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Wärmerückgewinnung aus Abwasser-Beispiele aus Berlin

re-water 2011, Braunschweig

Alexander Schitkowsky, 21./22. November 2011

Beispiele aus Berlin

Wärmerückgewinnung aus Abwasser

� Einführung

� Beispiel IKEA

� Weitere Beispiele


� Wärmeleck Kanal?

� Fazit

Einführung

� Weil es von den „Produzenten“ erwärmt wurde, hat Abwasser

ein höheres mittleres Temperaturniveau als seine Umgebung.

� Die Rückgewinnung dieses Wärmepotenzials ist umwelttechnisch

sinnvoll und kann bereits heute wirtschaftlich interessant sein.


� Abwasserdruckrohre (und Abwasserkanäle) können als

Niedertemperatur-Fernwärmenetz verstanden werden.

Einführung

� Mögliche Standorte der Wärmegewinnung (DWA M 114)


Rückgewinnung

im Gebäude

Rückgewinnung im

Entwässerungssystem

Rückgewinnung

in der Kläranlage

(gereinigtes Abwasser)

max. Temperatur

niedriger Volumenstrom

mittlere Temperatur

mittlerer Volumenstrom

niedrige Temperatur

max. Volumenstrom

Einführung

Das Berliner

Stadtgebiet ist

ca. 900 km² groß


Kanäle

4.309 km Abwasserkanäle1.921 km Mischkanäle3.253 km Regenkanäle

68 km Sonderkanäle

9.551 km insgesamtKlärwerke

(Zulauf in Tm³ pro Tag)

Druckleitungen

1.173 km

Einführung_ Abwasserentsorgung in Berlin


9.551 km insgesamt (Zulauf in Tm³ pro Tag)

Ruhleben 247Waßmannsdorf 200Schönerlinde 105Münchehofe 43Stahnsdorf 47Wansdorf 40

Insgesamt 682

Pumpwerke

13 Hauptpumpwerke52 Anschlusspumpwerke62 Überpumpwerke19 Regenpumpwerke

4 Sonderpumpwerke

150 insgesamt

Einführung_ Abwasserentsorgung in Berlin

� etwa 7 % des Berliner Schmutz- und Mischwasserkanalnetzes

sind größer DN 700, dies entspricht ca. 416 km

286 km 75 km 55 km

Durchmesser


3978 km

1236 km

600 km-250

251-400

401-700

701-1200

1201-1600

>1600

Durchmesser

Beispiel IKEA

Die Ausgangssituation 2009:

� Neubau geplant

� Druckrohrleitung DN 1000 (Stahl)

vorhanden


vorhanden

� Entfernung Druckrohr -

Heizzentrale ca. 150 m

Aber: Keine Referenzanlage vorhanden !

Beispiel IKEA

Die Idee:

� Integration eines Wärmetauschers in vorhandene Druckleitung

Anforderungen:


� keine hydraulische Beeinflussung des Abwasserstromes durch

Reduzierungen, Einbauten etc.

� keine signifikanten Druckverluste

� (möglichst) permanenter Durchfluss

� langfristig wartungsfreier Betrieb

Einführung

Hauptstrom Bypass

Die Varianten:

10Alexander Schitkowsky, 21./22. November 2011

Beispiel IKEA

WT-Lage Vorteile Nachteile

Hauptstrom • geringer Platzbedarf• je nach Baubedingungen

(Tiefe, Ortslage) kostengünstige Variante

• WT muss zum Netzbestand werden, sonst Abgrenzung schwierig

• ADL fällt während der Bauzeit

Die Varianten:

kostengünstige Variante • ADL fällt während der Bauzeit des WT aus

Bypass • kein Eingriff in ADL-System notwendig

• klare Eigentumsabgrenzung(WT-Druckrohr) möglich

• geringerer Platzbedarf im öffentlichen Straßenbereich

• Netztrennung (ggf. Rückbau) leichter möglich

• Investitionskosten sind höher (WT-Schleife und Schieber)

• hoher Platzbedarf• Verlegetiefe von > 1,5 m

notwendig, wegen Überdeckung Schieberglocke

• höherer Druckverlust

11Alexander Schitkowsky, 21./22. November 2011

ADL = AbwasserdruckrohrleitungWT = WärmetauscherGOK = Geländeoberkante

Beispiel IKEA

Die Lösung:

� Doppelmantel-Rohrwärmetauscher als Bypass:

- Gesamtlänge: 204 m


- Gesamtlänge: 204 m

- Fließgeschwindigkeit: 1 m/s

- Volumenstrom: 500 – 1.400 m³/h

- Kernrohr: DN 700, ohne ZM-Auskleidung

- Mantelrohr: DN 800, ohne ZM-Auskleidung, mit PE-Ummantelung

- Druckverlust durch Wärmetauscher: 0,023 bar

Beispiel IKEA


Grafik: IKEA

Beispiel IKEA


Doppelmantelrohrwärmetauscher Schieber DN 700

Beispiel IKEA


Endstück Wärmetauscher Induktive Durchflussmengenmessung

Beispiel IKEA


Anschluss Nahwärmetrasse Nahwärmetrasse

Beispiel IKEA

� Dezember 2010: Eröffnung der 3. IKEA-Filiale in Berlin mit rund 43.000 m² BGF

� Heizleistung: ca. 70 % des Jahresbedarfs aus Abwasser

� Kühlleistung: 100 % des Jahresbedarfs aus Abwasser

� Installierte Gesamtleistung: 2.496 kW


� Installierte Gesamtleistung: 2.496 kW

- Wärmeleistung Elektrowärmepumpen: 1.476 kW

- Gasbrenner für Spitzenlast: 2 x 510 kW

� Kälteleistung Wärmepumpen: 1.137 kW

� Primärenergieeinsparung geplant: 37 %

� Senkung der CO2-Emissionen: bis zu 770 t/a

Beispiel IKEA

Winterbetrieb - Heizen


Grafik: IKEA

Beispiel IKEA

Sommerbetrieb - Kühlen


Grafik: IKEA

Beispiel IKEA

� Wärmespeicher:

- 1.250 m³, Sprinklerzentrale als Pendelspeicher

� Heizung:

- Fußbodenheizung, Betonkernaktivierung, Deckenstrahler


- Fußbodenheizung, Betonkernaktivierung, Deckenstrahler

� Lüftungsanlagen:

- Wärme- und Kälterückgewinnung

� Zusätzlich:

- Photovoltaik (4.000 m²/ 575 kWp)

Ökologisch und ökonomisch sinnvoll

� Umfangreiches Monitoring inkl. Optimierung der Gesamtanlage im ersten

Betriebsjahr, Betriebserfahrung 12/2010 bis 09/2011:

� Winterbetrieb:

- Abwassertemperatur: jederzeit > 13°C

Beispiel IKEA

- ∆T Wärmetauscher: deutlich < 2 K

- Leistungsbilanz der Wärmepumpe (COP): bis 7,5 (!)

- bislang kein Bedarf für Spitzenlastkessel

- laufende Optimierung der Anlage und der

Steuerung

- Förderstopps während Nachtstunden unproblematisch


� Umfangreiches Monitoring inkl. Optimierung der Gesamtanlage im ersten

Betriebsjahr, Betriebserfahrung 12/2010 bis 09/2011:

� Sommerbetrieb:

- Abwassertemperatur: jederzeit < 21°C

Beispiel IKEA

- ∆T Wärmetauscher: ca. 1 K

- kein Bedarf für Pendelspeicher

- kein Bedarf für Kühlung durch Lüftung, (Regelungs-

größe CO2-Konzentration)

- Förderstopps während Nachtstunden unproblematisch


Weitere Beispiele

Kanalwärme zur Beheizung von

Beckenwasser der Sport- und Lehr-

schwimmhalle Berlin-Schöneberg:

� Machbarkeitsstudie durch BerlinerWasserbetriebe


� Mischwasserkanal Profil Ei 1400/2100

� Anbindung an vorhandene Anlage

� Entfernung Kanal Nutzer ca. 150m (Parkplatzfläche)

� Begleitforschung zur Optimierung des Wärmetauschers im Kanal geplant

Weitere Beispiele

Schwimm- und Schulsporthalle Berlin-Schöneberg

� Wärmebedarf: 1.039 MWh / a

� Wärmeerzeuger aktuell: 2 Gasbrenner mit je 1.750 kW

� Wärmeangebot Kanal: >150 kW


� Temperaturdifferenz Abwasser: 2 K max.

� Heizleistung der geplanten Gasabsorptions WP: 4 x 42 kW

� Primärenergieaufnahme Gasabsorptions WP: 4 x 25 kW

� geplante Inbetriebnahme: April 2012

� Gesamtinvestitionskosten (geplant): ca. 450.000 €

Förderung durch UEPII und EFRE-Mittel

Weitere Beispiele

Neubau Betriebsgebäude und Fahrzeughalle

� System:

- Druckrohrwärmetauscher DN 300/350

- Wärmepumpen und Gaskesselanlage

� Wärmeleistung WP / Gaskessel 26 / 48 kW


� Wärmeleistung WP / Gaskessel 26 / 48 kW

� Wärmetauscher „begehbar“ im Pump-

werksgebäude aufgestellt

� Primärenergieeinsparung: ca. 28 %

� Senkung CO2-Emission: ca. 30 %

Förderung durch Investitionsbank des Landes Brandenburg

Wärmeleck Kanal?

mechanische Energie

44%sonstige

Beleuchtung2%

Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen in Deutschland 2007

44%

Privat19%

Industrie7%

Warmwasser5%

sonstige Prozesswärme

23%

Raumwärme 26%


Quelle: BMWI, Stand 12/2008

� Raumwärme: 74 % entfallen auf

private Haushalte

� Warmwasser: 65 % entfallen auf

private Haushalte

� 22,5 % des Gesamtwärmebedarfs

in Deutschland entfallen auf

private Haushalte

Wärmeleck Kanal?

Heizung76%

Endenergieverbrauch im Musterhaushalt

Warmwasser12%

Kühlen / Waschen

6%

Kochen4%

Licht2%


Quelle: DWA

Endenergiebedarf im Musterhaushalt:

� ca. 85 % der Haushaltsenergie

geht als Wärme über die

thermische Hülle verloren

� ca. 15 % geht in die Warmwasser-

bereitung und somit über den

Kanal verloren

Fazit

� In der Praxis liegen Wärmebedarf und Angebot meist weit auseinander

� Ganzheitliche Projektbetrachtung notwendig

� Genaue Kenntnis über langfristigen Wärmebedarf und Wärmeangebot


� Positiv auf die Gesamtwirtschaftlichkeit wirken

- hohe Betriebsstundenzahl (z.B. Heizung und Kühlung kombiniert)

- niedrige Vorlauftemperaturen (z.B. Flächenheizung, mehrstufige

Erwärmung)

- kurze Leitungswege

- optimierter Anlagenbetrieb

Fazit

� Deutliche Senkung des Primärenergiebedarfs ist möglich und damit

- Senkung der CO2-Emission

- Senkung der Betriebskosten

� „Projektvorlaufzeit“ ist nötig und muss bei der Planung berücksichtigt


� „Projektvorlaufzeit“ ist nötig und muss bei der Planung berücksichtigt

werden

� Potenzialstudie für Abwasserdruckrohr- und Kanalwärmeangebot für

definierte Einzugsgebiete ist sinnvoll

� In Berlin werden derzeit weitere mögliche Projekte geprüft

Ansprechpartner

Berlinwasser Regional

Alexander Schitkowsky


Neue Jüdenstraße 1

10179 Berlin

Tel.: 030/ 747 57 158

Fax: 030/ 747 57 169

Email: [email protected]

Einführung� Vor- und Nachteile der verschiedenen Orte für Wärmegewinnung

Ort der Wärmegewinnung

im Gebäude

Vorteile Nachteile

• relativ hohe Abwassertem-peraturen

• sehr kurzer Wärmetrans-portweg

• Betreiber = Wärmeverbrau-cher

• netzunabhängiger Betrieb • kein Einfluss durch Nieder-

schlagswasser

• geringer Abfluss mit tages-zeitlich großen

• Schwankungen • störende Abwasserinhalts-

stoffe • dezentrale Anlagen mit

hohem Betriebsaufwand

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im Entwässerungssystem

auf bzw. nach der Kläranlage

schlagswasser • größere Abwassermengen • kurze bis mittlere Wär-

metransportwege • Überwachung und Betriebs-

sicherheit

• Abhängigkeit von Netzbe-treiber

• Einbauten bedingen Über-wachung

• Einfluss auf Reinigung • kein Einfluss auf Abwasser-

reinigung • große/relativ konstante Ab-

wassermenge und damit größtes Wärmeangebot

• Abwasser ist gereinigt • Abkühlung des Abwassers

zu Gunsten des Gewässers

• wenn keine Abnehmer in der Nähe sind, langer Wär-metransportweg

• Abhängigkeit vom Kläranla-genbetreiber

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