dipl.-Ing. Harald Roth

Dipl.-Ing. Jürgen Müller

Dresden / Meißen

Innovative Wärmegewinnung aus erneuerbaren Energien

Präsentation

6. Energieforum am 14.03.2019 in der

Energieagentur des Landkreises Bautzen

„Heizen mit fließenden Gewässern?

Beispielprojekte aus dem

Landkreis Bautzen".

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UMWELTENERGIE – DIE HERAUSFORDERUNG

Freiberuflich, beratende Ingenieure

Entwicklung, Planung und Beratung

• Schwerpunkt: Projekte mit geothermischem

Hintergrund

• seit 2003 aktiv auf dem Gebiet der

erneuerbaren Energien

Ziele: Substitution fossiler Energieträger, Senkung des CO2-Ausstoßes,

dezentrale Wärmeversorgung durch praxistaugliche und

wirtschaftlich attraktive Lösungen unter Ausnutzung örtlicher

Ressourcen

Wärmeenergie nach WEA-System®

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WEA®-System: Wärme/Energie aus Abwasser

• Umweltwärme

– Fließende Gewässer

– Stehende Gewässer

– Kommunale Abwässer

(Kläranlagen und AW-Kanäle)


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Abwasser-Wärmetauscher

Produktfamilie der WEA - Wärmetauscher

Fließwasser-Wärmetauscher

Rotations-Wärmetauscher

Druckflüssigkeits-Wärmetauscher

Turbulenz-Wärmetauscher (rund)

Turbulenz-Wärmetauscher (linienförmig)

Wärmeentzug strömungsabhängig

Wärmeentzug strömungsabhängig Wärmeentzug strömungsunabhängig und steuerbar

Wärmeentzug strömungsunabhängig und steuerbar

Einbau unterirdisch


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Realisierte Projekte mit WEA®-System:


Ort Heizleistung Nutzung Entzugsmedium

Kamenz 60 kW Heizung Wohn- und Gewerberäume Mischwassersammler

Cunewalde 120 kW Heizung Umbau Rathaus Abfluss Trutzmühlteich

Garsebach 35 kW Heizung Wohnungen Fichtenmühle Unterwasser Turbinen

Bischheim 15 kW Heizung Wohn- und Gewerberäume Haselbach

Lohmen 18 kW Heizung Wohngebäude Unterwasser Turbine Wesenitz

Grießen 5 – 30 kW Versuchsanlage Wärmeübertrager Stau WKW Neiße

Döbeln 100 kW Heizung Kläranlage Haltung Mischwasser

Ettenheimmünster 15 kW Heizung Wohnung Klostermühle Ettenheim Unterlauf Mühlgraben

Rödern 35 kW Heizung Wohngebäude Oberwasser Turbine Röder

Rentweinsdorf 20 kW Heizung Mühle Gräfenholz Oberwasser Turbine Baunach

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Geplante nicht realisierte Projekte mit WEA®-System:


Ort Heizleistung Nutzung Entzugsmedium

Bad Schandau 75 kW Heizung Rathaus Elbe

Berlin 150 kW Heizung Wohnkomplex Spree

Bielatal 15 kW Abgabeleistung Turbine Druckleitung Turbinentrasse

Bischheim 60 kW Heizung Kindergarten Weißbach

Chemnitz 50 kW Heizung Kläranlage Heinersdorf Abwasserkanal

Cunewalde 120 kW Heizung Schulgebäude Cunewalder Wasser

Dohna 115 kW Heizung Pflegeheim Müglitz

Espenhain 85 kW Heizung Kläranlage Abwasserkanal

Fischbach 20 kW Heizung Gasthof Mühlgraben Dörnigborn

Friedersdorf 12 kW Heizung Wohngebäude Pulsnitz

Elsterheide 135 kW Heizung Hotelkomplex Geierswalder See

Georgenberg 200 kW Heizung Betriebsgebäude Zulauf Turbinen

Güstrow 115 kW Heizung Gewerbekomplex Fließ

Höxter 50 kW Heizung Mönchemühle Turbinenkammer

Kamenz 50 kW Heizung BSZ Schwarze Elster

Kamenz 28 kW Heizung Kinderhaus Mischwasserkanal

Kamenz 130 kW Teilheizung Malteserkrankenhaus Steinruchwasser

Kamenz 50 kW Heizung Sportzentrum Tomogara Schwarze Elster

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Geplante nicht realisierte Projekte mit WEA®-System:


Liebetal 16 kW Heizung Betriebsgebäude Turbinengraben

Wachau 160 kW Heizung Gemeindeverwaltung Kleine Spree

Lömischau 10 kW Heizung Wohngebäude Altes Fließ

Lübben 20 kW Heizung ASB-Neubau Berste

Luckau 150 kW Heizung Umbau ehem. JVA-Gebäude Stadtgraben

Müglitztal 20 kW Heizung Gewerbebetrieb Stauwasser

Nebelschütz 25 kW Heizung Gemeindezentrum Jauerbach

Neuhausen 100 kW Heizung Altenheim Spree

Neukirch 20 kW Heizung Gemeinde Quellwasser

Oberaulenbach 85 kW Heizung Schloss Stadtgraben

Oberlichtenau 15 kW Beheizung Bibelgarten Pulsnitz

Offenbach 10 kW Beheizung Kläranlage Rumpenheim Staubehälter

Seifersdorf 65 kW Beheizung Schloss Schlossteich

Taura 15 kW Heizung Wohngebäude Quellwasserspeicher

Waldheim 130 kW Heizung Rathaus Zschopau

Wachau 15 kW Heizung Gemeindeverwaltung Orla

Wiesa 85 kW Heizung Schulgebäude Schwarze Elster

Wiesa 65 kW Heizung Schulhort und Feuerwehr Tuchmachergraben

Zabeltitz 60 kW Heizung Reko Mühlgebäude Oberwasser Mühlgraben Röder

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„Cunewalde“: Fließwasserwärmetauscher für 70 – 120 kW Heizleistung

2.200 m² zu beheizende Fläche


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Unterirdischer

Fließwasserwärmetauscher

Heizraum mit Wärmepumpe

Wärmeisolierte

Übertragungsstrecke


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262,60 müHN

262,00 müHN

259,80 müHN

Revitalisierung ehem. Weberei Cunewalde: Schnitte Turbinengraben

Montageskizze Fliesswasserwärmetauscher

unmaßstäblich


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Ausleitung 20 l/s; 4,0°C

Zulauf max. 20 l/s; 4,0°C

Ablauf max. 20 l/s, 3,2°C

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-20 l/s

Fließ

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Wärm

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60 k

W

„Cunewalder Wasser“ > 100 l/s; 4,00°C

„Cunew

ald

er

Wasser“

>80 l/s

; 4,0

°C

Ablauf max. 20 l/s, 3,2°C

„Cunewalder Wasser“ > 100 l/s; 3,84°C

Auflage: < 0,2 K

Au

flag

e:

<

0,8

K

LIRY

102

Drosselschieber zur

Ablaufeinstellung < 20 l/s LIRY

100

TIR

100

TIR

103

Vorhandene

Wehranlage

LIRY

103

LIRY

101

TIR

102

TIR

.....

Durchflußmessstellen

Temperaturmessstellen

LIRY

.....

Fließschema mit Messstellen nach Auflagen Untere Wasserbehörde Wärmeentzug für neues Gemeindezentrum Cunewalde (Industriebrache Hildebrandt)

100%

20%

80%

100%

Rechenbeis

pie

l fü

r A

usle

gungste

mpera

tur

Flie

ßw

asser

4°C

!

Ausleitstrecke

Speicherbecken

5.000 m²; 1 m Tiefe

Nutzvolumen für Pufferung:

2.500 m³


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Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun

7 T

age

25 Tage

20 Tage

62 Tage

17 Tage

32 Tage

30 Tage

27 Tage 45 Tage

100%

78%

56%

33%

14%

67%

Heizperiode Oberlausitzer Bergland: 295 Heiztage bei 334 Kalendertagen

Leis

tun

gsan

teile d

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Wärm

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gu

ng

san

lag

en

-15°C

Au

ßen

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tur

-8°C

+8°C

+15°C

-4°C

-0°C

+18°C 8% 9 T

age

9 T

age

12 T

age

Bivalenzpunkt

Bivalenzbetrieb mit

Brennwertkessel

Darstellung der realistischen Jahresheizarbeit nach Temperaturganglinie Lausitz

Quelle:

Bildungsverlag EINS, Troisdorf,

Bundesfachschule Heizungstechnik, Karlsruhe

Meteorologiedaten Lausitz

25 20 20 22 30 16 20 12 20 19 HT/Mon

20 6 6 7 2 7 9 11 11 15

Betrieb

Wärmepumpe


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Bauzeit 20 Wochen: Mai / September 2007

Investitionskosten netto: 71.000 EUR

Ausrüstung 50.000 EUR

Bauleistung 15.500 EUR

Ingenieurleistungen 5.500 EUR

Förderung 48.000 EUR

Inbetriebnahme 01.10.2007

Einsparung Betriebskosten 2008: >45%


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„Bischheim“: Turbulenzwärmetauscher für 15 – 25 kW Heizleistung

300 m² zu beheizende Fläche


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Entnahme- und Pumpschacht

Übertragungsstrecke

Heizraum mit

Turbulenzwärmetauscher

“Haselbach“


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10

00

,00

Außenanbringung Auswerteeinheit für Wärmezähler

und Leckageanzeige

Temperatursensor VL

VL Wasser

RL Wasser

Flügelrad-Wärmemengenzähler

(steigend)

VL Sole

Stahlrohr DN 500

3 Stück Stellfüße

Die gewählte Konstruktion ergibt für den

Wärmetauscher mit 5,5 Windungen um

den Kern DN 500 eine mittlere Länge von

11,25 m

Armaflex-Isolierschalen für

kaltgehende Leitungen

700,00

Leckagesensor

+25 mm ü. Sohle

Plastdeckel

10

70

,00

Blechummantelung mit

Plasthülle

25

,00

13

5,0

0

508,00

25,0

0

25

,00

RL Sole

Temperatursensor RL

70

,00

44

,00

Bodenablasshahn

Isolierung zwischen

Blechmantel und

Turbulenzwindungen Spiralwellrohr

Hüllschlauch

Bereich laminarer

Grenzströmung an

Glattrohren

Bereich turbulenter

Strömung innen und

außen am

Spiralwellrohr

Querschnitt Schlauchkombination


Funktionsschnitt des Turbulenzwärmeübertragers


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Wärmezähler

„Heizkreislauf“

Wärmezähler

„Solekreislauf“

Wärmepumpe

Sole/Wasser

Elektroeinspeisung

Pu

mp

e

„Solekreislauf“

Pu

mp

e

„Heizkreislauf“

Trs

Tvh

Trh

Heizung

Z

Temperatur VorlaufTemperatur Vorlauf

Temperatur Rücklauf Temperatur Rücklauf

Entnahme mit

Förderpumpe

Turbulenz-

Wärmetauscher

„’Haselbach“

Durchflussmenge Durchflussmenge

Lufttemperatur

Tvs TluftTvw

Trw

2

3

4

5

8

7

6

9

110

11

12

13

14

Entnahme- und Messstellenschema für Wärmeentzug aus Fließgewässer


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Übersicht zu Temperatur-Mittelwerten während Messzyklus


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Umwelt-Temperatureinfluss auf Arbeitszahl der Wärmepumpe


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Fließw asser Elektro Heizung Arbeitszahl

Qfließ Pel Qheiz AZ

(kWh/Zeit) (kWh/Zeit) (kWh/Zeit) b real

Jan-Mai 13.908 5.026 16.856 3,35

Solefluß Heizfluß Bach Luft

Vsole Vheiz tbach tluft

(m³/Zeit) (m³/Zeit) (°C/Zeit) (°C/Zeit)

Jan-Mai 4.746,54 3.538,24 8,82 9,15

Energienutzung aus Fließgewässer in der Heizperiode

Volumenströme und Durchschnittstemperaturen in der Heizperiode


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Jahres-Kostenvergleich Nutzung Fließwassertemperatur und Wärmepumpe


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„Haselbach“ mit Aushub für

Installation Entnahmeschacht

Entnahmeschacht mit Vor- und

rücklaufleitungen

Trasse vom Entnahmeschacht zum

Turbulenzwärmetauscher Entnahmeschacht mit installierter

Förderpumpe


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Wärmepumpe mit


Pufferspeicher für

Warmwasser

Probebetrieb

Wärmemengenzähler „Sole“ Display

Wärmepumpenmanager


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Bauzeit 20 Wochen: Mai / September 2010

Investitionskosten netto: 23.700 EUR

Ausrüstung 15.500 EUR

Bauleistung 5.700 EUR

Ingenieurleistungen 2.500 EUR

Inbetriebnahme 01.10.2010

Einsparung Betriebskosten 2011: >70%


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Projektablauf:

1. Auftrag Machbarkeitsstudie (Nachweis der

technischen Realisierbarkeit und der

Wirtschaftlichkeit)

2. Projektbesprechung mit Auftraggeber

3. Beauftragung für Planung

4. Vorbereitung Ausschreibung für Tief- und GaLa-Bau

5. Bau und Montage des Wärmetauschers mit

autorisiertem Bauunternehmen


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Effekte:

1. Heizkosteneinsparung

2. Abkopplung von Preiserhöhungen für Heizöl und

Erdgas

3. Beitrag Umweltschutz durch CO2-Einsparung


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Alternative Wärmeübertrager

Nutzung von Oberflächenwässern

zum Betrieb von Sole-Wasser-Wärmepumpen

für die Beheizung von Gebäuden

durch speziell gestaltete Wärmeübertrager

Schmutz ?

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Gewässerkarte Ostsachsen

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Gewässernutzung als Alternative zur Wärmeversorgung

• Siedlungsgebiete entstanden entlang von Wasserläufen.

• Strukturen heute noch erkennbar, weil ca. 30% aller Gebäude in fast

jedem Dorf in einem Abstand 10 bis 100 m Entfernung zu den o.a.

Wasserläufen liegen und einen punktuellen Heizwärmebedarf von

10-20 kW aufweisen.

• Seitens der Unteren Wasserbehörde zur Nutzung der Wasserwärme

aus Oberflächengewässern besteht die Hauptauflage in der

Forderung, keine Einbauten im Fließquerschnitt vorzunehmen.

• Aus diesem Grund werden die Anlagen nach folgendem

Funktionsquerschnitt wie folgt genehmigungsfähig.

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Prinzip Wassernutzung

Entnahme aus See

Bootssteg o.ä.

Kompaktwärmeübertrager,

Wärmepumpe, Heizung

Schacht mit Pumpe

Entnahme aus Bach

Turbulenzwärmeübertrager,

Wärmepumpe, Heizung

Schacht mit Pumpe

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Problem Elektro-Wärmepumpen-Einsatz

Problem:

Anstieg Elektroenergiepreise

um fast 100% in 15 Jahren

Lösungsansatz:

Erhöhung der Leistungszahl

der Wärmepumpe

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Verbesserung Leistungszahl

Tiefste Temperatur Bachwasser = 1°C = 274 K

Vorlauftemperatur Heizung = 55°C = 329 K

Theoretischer Grenzwert der Leistungszahl

Erreichte Leistungszahl

Entzugsleistung Wärmeübertrager = 15,00 kW

Eingespeiste Elektroenergie = 5,88 kW

Nutzbare Heizleistung= 20,88 kW

Praxisversuch

Fo

rsc

hu

ng

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Gegenstromtechnik

E-4

E-6

Tursum-Wärmeübertrager

E-2

E-16

Kompakt-Wärmeübertrager

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Wirbelstromtechnik

E-4

E-6

Torus-Wärmeübertrager in

Mühlgraben mit eigenem

Wasserrecht

E-4

E-6

Torus-Wärmeübertrager mit

Wirbelströmung

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Runder Wirbelstrombehälter

Durchmesser: 0,75 m

Höhe: 0,45

Entzugsleistung: ca. 15 kWStarkes Gefälle des Fließgewässers

Geringe Entfernung zur Einleitstelle

Einleitung

Teilstrom

Ausleitung

Teilstrom

Runder Wirbelstrombehälter

Durchmesser: 0,75 m

Höhe: 0,45

Entzugsleistung: ca. 15 kWGeringes Gefälle des Fließgewässers

Große Entfernung zur Einleitstelle

Geringe Entfernung zur Einleitstelle

Ausleitung

Teilstrom

Einleitung

Teilstrom

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Freier Zufluss Wirbelstrombehälter

„Es ist erkennbar, dass die Wasserzuführung im Oberwasser

ähnlich der eines Mühlgrabens mit Wasserrad ist, nur das mit dem

„Wirbelstrombehälter“ nicht nur die fallende Energie des Wassers,

sondern zusätzlich die Rotation im runden Behälter auf kleinstem

Raum zum erhöhten Wärmeübergang genutzt wird.“

Der vorgestellte freie Zufluss eines Teilstroms rentiert sich

wirtschaftlich nur bei relativ großem Gefälle des vorhandenen

Fließgewässers, da ansonsten der erforderliche Bauaufwand für

eine lange Strecke bis zur Wiedereinleitung des Wassers zu hoch

wird.

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Kooperationspartnerschaft für dieses F+E Projekt

In Kooperation mit einem kleinen oder mittleren Unternehmen

(KMU), soll dieses F+E Projekt über das Zentrale

Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministerium für

Wirtschaft und Energie gefördert werden.

Anlässlich unseres Besuches im Mai 2018, der in Berlin jährlich

stattfindenden Hausmesse, wurden bereits sehr positive

Gespräche hinsichtlich einer Förderung mit verantwortlichen

Mitarbeitern der Förderstelle geführt.

Interessierte Firmen können sich jederzeit zur Mitarbeit, bis

spätestens 31. Juli 2019 bei uns über die nachfolgenden

Kontaktdaten bewerben.

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Unternehmen Revier / 2. Projektaufruf

Zur Umsetzung des Regionalen Investitionskonzeptes (RIK)

Am 18. Februar (Ende der Bewerbungsfrist 18.März 2019) erfolgte

durch die Wirtschaftsregion Lausitz der 2. Projektaufruf u.a. zu

dem Projektthema:

Bioenergie/Algenbiomasse und Seethermie.

Wie in unserem Vortrag bereits erläutert, können wir für Projekte

der Seethermie unser bereits in der Praxis erprobtes und

neuentwickeltes know how einbringen.

Unternehmen, die an diesem Förderprogramm teilnehmen, bieten

wir unsere Mitarbeit und Zusammenarbeit auf Honorarbasis an!

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Herzlichen Dank für Ihr Interesse!

Für Fragen, Informationen und an der Beteiligung eines

neuen F+E Projektes (mit ZIM - Förderung)

stehen wir Ihnen jederzeit und gern wie folgt zur Verfügung:

Dipl.-Ing. Harald Roth Dipl.-Ing. Jürgen Müller

0162 / 250 55 00 0162 / 439 49 51

E-Mail: [email protected]

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