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Potenzialstudie Abwasser-Internet - ReSys AG

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<strong>Potenzialstudie</strong><br />

zur <strong>Abwasser</strong>abwärmenutzung<br />

in Bremerhaven<br />

Bremerhaven, im Januar 2004<br />

Dipl.-Ing. Sabine Piller, bea<br />

Dipl.-Ing. Vera Litzka, bea<br />

Dipl.-Ing. Tim Steffan, prosys°<br />

Dr. Michael Kruse, prosys°<br />

Im Auftrag der


ea GmbH, prosys° GmbH<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

Vorwort .................................................................................................................................1<br />

Zusammenfassung...............................................................................................................2<br />

1. Einleitung.......................................................................................................................3<br />

2. Projektbeispiele aus der Schweiz und aus Deutschland...........................................5<br />

3. Technische Machbarkeit.............................................................................................8<br />

3.1. Situation in Bremerhaven.....................................................................................8<br />

3.2. Anwendungsmöglichkeiten in Bremerhaven – Pumpwerke, Kanäle.............15<br />

3.3. Wärmeentzug aus dem <strong>Abwasser</strong> im Bereich kommunaler Kläranlagen.....22<br />

3.4. Auswahl und Bemessung des Wärmetauschers ..............................................22<br />

3.5. Auswahl der Wärmepumpe ..............................................................................23<br />

4. Technische Machbarkeit an Beispielen aus Bremerhaven.....................................26<br />

4.1. Fallbeispiel 1 – Ein Museum ................................................................................27<br />

4.2. Fallbeispiel 2 – Eine Schule.................................................................................34<br />

4.3. Fallbeispiel 3 – Ein Schwimmbad.......................................................................39<br />

4.4. Diskussion und Bewertung..................................................................................45<br />

5. Fördermöglichkeiten..................................................................................................50<br />

6. Schlussfolgerungen und Ausblick..............................................................................53<br />

Literaturverzeichnis ............................................................................................................55


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 1<br />

Vorwort<br />

Die im Rahmen dieser Studie präsentierten Ergebnisse zur Potenzialermittlung der<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmenutzung in der Seestadt Bremerhaven sind das Ergebnis eines<br />

Projektes der bea GmbH und der prosys° GmbH, das von der Bremer Energie-<br />

Konsens GmbH finanziert worden ist, wofür ihr an dieser Stelle nachdrücklich gedankt<br />

sei.<br />

Intention des Vorhabens ist es, nachzuweisen, dass die in der öffentlichen<br />

<strong>Abwasser</strong>kanalisation vorhandene Wärmemenge zur Beheizung von Gebäuden<br />

technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist und diese Wärmebereitstellung zudem<br />

gegenüber herkömmlichen Wärmeerzeugungssystemen weniger klimaschädliche<br />

Kohlendioxid-Emissionen abgibt.<br />

Die Unterzeichnenden bedanken sich herzlich an dieser Stelle für die Auskunfts- und<br />

Gesprächsbereitschaft der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aller von uns<br />

angesprochenen Institutionen.<br />

Insbesondere geht dieser Dank an die Bädergesellschaft Bremerhaven, die BEG<br />

logistics GmbH, die Bremerhavener Entwicklungsgesellschaft Atler/Neuer Hafen<br />

BEAN, die Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und<br />

Stadtentwicklung mbH BIS, die Entsorgungsbetriebe Bremerhaven EBB, die<br />

Fischereihafen-Betriebsgesellschaft mbH, den Magistrat der Stadt Bremerhaven, die<br />

Seestadt Immobilien und die swb Bremerhaven GmbH.<br />

Bremerhaven, Bremen, Januar 2004<br />

bea GmbH<br />

prosys° GmbH<br />

Dipl.-Ing. Vera Litzka<br />

Geschäftsführerin<br />

Dr.-Ing. Michael Kruse<br />

Geschäftsführer


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 2<br />

Zusammenfassung<br />

Die Nutzung anergetischer Wärme aus der öffentlichen Kanalisation zur Beheizung<br />

von Gebäuden ist durch den Einsatz von am Markt eingeführter Wärmetauscher<br />

sowie des Einsatzes von Wärmepumpen (WP) möglich. Dies zeigen einerseits die in<br />

Kapitel 2 der Studie aufgeführten Projekte in anderen Städten, zum anderen die drei<br />

in Kapitel 4 dargelegten Fallbeispiele in der Seestadt Bremerhaven, die ein breites<br />

Spektrum möglichen Anwendungen der <strong>Abwasser</strong>wärme darstellen.<br />

Die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Betrachtungen machen<br />

deutlich, dass alle drei ausgewählten Fälle durch den Einsatz monovalenter WP<br />

vollständig mit Wärme versorgt werden können. Neben der technischen<br />

Machbarkeit dokumentiert die vorliegende Studie, dass ein wirtschaftlicher Betrieb<br />

unter den derzeitigen Marktbedingungen möglich ist, wenn eine<br />

Vollkostenkalkulation für die unterschiedlichen Wärmebereitstellungssysteme zu<br />

Grunde gelegt wird.<br />

Die ökologische Bilanzierung der verschiedenen Systeme verdeutlicht, dass speziell<br />

die CO2-Emissionen durch den Einsatz einer monovalenten WP gegenüber der<br />

Gas-Brennwert-Technik bzw. dem Fernwärmeeinsatz ein positives Ergebnis liefert.<br />

Bremerhaven bietet auf Grund der Gebäudestruktur und der Kanalsituation in vieler<br />

Hinsicht Möglichkeiten für den Einsatz von Wärmepumpen zur Abwärmenutzung aus<br />

<strong>Abwasser</strong>. Das <strong>Abwasser</strong>aufkommen ist weithin ausreichend und neben dem<br />

Wärmeentzug aus dem Kanal ist hier auch die Nutzung der Abwärme aus dem<br />

Pumpensumpf der Pumpwerke möglich. Die Aktivitäten rund um das<br />

Entwicklungsgebiet Alter/Neuer Hafen bieten ebenso Ansatzpunkte wie auch die<br />

öffentlichen Gebäude der Seestadt.<br />

Zusammengefasst ist festzustellen, auch vor dem Hintergrund der vorgestellten,<br />

existierenden Projektbeispiele in der Schweiz und Süddeutschland, dass die Nutzung<br />

der <strong>Abwasser</strong>wärme zur Deckung des Raumwärmebedarfs eine effiziente und<br />

ökologische Technik ist und entsprechend in den nächsten Jahren verstärkt zum<br />

Einsatz kommen wird.<br />

In Folge der Potenzialerhebung im Rahmen dieser Studie wäre es sinnvoll die Planung<br />

und Realisierung einer Pilotanlage durchzuführen, um weitere Erkenntnisse bei der<br />

praktischen Umsetzung zu gewinnen und die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung vom Land<br />

Bremen ausgehend in der Bundesrepublik Deutschland als alternative Technologie<br />

zur konventionellen Feuerungstechnik in der Gebäudeversorgung zu etablieren.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 3<br />

1. Einleitung<br />

Der Wärmemarkt in Deutschland dominiert derzeit mit 75% den Energieverbrauch der<br />

Privathaushalte. Wird die Warmwasser-Bereitung noch dazugerechnet, beträgt die<br />

Wärmeanwendung in den Privathaushalten ca. 90%.<br />

Trotz steigenden Anforderungen an die Wärmedämmung neuer Gebäude, gehen<br />

die eingehenden Studien [KLE 00] davon aus, dass aufgrund der langen<br />

Investitionszyklen im Bereich Bauen, noch bis mindestens 2050 der größte Anteil des<br />

privaten Energieverbrauchs die Wärmeanwendung sein wird.<br />

Die effiziente Erzeugung von Wärme zur Beheizung von Gebäuden wird daher auch<br />

zukünftig eine große Bedeutung haben. Die in verschiedenen Studien belegten<br />

Entwicklungen im Wärmemarkt zeigen, dass analoge Tendenzen, die im Strommarkt<br />

seit Jahren zu beobachten sind, auch den Wärmemarkt erreichen werden. –<br />

Stichworte sind hier:<br />

• Nutzung regenerativer Energieträger und<br />

• Effizienz – und suffizienzsteigernde Techniken und Anwendungen.<br />

Derzeit wird bereits diskutiert, ob zur stärkeren Nutzung regenerativer Energieträger<br />

analog zum EEG ein WärmeEG verabschiedet wird. Zudem gibt es seit Jahren eine<br />

Diskussion, wie speziell Abwärme einer weiteren sinnvollen Nutzung zugeführt werden<br />

kann. In diesem Zusammenhang ist die Nutzung, der mit dem <strong>Abwasser</strong> abgeführten<br />

Wärmemengen von Bedeutung.<br />

Während die Wärmerückgewinnung bei <strong>Abwasser</strong> im industriellen Bereich bereits<br />

zum Einsatz kommt, ist das <strong>Abwasser</strong>s der öffentlichen Kanalisation - zumindest in<br />

Deutschland - eine bisher weitgehend ungenutzte Wärmequelle. Bei den in der<br />

Schweiz bereits seit einigen Jahren installierten Wärmepumpen zur Nutzung der<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme, wird die Wärme im wesentlichen gereinigtem <strong>Abwasser</strong> entzogen.<br />

Der Wärmeentzug bei ungereinigtem <strong>Abwasser</strong> existiert bisher nur in Modellprojekten.<br />

Gerade das in der öffentlichen Kanalisation noch ungereinigte <strong>Abwasser</strong> fließt<br />

jedoch als kontinuierliche Wärmequelle an vielen potenziellen Wärmenutzern vorbei.<br />

Die beträchtliche im <strong>Abwasser</strong> enthaltene Wärmemenge reicht aus, um eine<br />

signifikante Zahl aller an die Kanalisation angeschlossenen Gebäude mittels effizienter<br />

Wärmepumpentechnik zu beheizen.<br />

Vor diesem Hintergrund hat die Bremer Energie-Konsens GmbH die bea GmbH und<br />

die prosys° GmbH beauftragt, das Nutzungspotenzial der <strong>Abwasser</strong>wärme am<br />

Beispiel der Seestadt Bremerhaven abzuschätzen. Hierbei steht die Ermittelung<br />

typischer Anwendungsfälle für die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung im Vordergrund.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 4<br />

Zunächst werden Projektbeispiele aus der Schweiz und Deutschland summarisch<br />

dargestellt, um zu dokumentieren, dass die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung bereits<br />

erfolgreich zur Anwendung gekommen ist. Anschließend wird die Situation der<br />

öffentlichen Kanalisation in Bremerhaven dargestellt und die technischen<br />

Umsetzungskonzepte der <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung aufgezeigt. Ausgehend von<br />

diesen grundlegenden Betrachtungen wird anhand von drei konkreten<br />

Anwendungsfällen gezeigt, dass eine wirtschaftliche und ökologische sinnvolle<br />

Nutzung der <strong>Abwasser</strong>wärme in der Seestadt Bremerhaven möglich ist.<br />

Abschließend werden Fördermöglichkeiten für die Durchführung eines<br />

Modellprojektes sowie eine Empfehlung zum weiteren Vorgehen vorgestellt.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 5<br />

2. Projektbeispiele aus der Schweiz und aus Deutschland<br />

Als Einstieg für die folgenden Kapitel, in denen das Potenzial für Bremerhaven im<br />

Vordergrund steht, werden in diesem Kapitel Daten einiger installierter bzw.<br />

geplanter Pilotprojekte, vorwiegend aus der Schweiz [MÜL 03], aber auch aus<br />

Deutschland kurz vorgestellt. Diese Beispiele zeigen, dass eine Nutzung der Abwärme<br />

des <strong>Abwasser</strong>s der öffentlichen Kanalisation, neben der ökologisch angestrebten<br />

CO2-Einsparung auch wirtschaftlich sinnvoll sein kann und in Deutschland vermehrt<br />

zur Anwendung gebracht werden sollte. Andererseits zeigen sie ebenso, dass die<br />

Technik der Verwendung ungereinigten <strong>Abwasser</strong>s bisher noch nicht als<br />

Standartlösung vorhanden ist und für ihrer weitere Verbreitung noch Impulse<br />

gegeben werden müssen.<br />

Wipkingen – Zürich, Schweiz<br />

Pilotanlage im Auftrag des Elektrizitätswerks der Stadt Zürich (ewz). Seit 1999<br />

Versorgung von über 900 Wohnungen zweier Baugenossenschaften und einer<br />

Versicherung. Eine Hauptabwasserleitung dient als Wärmequelle. Anstoß zu diesem<br />

Projekt gab die anstehende Erneuerung der <strong>Abwasser</strong>leitung und die ebenfalls<br />

anstehende Heizungssanierung der Gebäude. Die totale Jahreswärmeproduktion<br />

der Wärmepumpe beträgt 5300 MWh, die Jahresarbeitszahl 3,1 (nur Raumheizung).<br />

Hier wurde eine „kalte“ Fernwärmeleitung von 1300 m zur Versorgung installiert, d.h.<br />

die Anhebung des Temperaturniveaus durch die Wärmepumpe erfolgt erst nahe<br />

den Gebäuden und nicht beim Kanal.<br />

Binningen (Vorort von Basel)<br />

Versorgung von 300 Wohnungen mit Raumheizung und Warmwasser in einem Vorort<br />

von Basel. Wärmepumpe mit Nutzung der Abwärme aus der Kanalisation.<br />

Gesamtleistung der installierten Wärmepumpe: 320 kW, totale<br />

Jahreswärmeproduktion der Wärmepumpe: 1800 MWh, Jahresarbeitszahl: 3,5. Diese<br />

Anlage läuft bereits seit mehreren Jahren zuverlässig.<br />

Zwingen (Baselbiet), Schweiz<br />

Wärmeversorgung (Raumheizung) von 31 Reiheneinfamilienhäuser.<br />

Die Heizleistung des Kanalwärmetauschers beträgt 52 kW. Für die zwei eingesetzten<br />

Wärmepumpen (2-mal 32 kW Heizleistung) wird eine Jahresarbeitszahl von 5<br />

angegeben. Finanzierung und Betrieb durch Contracting der Elektra Birseck<br />

Münchenstein (EBM).<br />

Investitionskosten der Wärmeerzeugung: 260.000 CHF (ca. 167.500 €), davon wurden<br />

91.000 CHF (ca. 58.600 €) von Bund und Kanton als Förderbeitrag übernommen. Die<br />

Jahreskosten pro Einfamilienhaus betragen ca. 800 Fr (ca. 520 €), inkl. Amortisation<br />

der Wärmeerzeugung. Die beheizte Gesamtgeschossfläche beträgt 4.030 m². Es<br />

besteht ein jährlicher Wärmebedarf von 330.000 kWh, der Abwärmegewinn aus


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 6<br />

<strong>Abwasser</strong> beträgt 184.000 kWh und liefert damit ca. 50% der Heizenergie. Die<br />

Heizleistung des Gaskessels beträgt 170 kW.<br />

Luzern<br />

Neubau Tivoli Luzern (Gebäude mit Stadtwohnungen, Dienstleistungsbetrieben und<br />

Wellness-Angeboten). Wärmepumpe mit Wärmenutzung aus dem<br />

Schmutzwasserkanal. Kombination mit einem erdgasbetriebenen BHKW. Die<br />

Wärmepumpe wird im Sommer zur Kühlung benutzt. Zwei Heizkessel mit Öl-<br />

/Gasfeuerung sind als Spitzenlastkessel vorgesehen. Totale Jahreswärmeproduktion<br />

der Wärmepumpe: 1300 MWh, Gesamtleistung der installierten Wärmepumpen:<br />

430 kW, Jahresarbeitszahl 4,2, Gesamtinvestition ca. 1,25 Mio. CHR (ca. 775.000 €).,<br />

Wärmepreis ca. 13,1 Rp./kWh (ca. 8,4 ct/KWh).<br />

Schaffhausen<br />

Beim Uhrenhersteller IWC wird im Rahmen einer Modernisierung der bestehenden<br />

Heizzentrale die Wärme eines <strong>Abwasser</strong>kanals benutzt. Totale<br />

Jahreswärmeproduktion der Wärmepumpe: 410 MWh, Gesamtleistung der<br />

installierten Wärmepumpen: 250 kW, Jahresarbeitszahl: 3,8. Gesamtinvestition ca.<br />

810.000 CHF (ca. 520.000 €).<br />

Worb<br />

In Worb soll eine monovalente Wärmeversorgung mittels zweier<br />

Elektrowärmepumpen entstehen. Als Wärmequelle dienen, neben der Wärme eines<br />

<strong>Abwasser</strong>kanals, Erdsonden. Der Verbandskanal muss wegen der Überbauung<br />

verlegt werden, so dass sich der Einbau der Wärmetauscher besonderes<br />

kostengünstig realisieren lässt. Die totale Jahreswärmeproduktion der<br />

Wärmepumpen: 1500 MWh, Gesamtleistung der installierten Wärmepumpen:<br />

2 x 440 kW mit einer Jahresarbeitszahl von 3,1. Die Gesamtinvestition beläuft sich auf<br />

ca. 2,6 Mio. CHF (ca. 1.7 Mio. €).<br />

Rielasingen<br />

Geplantes Modellprojekt „im Tiefen Brunnen“, in Rielasingen. Zentrale<br />

Wärmeversorgung von insgesamt 22 Wohneinheiten, 2 Blöcke mit je 5<br />

Reiheneinfamilienhäusern und zwei Mehrfamilienhäuser. Beheizte Nutzfläche<br />

insgesamt: 2.830 m². Der Energiebedarf dieser Gebäude in Anlehnung an EnEV liegt<br />

bei 165 MWh Heizbedarf und 37 MWh Warmwasser.<br />

Die Wärmepumpe hat eine thermische Leistung von 44 kW. Als Wärmequelle dient<br />

ein Verbandssammler mit einem quadratischen Innen-Querschnitts von 2.4 x 2.4 m,<br />

einem Durchfluss im Tagesmittel von mindestens 193 l/sec und einer<br />

Durchschnittstemperatur von ca. 15 °C. Die Wärmetauscher mit einer Fläche von ca.<br />

20 m² werden im <strong>Abwasser</strong>kanal einbetoniert und als Lebensdauer wird mind. 50<br />

Jahre angegeben. Aus 1 m³ <strong>Abwasser</strong> können durchschnittlich 2.3 kWh Energie<br />

gewonnen werden. Für die Wärmepumpe wird mit einer Jahresarbeitszahl von über 4


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 7<br />

gerechnet. Es sollen 70 bis 80% des Jahresheizwärme- und -brauchwasserbedarfs<br />

durch die Wärmepumpe gedeckt werden.<br />

Die Wohnhäuser sollen parallel zum Verbandssammler errichtet werden und über<br />

eine Nahwärmeleitung mit einer gemeinsamen Energiezentrale verbunden werden.<br />

Der Gesamtwärmebedarf liegt nach DIN 4710 bei 94 kW. Ab 44 kW wird ein<br />

Brennwertkessel hinzugeschaltet. Der bivalente Betrieb bietet in diesem Fall<br />

gegenüber dem monovalenten einen wirtschaftlichen Vorteil, läge aber ohne<br />

finanzielle Förderung über den Kosten einer konventionellen Erdgaslösung.<br />

Das Projekt befindet sich zur Zeit in der Detailplanungsphase kurz vor Ausschreibung<br />

der Leistungen. Das geplante Messkonzept wird über die 2-jährige Betriebsphase<br />

schwerpunktmäßig das Langzeitverhalten des Wärmeübergangs im Wärmetauscher,<br />

den Einfluss von Verschmutzungen sowie geeignete Reinigungsprozeduren ermitteln.<br />

([Got 03)]<br />

Donaueschingen<br />

In Donaueschingen wird zur Zeit eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Aus dem<br />

<strong>Abwasser</strong>strom der Kurbäderstadt Bad Dürrheim soll im Bereich Industriegebiet kurz<br />

der Mündung in de Kläranlage Donaueschingen Abwärme entnommen werden. Es<br />

handelt sich um einen eher geringen Durchfluss von 38 bis max. 92 l/sec, allerdings<br />

bei Temperaturen von 12-17 °C. Über ein 1 km langes Nahwärmenetz sollen ein<br />

Gewerbezentrum, 2 Schulen, eine Turnhalle, ein Ausbildungszentrum und der Neubau<br />

der Handwerkskammer mit Wärme versorgt werden. Eingesetzt werden soll eine<br />

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von ca. 485 kW, die eine<br />

Vorlauftemperatur von 67 °C bei einem COP von 3,44 erreichen soll ([GOT 03)].<br />

Leverkusen<br />

Seit Anfang September 2003 wird in Leverkusen eine <strong>Abwasser</strong>wärmenutzungsanlage<br />

im Probelauf betrieben. Die <strong>Abwasser</strong>temperatur beträgt hier im Jahresmittel<br />

etwa 15 °C und wird mittels Wärmepumpen auf ein Temperaturniveau von 65 °C<br />

gebracht. Die Spitzenlast wird hier vom Fernwärmenetz getragen.<br />

Berlin<br />

In Berlin wurden erste Standortanalysen für eine Abwärmenutzung aus <strong>Abwasser</strong><br />

durchgeführt. Hier wurden Auslegungen für zwei Schulen sowie ein Neubaugebiet<br />

betrachtet. Die Schulen liegen jeweils 120 und 140 m vom Kanal entfernt. Das<br />

Neubaugebiet 420 m. Die Leistungen der Wärmepumpen sollen für die Schulen je<br />

140 kW, für das Neubaugebiet 420 kW betragen. Der Anteil der Wärmepumpen an<br />

der Jahresarbeit beträgt jeweils 44, 38 und 30%, die Investitionskosten werden<br />

entsprechend mit 370.000 €, 500.000 € und 770.000 € angegeben. Als Kosten für die<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme ergeben sich hier: 5,3 ct/kWh, 6,3 ct/kWh und 4,3 ct/kWh [STO 03].


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 8<br />

3. Technische Machbarkeit<br />

3.1. Situation in Bremerhaven<br />

3.1.1. Der Wärmemarkt in Bremerhaven<br />

Bremerhaven wurde für die <strong>Potenzialstudie</strong> ausgewählt, da die Stadt mit ca. 120.000<br />

Einwohnern eine ausreichende Menge an <strong>Abwasser</strong> zur Verfügung hat, die<br />

Zuständigkeiten für die Behandlung von <strong>Abwasser</strong> relativ überschaubar sind und<br />

gerade ein neuer Generalentwässerungsplan erstellt wurde. Es werden also zukünftig<br />

in größerem Umfang als bisher detaillierte Daten zu z. B. Volumenströmen zur<br />

Verfügung stehen.<br />

Abbildung 1 zeigt die Daten des Wärmeverbrauchs nach Energieträgern in<br />

Bremerhaven im Jahre 1999 laut Statistischem Landesamt Bremen.<br />

Wärmeverbrauch in Bremerhaven (1999)<br />

Fernwärme<br />

20%<br />

874 TJ<br />

Sonstige<br />

1%<br />

1538 TJ<br />

Mineralöle<br />

35%<br />

1913 TJ<br />

Erdgas<br />

45%<br />

Sonstige:<br />

Steinkohle: 1 TJ<br />

Braunkohle: 14 TJ<br />

Biomasse: 1 TJ<br />

Abbildung 1: Wärmeverbrauch der Stadt Bremerhaven ([STA 01])<br />

Deutlich zu erkennen ist, dass der Wärmemarkt von Erdgas dominiert wird. Etwas über<br />

1/3 des Wärme wird über Heizöl bereitgestellt. Im Verhältnis zu vergleichbaren<br />

Städten in den alten Bundesländern ist der Anteil der Fernwärme mit 20% relativ<br />

hoch.<br />

3.1.2. Die Kanalisation in Bremerhaven<br />

Durch die historische Entwicklung Bremerhavens ist das Kanalisationsnetz in drei<br />

Areale mit jeweils eigenem Betreiber aufgeteilt (s. Abbildung 2)<br />

1. Für den Bereich Fischereihafen im Süden ist die Fischereihafen-<br />

Betriebsgesellschaft FBG zuständig. Ihr ist die gesamte Ver- und Entsorgung der


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 9<br />

Gewerbeflächen des Fischereihafens unterstellt. Sowohl die<br />

Energieversorgung als auch das Kanalnetz des Hafengebietes sind in jüngster<br />

Vergangenheit erneuert bzw. renoviert worden, so dass dieses Areal in dieser<br />

Studie nicht betrachtet wird.<br />

2. In den Überseehäfen Bremerhavens im Nord-Osten der Stadt ist aus<br />

historischen Gründen die Stadt Bremen 1 und somit die Hansewasser GmbH<br />

Betreiber der Kanalisation.<br />

3. Das Kanalnetz des restlichen Stadtgebietes von Bremerhaven wird von der<br />

BEG logistics GmbH geplant und betrieben, während die Entsorgungsbetriebe<br />

Bremerhaven EEB für die Gebühren u.ä. zuständig sind. Der Kanalisationsteil<br />

der BEG logistics/EBB ist aufgeteilt in ein Mischwassersystem mit etwa 92 km<br />

Länge und in ein Trennsystem mit etwa 457 km Länge.<br />

Die Kanallänge insgesamt in der Stadt Bremerhaven beträgt somit 549 km. Es<br />

existieren über 60 Pumpwerke. Schmutz- und Regenwasser führende Kanalrinnen<br />

liegen in den Straßen und leiten das <strong>Abwasser</strong> zu Pumpstationen, bzw. Pumpwerken,<br />

von wo aus die <strong>Abwasser</strong>ströme in Druckleitungen der örtlichen Kläranlage zugeführt<br />

werden.<br />

Es gibt zwei Arten von Kanalisationssystemen. Man unterscheidet zwischen dem<br />

Trennsystem und dem Mischwassersystem.<br />

Beim Trennsystem werden die mit Fäkalien und Feststoffen belasteten<br />

<strong>Abwasser</strong>teilströme aus Industriebetrieben und Haushalten über spezielle Kanäle<br />

gesammelt abgeführt. Das anfallende Niederschlagswasser lässt man entweder<br />

versickern oder führt es in separaten Kanälen ab. Das Schmutzwasser wird zur<br />

Kläranlage geleitet, das Niederschlagswasser kann dem nächsten Vorfluter zugeführt<br />

werden. Beim Mischwassersystem fließen beide Ströme in einem Kanal. Das<br />

Mischwassersystem hat im allgemeinen größere Kanaldurchmesser. Beide Varianten<br />

sind in Bremerhaven vorhanden. Im inneren Bereich der älteren Stadtteile Geestemünde<br />

und Lehe ist die Kanalisation als Mischwassersystem ausgeführt. In den<br />

Außenbezirken überwiegt das Trennsystem. Die mittlere Verweildauer des <strong>Abwasser</strong>s<br />

in den Kanälen beträgt 5 h. Die Kanaldurchmesser liegt im Wesentlichen bei 250 bis<br />

450 mm, stellenweise sind Durchmesser von 2000 mm vorhanden. Die meisten Kanäle<br />

sind rund ausgeführt.<br />

Zwei Kläranlagen sorgen in Bremerhaven für die Wasseraufbereitung. 132.500 EW sind<br />

an die Zentrale Kläranlage ZKA angeschlossen, wo pro Jahr knapp 13 Mio. m³<br />

<strong>Abwasser</strong> gereinigt werden. Ausgelegt wurde diese Anlage, die 1983 in Betrieb ging,<br />

für 600.000 EW. Deutlich kleiner ist die Kläranlage Bremerhaven Nord. Hier werden<br />

jährlich 0,2 Mio. m³ <strong>Abwasser</strong> von 1.800 angeschlossenen EW aufbereitet [STA 98].<br />

Auch diese Anlage ist für eine wesentlich größere Menge <strong>Abwasser</strong> ausgelegt,<br />

nämlich für 12.000 EW.<br />

1 Für weitere Informationen vgl. Bibliographie der Stadtgeschichte des Stadtarchivs<br />

Bremerhaven unter http://www.bremerhaven.de/stadt/index.html


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 10<br />

Der Erfahrungswert der BEG logistics für das mittlere <strong>Abwasser</strong>aufkommen in<br />

Bremerhaven liegt bei rund 130 Liter <strong>Abwasser</strong> pro Einwohner und Tag, bei einer<br />

Bevölkerungsdichte von ca. 40 Einwohnern pro Hektar.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 11<br />

Kläranlage Nord<br />

Schraffierte Flächen:<br />

Hafengebiete<br />

Zentralkläranlage<br />

Abbildung 2: Übersicht der Kanalnetzareale in Bremerhaven [M<strong>AG</strong> 03]


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 12<br />

Die Wasserwerke in Bremerhaven sind auf eine Spitzenleistung von 2000 m³/h<br />

ausgelegt. Der Wasserabsatz der swb Bremerhaven betrug im Jahr 2002 8,1 Mio. m³<br />

([SWB 03]). Dies entspricht in etwa der oben angegebenen <strong>Abwasser</strong>menge, da<br />

auch die Stadt Langen und die Ortschaften Bexhövede und Imsum mit Wasser<br />

versorgt werden.<br />

Mit der BEG Logistics und der EBB wurden mehrere mögliche Standorte für die<br />

Abwärmenutzung aus <strong>Abwasser</strong>kanälen diskutiert. Von der BEG logistics wurden<br />

Temperatur- und weitere Messdaten an einzelnen interessanten Stellen zur Verfügung<br />

gestellt. Das Temperaturniveau bewegte sich zwischen Oktober 2000 und Juni 2003 in<br />

einem Bereich zwischen knapp 6 °C und 21 °C, bei einer mittleren Temperatur von<br />

ca. 14 °C (vgl. Abbildung 3). Dieses Temperaturniveau reicht, bei einer entsprechenden<br />

Durchflussmenge des <strong>Abwasser</strong>s gut aus, um mit Hilfe eines<br />

Wärmetauschers und einer Wärmepumpe Gebäude mit Heizungswärme zu<br />

versorgen. Um die nachfolgenden, biologischen Klärprozesse bei der<br />

Wasseraufbereitung nicht zu behindern, sollte die Mindesttemperatur des <strong>Abwasser</strong>s<br />

beim Eintritt in die Kläranlage 8 °C nicht dauerhaft unterschritten werden bzw. es<br />

muss sichergestellt sein, dass sich die Unterschreitung bis zum Eintritt des<br />

<strong>Abwasser</strong>stromes in die Kläranlage wieder ausgeglichen hat. Aus den bisherigen<br />

Erfahrungen in der Schweiz kann geschlossen werden, dass die Absenkung der<br />

Temperatur an der Kläranlage kaum nachzuweisen ist. Jedoch wird in jedem Fall<br />

empfohlen eine Abstimmung mit den Betreibern der Kläranlagen vorzunehmen.<br />

Bei sehr niedrigen Außentemperaturen nimmt in den Wintermonaten auch die<br />

mittlere <strong>Abwasser</strong>temperatur ab. Sie kann kurzzeitig, d.h. einige Tage, sogar unter die<br />

Mindesttemperatur absinken. Hier ist dann u.U. kein Betrieb der Wärmepumpe<br />

möglich bzw. zulässig, dem <strong>Abwasser</strong> kann keine Wärme entzogen werden.<br />

Beispielsweise ist bei einer Auslegungstemperatur für die Wärmequelle von 10 °C in<br />

einem Trennsystem nur mit einem Ausfall von wenigen Tagen zu rechnen. In einem<br />

Mischwassersystem beeinflussen starke Niederschläge (Schnee) deutlich die<br />

<strong>Abwasser</strong>temperatur im Kanal, somit muss in besonders kalten Jahren mit viel Schnee<br />

jedoch durchaus ein längerer Nutzungsausfall einkalkuliert werden. Ziel muss es<br />

deshalb sein, durch entsprechende Anlagenkonfiguration den Nutzungszeitraum der<br />

Wärmepumpe so wenig wie möglich einzuschränken. Dies kann zum einen dadurch<br />

geschehen, dass die Auslegungstemperatur der Wärmepumpe so niedrig, wie<br />

möglich gewählt wird und dadurch, dass die Entzugsleistung derart auf den zur<br />

Verfügung stehenden <strong>Abwasser</strong>volumenstrom abgestimmt wird, dass die effektive<br />

Abkühlung im Kanal möglichst klein ausfällt.<br />

Aus der Diskussion mit der BEG logistics ergab sich auch, dass Bremerhaven über<br />

keine sogenannten „Hot-spots“ verfügt, d.h. Stellen an denen <strong>Abwasser</strong> mit sehr<br />

hoher Temperatur in die Kanalisation eingeleitet wird.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 13<br />

Abbildung 3: <strong>Abwasser</strong>temperaturverlauf am Hauptpumpwerk Bremerhaven (Mischwasser) [EBB 03]


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 14<br />

Für die Nutzung der Abwärme sind Kanaldurchmesser ab 600 mm zu betrachten, da<br />

diese zum einen den Einbau des Wärmetauschers ermöglichen, zum anderen in der<br />

Regel über ein ausreichende Wärmeangebot des <strong>Abwasser</strong>s verfügen. Der<br />

Wärmetauscher kann in jede Kanalform eingebracht werden. Kanaldurchmesser der<br />

oben angegebenen Größenordnung sind in Bremerhaven als Hauptsammler<br />

vorhanden. Die Hauptsammler mit Querschnitten DN ≥ 600 sind in Abbildung 4<br />

eingezeichnet.<br />

In dieser Studie wurde zudem eine weitere Möglichkeit zum Wärmeentzug aus dem<br />

<strong>Abwasser</strong> betrachtet. Eine Installation von Wärmetauschern in Pumpwerke bietet<br />

sich an, da das <strong>Abwasser</strong> hier in der Regel einfacher zugänglich ist. Eine Auswahl von<br />

Pumpwerken ist in Abbildung 4 ebenfalls eingezeichnet.<br />

3.1.3. Mögliche Wärmenutzer<br />

Zur Wärmeversorgung aus <strong>Abwasser</strong> kommen vor allem Gebäude in Betracht, die<br />

nahe am <strong>Abwasser</strong>kanal liegen, da hier die wenigsten Übertragungsverluste<br />

auftreten und die Kosten für die Wärmezu- und abführung am geringsten sind.<br />

Insbesondere in bebauten Gebieten sollten die Gebäude aus wirtschaftlichen<br />

Gründen nicht weiter als einige 100 m vom Kanal entfernt liegen. Das in Frage<br />

kommende Gebiet ist in Abbildung 4 durch die gestrichelte Linie grob umrissen.<br />

Zur Darstellung der technischen Machbarkeit wurden exemplarisch eine Schule, ein<br />

Schwimmbad und ein Museum in Bremerhaven betrachtet.<br />

Das Museum liegt direkt neben einem Pumpwerk und die Schule nur wenige 100 m<br />

davon entfernt. Nach der Besichtigung des Pumpwerkes erscheint hier evtl. ein<br />

Einbau der Kanalwärmetauscher ohne größere Umbauten möglich. In Kapitel 4.1<br />

wird eine Versorgungsvariante des Museums durch Abwärme aus dem Pumpwerk<br />

vorgestellt.<br />

Für den Einsatz einer Wärmepumpe allgemein ist die Vorlauftemperatur der<br />

Heizanlage zu beachten. Hohe Vorlauftemperaturen von 80 °C und mehr, wie sie in<br />

Altbauten teilweise üblich sind, lassen sich nur schwer verwirklichen. Neubauten mit<br />

niedrigen Vorlauftemperaturen sind besser geeignet. Z. B. steht in Bremerhaven zur<br />

Zeit das Gebäude T.i.m.e.Port II kurz vor dem Bau. Die Fußbodenheizung dieses<br />

Gebäudes wird über eine Wärmepumpe versorgt werden, die als Wärmequelle<br />

Erdpfähle nutzt. Es ist keinerlei Gasanschluss vorgesehen. Die zu beheizende Fläche<br />

beträgt 2720 m², der Wärmebedarf wird mit 110 kW angegeben. Für die<br />

Geothermische Energiezentrale wird eine elektrisch Anschlussleistung von 45 kW<br />

vorgesehen [MCN 03].<br />

Derlei Gebäude, von denen es in Zukunft immer mehr geben wird, können sehr gut<br />

auch die Abwärme des <strong>Abwasser</strong>s nutzen. In Kapitel 2 wird z.B. ein Projekt<br />

beschrieben, dass zwei Wärmepumpen mit einer Kombination aus Abwärme aus<br />

<strong>Abwasser</strong> und Erdsonden nutzen wird.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 15<br />

Kläranlage Nord<br />

Pumpwerke<br />

Umriss des Gebietes<br />

möglicher Nutzung<br />

Überseehafen<br />

Hauptsammler - DN >= 600<br />

Alter/Neuer Hafen<br />

Fischereihafen<br />

Zentralkläranlage<br />

Abbildung 4: Übersichtskarte Bremerhaven mit Kanalnetz(DN ≥ 600) und Pumpwerken [M<strong>AG</strong> 03] (Maßstab 1 : 25 000)


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 16<br />

Das T.i.m.e.Port II liegt im Entwicklungsgebiet „Alter/Neuer Hafen“ (s. Abbildung 4). In<br />

diesem Entwicklungsgebiet entstehen in den nächsten Jahren mehrere Neubauten,<br />

die evtl. für eine Versorgung mit Abwärme aus <strong>Abwasser</strong> in Frage kämen, z. B. das<br />

Klimahaus Bremerhaven 8° Ost und ein Einkaufszentrum. Für das Klimahaus<br />

Bremerhaven 8° Ost wird mit einer zu beheizenden bzw. zu kühlenden Fläche von<br />

etwa 17.200 m² ausgegangen. Genaue Daten sind noch nicht vorhanden, zunächst<br />

wird von einem Wärmebedarf von ca. 280 kW bzw. 301 MWh/a (bei ca. 1.075<br />

Volllaststunden) und einem Kältebedarf von 915 kW bzw. 2.212 MWh/a (bei<br />

2.400 Volllaststunden) ausgegangen ([BEA 03]). Verschiedene Energieversorgungsvarianten<br />

werden derzeit diskutiert.<br />

Angrenzend an das Gebiet Alter/Neuer Hafen wird zur Zeit das neue Bremerhavener<br />

Hauptpumpwerk gebaut. In diesem Pumpwerk könnte die Abwärme des <strong>Abwasser</strong>s<br />

mit Hilfe eines Wärmetauschers im Pumpensumpf entnommen werden.<br />

Zusätzlich zu Neubauten stehen im Baubestand in Bremerhaven zunehmend<br />

Sanierungen an. Hierbei besteht die Chance die Heizanlage und damit die<br />

Vorlauftemperatur an die Nutzung einer Wärmepumpe anzupassen. Interesse an<br />

einer konkreten Umsetzung der <strong>Abwasser</strong>wärmepumpentechnik hat z. B. die<br />

Energieleitstelle der Seestadt-Immobilien in Bremerhaven.<br />

Neben der Versorgung mit Wärme kann über Wärmepumpen die sozusagen „invers“<br />

betrieben werden, auch Kälte zur Klimatisierung zur Verfügung gestellt werden. Dies<br />

ist gerade für neuere Gebäude mit relativ dichter Gebäudehülle interessant.<br />

3.1.4. Theoretisches Potenzial der Abwärmenutzung<br />

Es ist davon auszugehen, dass aufgrund der vorhandenen Kanalquerschnitte bzw.<br />

der Ausführung der Pumpwerke, theoretisch etwa ein Drittel der Bremerhavener<br />

Haushalte mit der Abwärme aus Kanalisationsabwasser versorgt werden könnte.<br />

3.1.5. Technisch nutzbares Potenzial der Abwärmenutzung<br />

Grundlage zur Ermittlung der verfügbaren Wärmemenge aus dem Kanalisationsabwasser<br />

ist das den beiden Bremerhavener Kläranlagen zugeführte<br />

Jahresabwasservolumen von etwa 15 Mio. m³. Dies entspricht einem mittleren<br />

<strong>Abwasser</strong>volumenstrom V & von 475 Litern pro Sekunde. Hieraus ergibt sich bei einer<br />

Abkühlung um 1 Kelvin eine Wärmeleistung von 1.985 kW.<br />

Q&<br />

theoretisch<br />

= V&<br />

⋅ ρ<br />

H 2O<br />

m³<br />

kg kJ<br />

= 0,475 ⋅ 998 ⋅ 4,187<br />

s m³<br />

kg ⋅ K<br />

= 1.985kW<br />

⋅ c<br />

pH 2O<br />

⋅ ∆T<br />

⋅1K<br />

mit:<br />

V & :<br />

ρ<br />

H 2O<br />

pH<br />

O<br />

<strong>Abwasser</strong>volumenstrom<br />

: spezifische Dichte von Wasser<br />

c<br />

2<br />

: Wärmekapazität von<br />

Wasser<br />

∆ T : Temperaturdifferenz


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 15<br />

Im Zusammenhang mit Grundwasserwärmepumpen, die bei einem vergleichbaren<br />

Wärmequellentemperaturniveau arbeiten werden 15 Liter Grundwasser pro Stunde<br />

je m² zu beheizender (Wohn-) Fläche als Anhaltswert für den erforderlichen<br />

Volumenstrom an der Wärmequelle gefordert. Übertragen auf den<br />

<strong>Abwasser</strong>volumenstrom in Bremerhaven bedeutet dies eine beheizbare<br />

Gebäudefläche von ca. 130.000 m².<br />

Ausgehend von einer Auslegungstemperatur von 12 °C kann bei einer effektiven<br />

Temperaturabsenkung im Kanal von 4 Kelvin, einem Anlagen-Gesamtwirkungsgrad<br />

von 0,5 und einer Leistungszahl von 5,0 eine verfügbare Gesamtnutzleistung von<br />

4.600 kW erwartet werden. Dies entspricht einer Jahreswärmemenge von<br />

ca. 40 GWh, d.h. 3 % des Wärmeverbrauches von Bremerhaven. Im Hinblick auf eine<br />

Ausschöpfung muss das technische Potenzial z.B. aufgrund der vertretbaren<br />

Rentabilität, Neubausanierungsrate etc. weiter eingeschränkt werden. Wir schätzen<br />

das ausschöpfbare Potenzial auf ca. 50 % des technischen Potenzials.<br />

3.2. Anwendungsmöglichkeiten in Bremerhaven – Pumpwerke, Kanäle<br />

In den <strong>Abwasser</strong>sammlern der Kanalisation fallen aufgrund der großen<br />

<strong>Abwasser</strong>mengen auch entsprechende Wärmemengen an. Demzufolge ist es<br />

konsequent, bei größeren Wärmebedarfen die Wärme aus dem Kanalsystem zu<br />

entnehmen. Dabei darf die Betriebssicherheit der Kanalisation hinsichtlich der<br />

Entwässerungsfunktion nicht beeinträchtigt werden. Einbauten in das System dürfen<br />

das Strömungsverhalten des <strong>Abwasser</strong>s nicht negativ beeinflussen. Kanaleinbauten<br />

müssen auch so gestaltet sein, dass eine mechanische Reinigung, beispielsweise mit<br />

einem Hochdruckreiniger, möglich ist.<br />

Der <strong>Abwasser</strong>strom führt neben Fäkalien auch Haare, Sand, Papier, Laub und<br />

andere Feststoffe mit sich. Darüber hinaus wird aus den Haushalten mit Seife und<br />

Waschmitteln beaufschlagtes Wasser eingeleitet. Beides hat Belagbildung bzw.<br />

Fouling zur Folge (vgl. Abbildung 5).


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 16<br />

Abbildung 5: Belagbildung (Fouling) im Bereich eines Absperrschiebers im Pumpensumpf eines<br />

Pumpwerkes<br />

In Kanalabschnitten, in denen die Strömungsgeschwindigkeit zu klein wird oder<br />

gegen Null geht, führen diese „Totströmungen“ zur verstärkten Bildung von<br />

Ablagerungen und beeinträchtigen in hohem Maße den störungsfreien Ablauf des<br />

<strong>Abwasser</strong>s. Derartige Belagbildungen können zudem die<br />

Wärmeübertragungsleistung eines installierten Wärmetauschers in beträchtlichem<br />

Maße herabsetzen.<br />

3.2.1. Wärmeentzug über die Kanalsohle<br />

Um dem <strong>Abwasser</strong> im Kanal die Wärme zu entziehen, ohne Einbauten vorzunehmen,<br />

welche die Strömung negativ beeinflussen, bietet sich die Möglichkeit die<br />

überströmte Fläche der Kanalsohle für die Wärmeübertragung zu verwenden. Der<br />

direkte Wärmeentzug über die Kanalsole wird seit etwa 20 Jahren in der Schweiz, von<br />

der Firma Rabtherm <strong>AG</strong> praktiziert. Das Unternehmen hat einen auf die Kanalsohle<br />

geklebten Edelstahlwärmetauscher entwickelt, der von Wasser oder einer Sole,<br />

einem Wasser-/Glykolgemisch durchströmt wird, welche die Wärme aus dem<br />

<strong>Abwasser</strong> aufnimmt und zu einer oberirdischen Wärmepumpenstation transportiert<br />

(vgl. Abbildung 6. und Abbildung 7). Der Wärmetauscher ist als offener halbrunder<br />

Kanal ausgeführt und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Platten mit 4 mm<br />

Abstand. Ein Wärmetauscherelement hat eine Länge von drei Metern.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 17<br />

Abbildung 6: Element eines Rabtherm®- Wärmetauschers [RAB 02]


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 18<br />

Abbildung 7: Schematische Darstellung verschiedener Versionen des Rabtherm®<br />

Wärmetauschers [BRE 03]<br />

Bis zu 100 dieser Elemente können hintereinander geschaltet werden. Pro laufendem<br />

Meter Wärmeüberträger kann eine Wärmeleistung von bis zu 4,25 kW entzogen<br />

werden, Firma Rabtherm <strong>AG</strong> gibt einen sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten k<br />

von 1.580 W/m² K an.<br />

Zum einen aus Platzgründen und aufgrund der zu erwartenden <strong>Abwasser</strong>menge ist<br />

eine Installation von Sohlewärmetauschern nach Angaben der Firma Rabtherm <strong>AG</strong><br />

ab einem Kanalquerschnitt von 600 mm möglich und sinnvoll [RAB 02].<br />

Beispielsweise wurde in Binningen, einem Vorort von Basel, im Jahre 2001 eine<br />

Wärmepumpenanlage zur Nutzung von Abwärme aus der Kanalisation, als Pilot- und<br />

Demonstrationsobjekt realisiert (s. auch Kapitel 2). Initiator ist das örtliche<br />

Wärmeversorgungsunternehmen, die Wärmeversorgung Binningen <strong>AG</strong>, kurz WBA.<br />

Über eine Gesamtlänge von etwa 140 Metern sind Rabtherm®-Wärmetauscher in die<br />

Kanalsohle eingelegt und entziehen dem <strong>Abwasser</strong>strom eine mittlere<br />

Wärmeleistung von 230 kW zur Speisung einer 320 kW- Wärmepumpe [WBA 01]. Mit<br />

dieser Anlage wird der Bedarf an Raumheizung und Warmwasser von ca. 300<br />

Wohneinheiten gedeckt.<br />

3.2.2. Installation von Wärmeaustauschern in Entnahmebauwerken oder<br />

Pumpwerken<br />

Eine Alternative zum Sohlewärmetauscher im <strong>Abwasser</strong>kanal ist die Möglichkeit einen<br />

Teil des <strong>Abwasser</strong>s aus dem Kanal abzuziehen und über einen Wärmetauscher zu<br />

leiten, der oberirdisch in einem Gebäude montiert ist (vgl. Abbildung 8).<br />

Günstige Entnahmepunkte sind die Pumpwerke (vgl. Abbildung 9). Hier läuft das<br />

<strong>Abwasser</strong> aus einem oder mehreren Kanälen in einen Schacht und wird mittels einer<br />

Pumpe über eine Druckrohrleitung zur Kläranlage befördert. Im Pumpensumpf steht<br />

das <strong>Abwasser</strong> immer zwischen zwei bestimmten Niveaus.<br />

Zur Beaufschlagung des Wärmetauschers wird ein separater Saugstutzen im<br />

Pumpensumpf installiert, ein Teilstrom des <strong>Abwasser</strong>s angesaugt, über den<br />

Wärmetauscher geleitet und wieder in den Pumpensumpf zurückgegeben.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 19<br />

Externer Wärmetauscher<br />

Wärmepumpe<br />

Pumpensumpf oder<br />

spezielles<br />

Entnahmebauwerk<br />

Abbildung 8: Anlagenschema mit externem Wärmetauscher


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 20<br />

Abbildung 9: Schnittdarstellung eines Pumpwerkes [HOS 93]<br />

Eine Variante zum in Abbildung 8 gezeigten externen Wärmetauscher ist ein in den<br />

Pumpensumpf eingebrachter, vom <strong>Abwasser</strong> stets überfluteter Wärmetauscher.<br />

Ausgeführt ist dieser als einfache Rohrwendel, die in ihrer Gestalt an die Geometrie<br />

des jeweiligen Pumpensumpf angepasst werden kann (vgl. Abbildung 10) .


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 21<br />

Wärmepumpe<br />

Pumpensumpf oder<br />

spezielles<br />

Entnahmebauwerk<br />

Abbildung 10: Schema mit überflutetem Wärmetauscher im Pumpensumpf<br />

Der Pumpensumpf ist, neben der Kanalsohle, gut geeignet, um eine Rohrwendel als<br />

Wärmetauscher zu installieren, da das <strong>Abwasser</strong> hier mit Rührwerken stark umgewälzt<br />

wird, um die Belagbildung und das Absetzen von Feststoffen zu verhindern. Zudem<br />

erhöht die Bewegung des <strong>Abwasser</strong>s die Übertragungsleistung des Wärmetauschers.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 22<br />

3.3. Wärmeentzug aus dem <strong>Abwasser</strong> im Bereich kommunaler Kläranlagen<br />

Die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung in unmittelbarer Nähe von Kläranlagen wird praktisch<br />

nicht angewendet. Viel mehr wird dem aufbereitetem <strong>Abwasser</strong> nach dem<br />

Klärprozess Wärme für den Bedarf der Kläranlage entzogen, entweder zur Beheizung<br />

der Betriebsgebäude oder als Prozesswärme zur Erwärmung der biologischen<br />

Klärstufen. Trotzdem ist es natürlich möglich z.B. auch Gebäude benachbarter<br />

Industriebetriebe mit Wärme aus dem geklärten <strong>Abwasser</strong> zu versorgen, sofern in der<br />

Kläranlage ein entsprechender Überschuss besteht.<br />

Selten wird die Wärme direkt vor der Kläranlage entzogen, weil dies die Arbeitsfähigkeit<br />

der Bakterien in den biologischen Klärstufen beeinträchtigen würde.<br />

Klärwerke befinden sich aufgrund möglicher Geruchsbelästigung und wegen des<br />

Platzbedarfes in aller Regel in einiger Entfernung zu Wohnsiedlungen und Stadtzentren.<br />

Dies schränkt die Möglichkeiten stark ein, im Bereich von Kläranlagen zurück<br />

gewonnene Wärme für die Beheizung von Wohnungen und zur Trinkwarmwasserbereitung<br />

zu verwenden.<br />

3.4. Auswahl und Bemessung des Wärmetauschers<br />

Um in der Nähe der möglichen Abnehmer, dem <strong>Abwasser</strong>strom die Wärme zu<br />

entziehen, bietet sich neben der Kanalsohle der Entzug aus einem speziellen<br />

Entnahmebauwerk oder aus dem Pumpensumpf eines Pumpwerkes an. Da hier eine<br />

entsprechend große <strong>Abwasser</strong>menge zur Verfügung steht.<br />

Die theoretisch nutzbare Wärmeleistung im <strong>Abwasser</strong>strom lässt sich nur zu einem Teil<br />

dem <strong>Abwasser</strong> entziehen. Grundlage hierfür sind neben Art und Auslegung des<br />

verwendeten Wärmetauschers andere Einflussfaktoren, wie bspw. die<br />

dimensionslosen Kennzahlen Nußelt- und Reynoldszahl, die Belagbildung, und<br />

weitere.<br />

Wird ein stationärer Wärmedurchgang zu Grunde gelegt, gilt für die Übertragungsleistung<br />

eines Wärmetauschers:<br />

Q & = k ⋅ ⋅ ∆ϑ<br />

(4)<br />

A WT<br />

m<br />

mit dem Wärmedurchgangskoeffizient k als Maß für den Widerstand, der dem<br />

Wärmestrom entgegengesetzt wird, der Wärmetauscherfläche A<br />

WT<br />

und der mittleren<br />

Temperaturdifferenz ∆ ϑm<br />

.<br />

Der Wärmedurchgangskoeffizient k ist eine Konstante, die vom Wärmetauschertyp,<br />

seiner Ausführung, sowie den vorherrschenden Strömungszuständen der die Wärme<br />

austauschenden Medien abhängig ist. Für eindeutig bekannte Strömungsverhältnisse<br />

lässt sich k berechnen. Bei realen Geräten und ebenso komplexen<br />

Strömungsverhältnissen der Fluide werden zunächst empirische Werte aus der<br />

Literatur bzw. Erfahrungswerte des Wärmetauscherherstellers verwendet. Genauere<br />

Werte sind durch Simulation bzw. durch Messung zu ermitteln.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 23<br />

Die beeinflussbaren Größen bei der Auslegung eines Wärmetauschers sind somit die<br />

Austauscherfläche A und die mittlere Temperaturdifferenz ∆ ϑm<br />

[WEI 87].<br />

Die optimale Lösung, mit Blick auf den zu erzielenden Wirkungsgrad bzw. die<br />

Leistungszahl der Wärmepumpe, ist es den Verdampfer der Wärmepumpe direkt in<br />

den wärmeführenden <strong>Abwasser</strong>strom zu bringen. Bei Grundwasser gespeisten<br />

Wärmepumpen wird dies bei entsprechender Wasserqualität auch praktiziert. Die<br />

starke Verschmutzung des <strong>Abwasser</strong>s im Kanal würde den Verdampfer jedoch<br />

schnell zusetzen. Ausfälle der Wärmepumpe sind in diesem Fall vorprogrammiert.<br />

3.5. Auswahl der Wärmepumpe<br />

Wärmepumpen ermöglichen es, mit einem kleinen Anteil an hochwertiger Energie<br />

Wärme, die sonst für die Gebäudebeheizung nicht nutzbar ist, auf ein höheres, für<br />

Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau anzuheben. Es wird also aus Anergie (hier<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme) mittels Exergie (hier Strom) Nutzwärme erzeugt (vgl. Abbildung 11).<br />

Abbildung 11: Anergie – Exergie [PIS 00]<br />

Ein wichtiges Kriterium für den sinnvollen Einsatz einer Wärmepumpe ist neben der<br />

Beschaffenheit und der Verfügbarkeit der Wärmequelle die erforderliche<br />

Temperaturspreizung, also die Differenz zwischen <strong>Abwasser</strong>temperatur und der<br />

Temperatur auf der Abnehmerseite.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 24<br />

Abbildung 12: Wärmepumpenkreisprozess im log p, h – Diagramm [BAE 96]<br />

In der Abbildung 12 entspricht die Strecke h1 – h2 auf der x-Achse der vom Verdichter<br />

zugeführten Leistung Pel und die Strecke h3 – h2 der abgegebenen Heizleistung QH der<br />

Wärmepumpe. Die Temperaturerhöhung entspricht als Folge der Druckerhöhung<br />

dem Abstand der Linien 4-1 zu 2-3. Eine geringere erforderliche<br />

Temperaturanhebung resultiert also in einer geringeren Verdichterleistung, im<br />

Verhältnis zur Heizleistung der Wärmepumpe was durch die Formel für die<br />

Leistungszahl<br />

Q &<br />

H<br />

ε = (5)<br />

Pel<br />

als Maß für die Güte einer Wärmepumpe ausgedrückt wird.<br />

Je höher die Temperatur der Wärmequelle und je geringer die erforderliche<br />

Heizwassertemperatur ist, desto höher ist die Leistungszahl und desto wirtschaftlicher<br />

kann die Wärmepumpe betrieben werden.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 25<br />

Aufgrund der starken Verschmutzung des <strong>Abwasser</strong>s, insbesondere mit Feststoffen, ist<br />

es nicht möglich den Verdampfer der Wärmepumpe direkt mit dem <strong>Abwasser</strong>strom<br />

zu beaufschlagen. Es ist erforderlich einen Zwischenkreis zu installieren, in dem<br />

sauberes Wasser oder Sole zirkuliert und die Wärme vom <strong>Abwasser</strong> zur Wärmepumpe<br />

transportiert. Dies hat zur Folge, dass zwei Verlust behaftete Wärmeübertragungsprozesse<br />

vorhanden sind, was bei der Auslegung der Wärmepumpe zu<br />

berücksichtigen ist.<br />

3.6. Pufferspeicher, Wärmeverteilung und Spitzenkessel<br />

Die Abbildung 3 mit dem Temperaturverlauf im <strong>Abwasser</strong>strom in Bremerhaven zeigt,<br />

dass es im Verlauf der Heizperiode Zeiten gibt, in denen eine Wärmepumpe nicht,<br />

oder nur eingeschränkt betrieben werden kann, da die <strong>Abwasser</strong>temperatur<br />

unterhalb der Mindesttemperatur von 8 °C liegt. Dies sind jedoch nur kurze Zeitspannen<br />

von etwa einer Woche pro Jahr.<br />

Für diesen Zeitraum muss ein Alternativbetrieb vorgesehen werden. Gebäude, die<br />

mit einer Flächenheizung, einer Fußbodenheizung ausgerüstet sind, können aufgrund<br />

der großen Trägheit einige Zeit ohne Betrieb der Wärmepumpe überbrücken.<br />

Handelt es sich um eine Radiatorheizung bzw. ist eine besondere Sicherheit bei der<br />

Aufrechterhaltung der Wärmezufuhr erforderlich, so kann dies durch die Installation<br />

von Pufferspeichern gewährleistet werden, vgl. Abbildung 13. Darüber hinaus ist ein<br />

Zusatzkessel mit kleiner Leistung für eine bivalent-parallele Betriebsweise denkbar.<br />

Abbildung 13: Monovalente Wärmepumpe mit einer Flächenheizung [PIS 00]


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 26<br />

4. Technische Machbarkeit an Beispielen aus<br />

Bremerhaven<br />

Nachfolgend werden drei Fallbeispiele zur <strong>Abwasser</strong>wärmeversorgung von<br />

Gebäuden in Bremerhaven vorgestellt. Als Fallbeispiele wurden typische öffentliche<br />

Gebäude gewählt, für die eine Wärmeversorgung mit <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen in<br />

Betracht kommen könnte. Dabei ist zu beachten, dass nicht eine aktuelle<br />

angestrebte Sanierung den Ausschlag zur Auswahl der Objekte gab, die Auswahl der<br />

Objekte erfolgte aufgrund der Nähe zu möglichen, geeigneten Wärmeentzugspunkten.<br />

Um die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung mit Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung mit<br />

konventionellen Wärmeversorgungseinrichtungen vergleichen zu können, ist es<br />

erforderlich, vorher die entsprechenden Rahmenbedingungen festzulegen. So wird<br />

eine eindeutige Ausgangsbasis geschaffen, die einen Vergleich mit anderen,<br />

herkömmlichen Wärmeversorgungstechnologien ermöglicht:<br />

• In Fallbeispiel 1 und 2 ersetzt die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe eine bestehende<br />

Gasheizung bzw. eine Kombination aus Fernwärme und Gasheizung.<br />

• In beiden Fällen wird zugrunde gelegt, dass die Wärmeverteilung im Gebäude<br />

von einem Hochtemperatursystem, mit einer Vorlauftemperatur von 70 bis<br />

80 °C, auf ein Niedertemperatursystem, mit einer Vorlauftemperatur von 35 °C,<br />

umgerüstet wird. Denkbar wäre hier der Einsatz einer Fußbodenheizung.<br />

• In Fallbeispiel 3 wird die Substitution der Becken-Frischwassererwärmung eines<br />

Schwimmbades mittels <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe, anstelle von Fernwärme<br />

diskutiert.<br />

• In allen drei Fallbeispielen werden Kompressionswärmepumpen verwendet.<br />

Die Anlagen sind monovalent ausgeführt, es wird der gesamte<br />

Jahreswärmebedarf allein mit der Wärmepumpenanlage gedeckt.<br />

• Somit ist es möglich, die Wärmeversorgung entweder weiterhin mit Gas oder<br />

Fernwärme sicherzustellen oder eben eine <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung zu<br />

verwenden. Zudem können Kosten- und Primärenergieaufwand allein für die<br />

Wärmeerzeugung aufgestellt und direkt miteinander verglichen werden.<br />

• Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Differenzen von<br />

Kapitalkosten und Betriebskosten verglichen. Es wird also davon<br />

ausgegangen, dass die Erneuerung der Heizungsanlage in jedem Falle<br />

notwendig ist.<br />

• Allen drei Fallbeispielen wird derselbe Zinssatz für das Annuitätendarlehen zu<br />

Grunde gelegt um letztendlich auch eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher<br />

Anlagengrößen zu erlauben.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 27<br />

4.1. Fallbeispiel 1 – Ein Museum<br />

Für das erste Fallbeispiel wird ein Museum in Bremerhaven betrachtet, das sich in<br />

unmittelbarere Nähe eines Pumpwerkes befindet. Das Pumpwerk dient als Stelle für<br />

den Wärmeentzug. Das Pumpwerk eignet sich aus mehreren Gründen gut für die<br />

Installation einer <strong>Abwasser</strong>wärmenutzungsanlage:<br />

1. Durch die unmittelbare Nachbarschaft zum Museum, ist das Pumpwerk ein<br />

gut geeignetes Objekt, um die Wärmeversorgung mittels <strong>Abwasser</strong>wärme<br />

zu realisieren. Die geringe Entfernung geht mit entsprechend niedrigen<br />

Installationskosten für die Anbindung des zu versorgenden Gebäudes<br />

einher. Zudem bewirkt die kürzere Länge der Versorgungsleitungen auch<br />

entsprechend geringere Wärme- und Druckverluste, was der Effizienz der<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmenutzung zu Gute kommt.<br />

2. Das Pumpwerk befindet sich in einem Bezirk, dessen Kanalnetz als<br />

Mischwassersystem ausgeführt ist. D.h. die <strong>Abwasser</strong>kanäle sind für große<br />

<strong>Abwasser</strong>mengen im Niederschlagsfall ausgelegt, und verfügen über<br />

entsprechend große Querschnitte. So weist der Pumpwerkzulauf entlang<br />

einer Leitungslänge von etwa 30 Metern eine Nennweite von DN 2000 auf.<br />

Dies ermöglicht die Installation von Sohlewärmetauschern, wie das Modell<br />

der Firma Rabtherm®.<br />

3. Zusätzlich verfügt das Pumpwerk über einen Pumpsumpf mit großer,<br />

rechteckiger Grundfläche (ca. 2 x 10 Meter) und einer Mindestfüllhöhe von<br />

über einem Meter. Dies lässt den Einbau eines als Rohrwendel<br />

ausgeführten Wärmetauschers in den Pumpensumpf zu. Günstig ist<br />

obendrein, dass zwei installierte Rührwerke das <strong>Abwasser</strong> in ständiger<br />

Bewegung halten, um die verstärkte Bildung von Ablagerungen zu<br />

verhindern.<br />

4. Das <strong>Abwasser</strong>aufkommen in diesem Pumpwerk ist ausreichend groß. Bei<br />

einer Besichtigung nach einer langen Trockenwetterperiode war im<br />

zuführenden <strong>Abwasser</strong>kanal ein Füllstand von etwa einem Meter zu<br />

verzeichnen, bei einer abgeschätzten Strömungsgeschwindigkeit an der<br />

Wasseroberfläche von 1,5 Meter pro Sekunde. Die BEG gibt für das<br />

betrachtete Pumpwerk einen Trockenwetterabfluss von 73 Litern pro<br />

Sekunde an.<br />

Das benachbarte Museum wurde 1989 erbaut. Es besteht aus zwei Gebäudeteilen,<br />

dem eigentlichen Museum und einer angeschlossenen Werkstatt. Das Museum wird<br />

bislang mit Fernwärme beheizt, die Werkstatt mit einem Erdgaskessel. Bei der<br />

nachfolgenden Auflistung der Gebäudedaten in Tabelle 1 sind die Daten für<br />

Museum und Werkstatt zusammengefasst dargestellt:


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 28<br />

Tabelle 1: Gebäudedaten des Museums [BHV 03]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Jahreswärmebedarf 384.000 kWh/a Q &<br />

H<br />

Anschlussleistung 223 kW Q &<br />

Nenn<br />

Vorlauftemperatur 70 °C ϑVL<br />

Rücklauftemperatur 55 °C ϑRL<br />

Nutzfläche 2837 m² ANutz<br />

resultierende Volllaststunden 1722 h/a tVoll<br />

spez. Wärmebedarf 135,4 kWh/m² a q&<br />

h<br />

Innerhalb der beiden Gebäude erfolgt die Wärmeverteilung über Radiatoren. Das<br />

Wärmeverteilungssystem ist mit Vorlauftemperaturen von 70 bzw. 80 °C als<br />

Hochtemperatursystem ausgeführt.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 29<br />

4.1.1. Anlagenkonzeption<br />

Bei zu Grunde gelegten 4.500 Betriebsstunden für die Wärmepumpe pro Jahr ergibt<br />

sich eine erforderliche Heizleistung von 85 kW. Zur Auslegung einer solchen<br />

Wärmeversorgung wird exemplarisch eine Kompressionswärmepumpe des Herstellers<br />

Dimplex, Typ WI 90GC betrachtet [DIM 01].<br />

Aus den Unterlagen des Herstellers Dimplex ergeben sich für die genannte<br />

Wärmepumpe folgende Leistungsdaten:<br />

Tabelle 2: Leistungsdaten der Dimplex Wärmepumpe [DIM 01]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Quellentemperatur 7 °C ϑqVL<br />

Heizungsvorlauftemperatur 35 °C ϑhVL<br />

resultierende Wärmeleistung 85 kW Q &<br />

h<br />

resultierende Leistungszahl 5,0 -- ε<br />

Volumenstrom der Wärmequelle 20 m³/h V &<br />

q<br />

Volumenstrom des Heizwassers 8 m³/h V &<br />

h<br />

Die gewählte Wärmepumpe kann mit Wärmequellentemperaturen im Bereich von<br />

+7 °C bis +25 °C betrieben werden. Im vorliegenden Fallbeispiel wurde eine<br />

Auslegungstemperatur für die Wärmequelle ϑ von 7 °C festgelegt. Mit der<br />

verfügbaren <strong>Abwasser</strong>temperatur in der Kanalisation kann die Wärmepumpe somit<br />

monovalent, d.h. als alleiniger Wärmeerzeuger zur Gebäudeheizung betrieben<br />

werden.<br />

qVL<br />

Aus der angegebenen Leistungszahl der Wärmepumpe<br />

Q<br />

=<br />

&<br />

P<br />

h<br />

ε (5)<br />

el<br />

und der abgegebenen Heizleistung<br />

aufgenommene elektrische Leistung<br />

Q & h<br />

berechnet sich die vom Verdichter<br />

P<br />

Q&<br />

= ε<br />

85kW<br />

=<br />

5,0<br />

h<br />

el<br />

= 17<br />

kW . (5.1)<br />

Die abgegebene Heizleistung der Wärmepumpe<br />

Q & = Q & + P<br />

(6)<br />

h<br />

q<br />

el


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 30<br />

ist die Summe aus der elektrischen Verdichterleistung P<br />

el<br />

und der vom<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmetauscher der Wärmepumpe zugeführten thermischen Leistung<br />

Q & q<br />

= Q &<br />

h<br />

− Pel<br />

= 85 kW −17kW<br />

= 68kW<br />

. (6.1)<br />

Q &<br />

q<br />

Für diese Leistung muss ein entsprechender Wärmetauscher im <strong>Abwasser</strong>strom<br />

installiert werden. (siehe auch Abbildung 14). Für den <strong>Abwasser</strong>strom wird zur<br />

Bemessung des Wärmetauschers angenommen, dass die Temperatur von 9 °C vor<br />

dem Wärmetauscher, auf 8 °C nach dem Wärmetauscher, abgesenkt wird. Dies<br />

würde bei einem angenommen Wärmetauscherwirkungsgrad von 0,5 einen<br />

<strong>Abwasser</strong>strom von etwa 27 Litern pro Sekunde erfordern. Tatsächlich liegt im<br />

Pumpwerk ein mittlerer Trockenwetterabfluss von etwa 73 Litern pro Sekunde vor, so<br />

dass eine effektive Abkühlung von lediglich 0,4 K zu erwarten ist.<br />

4.1.2. Wirtschaftliche Betrachtung<br />

In der wirtschaftlichen Betrachtung wird davon ausgegangen, dass die bestehende<br />

Heizung durch die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe, oder durch eine konventionelle<br />

Niedertemperaturheizung ersetzt wird. Deshalb erfolgt ein Vergleich mit einem<br />

Gasbrennwertkessel mit einer Nennleistung von 240 kW der Firma Buderus 2 . Es soll<br />

gezeigt werden, ob der Einsatz der <strong>Abwasser</strong>wärme für die Gebäudeheizung<br />

betriebswirtschaftlich sinnvoll ist.<br />

Die Tabelle 3 zeigt, dass die Anschaffungs- und Installationskosten mit knapp 39.000 €<br />

für die 85 kW - Wärmepumpe etwa zwei mal so hoch liegen, wie bei einem<br />

Gasbrennwertkessel mit 240 kW Nennleistung. Diese Differenz muss über die<br />

laufenden Betriebskosten wieder ausgeglichen werden, damit eine<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmepumpe betriebswirtschaftlich sinnvoll ist.<br />

Bei 4.500 Betriebsstunden pro Jahr für die Wärmepumpe und der genannten<br />

elektrischen Verdichterleistung von 17 kW ergibt sich für die Wärmepumpe ein<br />

Strombedarf von 76.500 kWhel pro Jahr. Der restliche Wärmebedarf von 307.500 kWhth<br />

wird dem <strong>Abwasser</strong> entzogen. Somit belaufen sich die Stromkosten bei einem<br />

Strompreis von 14,86 ct pro kWh (swb Enordia) auf 11.368 € pro Jahr. Für den Tarif der<br />

swb Bremerhaven ergeben sich durch den Strompreis von 13,85 ct pro kWh 10.526 €.<br />

Der Gasbrennwertkessel benötigt für die Bereitstellung von 384.000 kWhth Erdgas im<br />

Wert von 14.720 €. Zugrunde gelegt wird hierbei ein Kesselwirkungsgrad von 1,08<br />

[BUD 03] bezogen auf den Heizwert von Erdgas sowie ein Erdgaspreis von 4,14 ct pro<br />

kWh 3 .<br />

Inklusive der anteilig berücksichtigten Wartungs- und Instandsetzungskosten sowie<br />

Zählergebühren, ergibt sich eine Differenz der Betriebskosten von 2.761,39 €<br />

zugunsten der <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung.<br />

2 Typ Logano plus SB 615<br />

3 Tarif der swb Bremerhaven, Stand: Oktober 2003.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 31<br />

Wärmequelle<br />

(Kanal)<br />

Wärmesenke<br />

(Gebäudebeheizung)<br />

Drosselventil<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme Nutzwärme<br />

Verdichter<br />

Abbildung 14: Schema der Wärmeversorgung des Beispielmuseums in Bremerhaven


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 32<br />

Zur Berechnung des Annuitätendarlehens wird die Differenz der Kapitalkosten zu<br />

Ungunsten der <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe als Darlehenssumme veranschlagt und die<br />

Differenz der Betriebskosten als Annuität verwendet. Bei einem Zinssatz von 8,00% 4<br />

ergibt sich eine Laufzeit von 12 Jahren. D.h. bei einer zu erwartenden Lebensdauer<br />

der Wärmepumpe von 20 bis 25 Jahren [REC 03] hat der Einsatz von <strong>Abwasser</strong>wärme<br />

zur Gebäudeheizung, nach Ablauf der 12 Jahren, eine Kostenersparnis durch<br />

verminderte Betriebskosten von 2.826 € pro Jahr zur Folge.<br />

Tabelle 3: Kostenvergleich Museum<br />

4 Auskunft der Bremer Landesbank, September 2003.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 33<br />

4.1.3. Ökologische Betrachtung<br />

Die ökologische Betrachtung soll zeigen, inwieweit die Versorgung eines Gebäudes<br />

mit <strong>Abwasser</strong>wärme auch die CO2-Bilanz hinsichtlich des originären<br />

Primärenergieeinsatzes begünstigt. Für alle Berechnungen der CO2-Bilanz wurde der<br />

Bremerhavener Strom-Mix nach statistischem Landesamt Bremen zugrunde gelegt.<br />

Die verwendete Wärmepumpe arbeitet in der gewählten Anlagenkonfiguration in<br />

einem energetisch günstigen Temperaturbereich: die Temperaturanhebung liegt im<br />

Auslegungspunkt bei 28 °C, woraus die günstige Leistungszahl von 5,0 resultiert [DIM<br />

01]. Die vom Verdichter aufgenommene elektrische Energie von 76.500 kWhel pro<br />

Jahr hat bei dem zu Grunde gelegtem Primärenergiefaktor für Strom von 3,22 [REC<br />

03] einen Primärenergieverbrauch von 246.330 kWh und eine CO2-Emission von<br />

54.468 kg zur Folge.<br />

Dem gegenüber hat der Gasbrennwertkessel einen Primärenergiebedarf von<br />

380.444 kWh, resultierend aus dem auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgrad von<br />

1,08 [BUD 03] und dem Primärenergiefaktor für Erdgas von 1,07. Die CO2-Emission<br />

beläuft sich auf 70.756 kg pro Jahr.<br />

Hieraus ergibt sich ein CO2-Einsparpotenzial von 16.288 kg CO2 pro Jahr zugunsten<br />

der Wärmepumpe (vgl. Tabelle 4).<br />

Tabelle 4: CO 2-Bilanzvergleich für das Museum


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 34<br />

4.2. Fallbeispiel 2 – Eine Schule<br />

Die für das zweite Fallbeispiel gewählte Schule in Bremerhaven ist eine Schule der<br />

Sekundarstufe I mit Haupt- und Realschule, einer gymnasialen Abteilung sowie einer<br />

Orientierungsstufe. Etwa 600 Schüler besuchen diese Einrichtung, 45 Lehrkräfte sind<br />

hier beschäftigt [WRS 03].<br />

Die Schule besteht aus einem Altbau und einem Neubau. Das Grundstück der Schule<br />

befindet sich Nahe einer Kreuzung zweier Hauptverkehrsstraßen. In diesen beiden<br />

Straßen befinden sich <strong>Abwasser</strong>kanäle, die sich aufgrund ihres Querschnittes von DN<br />

1000 bzw. DN 1600 sehr gut dafür eignen, mit dem bereits angesprochenen<br />

Sohlewärmetauscher ausgestattet zu werden. Auch sind aufgrund des Querschnittes<br />

entsprechende <strong>Abwasser</strong>mengen zu erwarten.<br />

Wie im zuvor beschriebenen Museum ist die Heizung der Schule als<br />

Hochtemperatursystem mit einer Vorlauftemperatur von 70 °C ausgeführt. Knapp<br />

800 kW installierter Kesselleistung versorgen die Radiatoren in den Gebäuden mit<br />

Wärme.<br />

Tabelle 5: Gebäudedaten der Schule [BHV 03]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Jahreswärmebedarf 1.030.000 kWh/a Q &<br />

H<br />

Anschlussleistung 794 kW Q &<br />

Nenn<br />

Vorlauftemperatur 70 °C ϑVL<br />

Rücklauftemperatur 55 °C ϑRL<br />

Nutzfläche 6850 m² ANutz<br />

resultierende Volllaststunden 1300 h/a tVoll<br />

spez. Wärmebedarf 150 kWh/m² a q&<br />

h<br />

Alt- und Neubau haben jeweils eine separate Versorgung. Da in beiden Gebäuden<br />

näherungsweise die gleiche Nutzfläche mit der gleichen Leistung versorgt werden,<br />

sind in Tabelle 5 die Gebäudedaten für Alt- und Neubau zusammengefasst<br />

dargestellt.<br />

4.2.1. Anlagenkonzeption<br />

Zur Versorgung der Schule wird der Einsatz von drei parallel geschalteten Dimplex WI<br />

90 GC Wärmepumpen in einer gemeinsamen Wärmeversorgungszentrale für Alt- und<br />

Neubau vorgeschlagen.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 35<br />

Tabelle 6: Leistungsdaten der Wärmepumpen [DIM 01]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Quellentemperatur 7 °C ϑqVL<br />

Heizungsvorlauftemperatur 35 °C ϑhVL<br />

resultierende Wärmeleistung 255 kW Q &<br />

h<br />

resultierende Leistungszahl 5,0 -- ε<br />

Volumenstrom der Wärmequelle 60 m³/h V &<br />

q<br />

Volumenstrom des Heizwassers 24 m³/h V &<br />

h<br />

Bei einer Wärmequellentemperatur von 7 °C und einer Heizungsvorlauftemperatur<br />

ergibt sich eine Gesamtwärmeleistung von 255 kW. pro Jahr werden 4.100<br />

Betriebsstunden angenommen.<br />

Für die genannte Temperaturanhebung gibt der Hersteller der Wärmepumpe eine<br />

Leistungszahl von 5,0 an. Hieraus resultiert die vom Verdichter aufgenommene<br />

elektrische Leistung von 51 kW. Somit muss dem <strong>Abwasser</strong>strom eine thermische<br />

Leistung von 204 kW entnommen werden.<br />

Die <strong>Abwasser</strong>sammler in den beiden Hauptstraßen können hierfür mit Rabtherm®<br />

Wärmetauschern versehen werden. Da beide Straßen an das Schulgrundstück<br />

angrenzen, ergeben sich kurze Leitungslängen zur Anbindung der Wärmetauscher<br />

an die Wärmepumpen.<br />

Zur Bemessung des Wärmetauschers wird wieder angenommen, dass die Temperatur<br />

des <strong>Abwasser</strong>s um 2 °C, von 9 °C vor dem Wärmetauscher, auf 7 °C nach dem<br />

Wärmetauscher, verringert wird. Bei einem angenommen<br />

Wärmetauscherwirkungsgrad von 0,5 ergibt dies einen erforderlichen <strong>Abwasser</strong>strom<br />

von etwa 49 Litern pro Sekunde. Besonders im Kanal mit einem Querschnitt von<br />

DN 1600 ist von einem entsprechenden Volumenstrom auszugehen. Aufgrund der<br />

unmittelbaren Nähe zu einem größeren Pumpwerk, für welches ein mittlerer<br />

Trockenwetterabfluss von 73 Litern pro Sekunde angegeben wird, kann<br />

angenommen werden, dass der <strong>Abwasser</strong>volumenstrom in den Kanälen größer ist als<br />

49 Liter pro Sekunde. Die effektive Abkühlung des <strong>Abwasser</strong>s wird damit unterhalb<br />

von 2°C bleiben. Die folgende zeigt das Schema der Wärmeversorgung für die<br />

Schule.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 36<br />

Wärmequelle<br />

(Kanal)<br />

Wärmesenke<br />

(Gebäudebeheizung)<br />

Drosselventil<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme Nutzwärme<br />

Verdichter<br />

Abbildung 15: Schema der Wärmeversorgung der Schule


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 37<br />

4.2.2. Wirtschaftliche Betrachtung<br />

Zum wirtschaftlichen Vergleich der <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe wird eine konventionelle<br />

Heizung mit zwei 400 kW- Gasbrennwertkesseln der Firma Buderus Heiztechnik GmbH<br />

herangezogen 5 . Diese sind in der Anschaffung mit 44.000 € um 16.000 € günstiger, als<br />

die in der Anlagenkonzeption beschriebenen Wärmepumpen. Insgesamt beläuft sich<br />

die Differenz der Kapitalkosten auf etwa 54.000 € zu Gunsten der<br />

Gasbrennwertkessel. Im Gegensatz dazu liegen die Betriebskosten der<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmenutzungsanlage um knapp 7.100 € pro Jahr unter denen der<br />

Gaskessel.<br />

Tabelle 7: Kostenvergleich Schule<br />

5 Typ Logano plus SB 615


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 38<br />

Für die Kostenrechnung bedeutet dies, dass bei dem hier zugrunde gelegten Zinssatz<br />

von 8,00 % 6 die Investitionsmehrkosten durch die geringeren Betriebskosten nach<br />

einer Laufzeit von 13 Jahren ausgeglichen sind (vgl. Tabelle 7). Wie beim Museum in<br />

Fallbeispiel 1 ergibt sich auf die zu erwartende Gesamtlebensdauer einer<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmepumpe von 20 bis 25 Jahren eine deutliche Kostenreduktion von<br />

50.000 € bis 80.000 € gegenüber einer konventionellen Beheizung mit Erdgas.<br />

4.2.3. Ökologische Betrachtung<br />

Tabelle 8: CO 2- Bilanzvergleich für die Schule<br />

Die Tabelle 8 zeigt die spezifische CO2-Emission der für die Schule vorgeschlagenen<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmepumpen im Vergleich zu Gasbrennwertkesseln. Aus der<br />

Verdichterarbeit von 209.100 kWh pro Jahr resultiert ein CO2-Ausstoß von 148.879 kg<br />

pro Jahr. Die Gaskessel emittieren in der gleichen Zeit 189.787 kg CO2. Dies ergibt<br />

eine Differenz von 40.908 kg CO2 pro Jahr zu Gunsten der <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe.<br />

6 Auskunft der Bremer Landesbank, September 2003.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 39<br />

4.3. Fallbeispiel 3 – Ein Schwimmbad<br />

Das betrachtete Schwimmbad befindet sich im Norden Bremerhavens. Es verfügt<br />

über ein 50 m-Becken mit acht Bahnen und einer Wasserfläche von 1.050 m². Dazu<br />

gibt es noch ein 12,5 m-Lehrschwimmbecken mit einer Wasserfläche von 100 m². Die<br />

Wassertemperaturen liegen im großen Becken bei 27 °C, im Lehrschwimmbecken bei<br />

32 °C. Eine Fernwärme gespeiste Lüftungsanlage entfeuchtet und beheizt das<br />

Gebäude. In den Schwimmhallen liegt die Lufttemperatur 1,5 °C über der<br />

Beckenwassertemperatur.<br />

Alle drei Hallenbäder in Bremerhaven sind innerhalb der letzten drei Jahre komplett<br />

saniert bzw. erneuert worden. So dass sich die Wärmeversorgung des Gebäudes auf<br />

einem aktuellen technischen Stand befindet.<br />

Deshalb wird an dieser Stelle als Variante vorgeschlagen, die <strong>Abwasser</strong>wärme<br />

lediglich zur Erwärmung des Becken-Frischwassers zu benutzen:<br />

Das Wasser beider Schwimmbecken wird über eine Wasseraufbereitungsanlage<br />

weitestgehend im Kreislauf geführt. Nach chemischer, biologischer und<br />

mechanischer Behandlung wird dieses Wasser anschließend erwärmt und wieder in<br />

die Schwimmbecken zurückgeleitet. Bei diesem Prozess kann ein Teil des Wassers<br />

nicht wieder den Schwimmbecken zugeführt werden, sondern muss als <strong>Abwasser</strong><br />

abgeführt werden. Dieser <strong>Abwasser</strong>teilstrom wird durch Frischwasser aus dem<br />

örtlichen Trinkwassernetz ersetzt. Hier entsteht ein auszugleichender Wärmebedarf<br />

aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der im Trinkwassersystem vorherrschenden<br />

und der im Schwimmbecken gewünschten Temperatur. Für diesen Zweck<br />

wird der Einsatz von <strong>Abwasser</strong>wärme vorgeschlagen.<br />

4.3.1. Anlagenkonzeption<br />

Wie die nachfolgende Tabelle 9 zeigt, müssen pro Jahr etwa 10.000 m³ Frischwasser<br />

aus dem Trinkwassernetz entnommen und auf Beckentemperatur erwärmt werden.<br />

Die Wasseraufbereitungsanlage des Bades ist bis auf zwei Monate im Sommer, in der<br />

die Revision durchgeführt wird, während des gesamten Jahres in Betrieb. Auch<br />

außerhalb der Öffnungszeiten wird die Anlage nicht abgeschaltet. D.h. es ergibt sich<br />

eine sehr hohe Betriebsstundenzahl pro Jahr von etwa 8.000 Stunden.<br />

Tabelle 9: Versorgungsdaten des Schwimmbades [BGB 03]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Jahresfrischwasserbedarf<br />

(Beckenwasser)<br />

mittlere Frischwassertemperatur<br />

Betriebsstunden der Wasseraufbereitung<br />

10.000 m³ V &<br />

frisch<br />

10 °C ϑ<br />

frisch<br />

8.000 h/a tWA


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 40<br />

Bezogen auf die zugeführte Frischwassermenge ergibt sich ein stetiger Volumenstrom<br />

der erwärmt werden muss von 1,25 m³ pro Stunde bzw. 0,35 Liter pro Sekunde.<br />

Es wird angenommen, dass die mittlere Temperatur im Trinkwassernetz 10 °C beträgt.<br />

Diese sollen mit der Wärmepumpe um 25 °C auf 35 °C erwärmt werden. Als<br />

geforderte Wärmeleistung ergibt sich daraus ein Wert von 36,3 kW und eine<br />

Jahreswärmemenge von 291.000 kWh.<br />

Die gewählte Wärmepumpe für die Wassererwärmung ist das Modell Dimplex WI 40<br />

GC. In Tabelle 10 sind die Leistungsdaten dieses Aggregates dargestellt.<br />

Tabelle 10: Leistungsdaten der Wärmepumpe [DIM 01]<br />

Größe Wert Einheit Zeichen<br />

Quellentemperatur 7 °C ϑqVL<br />

Beckenzulauftemperatur 35 °C ϑhVL<br />

resultierende Wärmeleistung 41 kW Q &<br />

h<br />

resultierende Leistungszahl 5,4 -- ε<br />

Volumenstrom der Wärmequelle 20 m³/h V &<br />

q<br />

Volumenstrom des Heizwassers 8 m³/h V &<br />

h<br />

Aufgrund der Nennleistung von 41 kW ergibt sich eine Reduktion der<br />

Jahresbetriebsstunden auf 7.100.<br />

Bei der genannten Leistungszahl bedarf es einer Verdichterleistung von 7,6 kWel. Der<br />

verbleibende Wärmebedarf von 33,4 kWth wird dem <strong>Abwasser</strong> entzogen.<br />

Als Wärmeentzugspunkt ist ein nahe gelegenes Pumpwerk vorgesehen. Die<br />

Kanalisation in jenem Stadtteil, in dem Schwimmbad und Pumpwerk angesiedelt<br />

sind, ist als Trennsystem ausgeführt. Die Kanalquerschnitte sind entsprechend kleiner.<br />

Nur der direkte Zulauf zum Pumpwerk weist auf einer Länge von etwa 20 Metern<br />

einen Querschnitt von DN 800 auf und eignet sich somit für den Einbau von<br />

Sohlewärmetauschern.<br />

Bei einer Bemessungstemperatur im <strong>Abwasser</strong> von 9 °C und einer angenommenen<br />

Abkühlung von 1 °C ergibt sich ein erforderlicher <strong>Abwasser</strong>volumenstrom von knapp<br />

16 Litern pro Sekunde. Tatsächlich liegt, nach Auskunft der BEG aber ein<br />

Trockenwetterabfluss von 100 Litern pro Sekunde vor. Die hieraus resultierende<br />

wirkliche Abkühlung des <strong>Abwasser</strong>s im Kanal beträgt weniger als 0,1 °C. In Abbildung<br />

16 ist die Anlage zur Becken-Frischwasserbeheizung für das Schwimmbad<br />

schematisch dargestellt.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 41<br />

Wärmequelle<br />

(Kanal)<br />

Wärmesenke<br />

(Becken- Frischwasser)<br />

Drosselventil<br />

<strong>Abwasser</strong>wärme Nutzwärme<br />

Verdichter<br />

Abbildung 16: Schema der Anlage zur Becken- Frischwasserbeheizung im Beispiel-Schwimmbad


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 42<br />

4.3.2. Wirtschaftliche Betrachtung<br />

Wie Tabelle 11 zeigt, liegen die Kapitalkosten für die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe im<br />

Vergleich zu einer Fernwärmeübergabestation um den Faktor Acht höher. Die<br />

Differenz beträgt 20.600 €. Allerdings sind hierbei deutlich geringere Betriebskosten zu<br />

Gunsten der Wärmepumpe vorhanden. Diese liegen in Anbetracht der hohen<br />

Jahresbetriebsstundenzahl im Betrag recht hoch, allerdings pro Jahr um 6.600 €<br />

niedriger als bei der Fernwärmeversorgung.<br />

Tabelle 11: Kostenrechnung Schwimmbad<br />

Somit amortisieren sich die Mehrausgaben für die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe bei einem<br />

Zinssatz von 8,00% bereits nach 4 Jahren.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 43<br />

4.3.3. Ökologische Betrachtung<br />

Wird für die ökologische Bewertung Fernwärme aus Müllverbrennung<br />

zugrundegelegt, so lässt sich aus der Umwelterklärung 2000 der Bremerhavener<br />

Entsorgungsgesellschaft mbH BEG [BEG 00] für das Müll-Heiz-Kraftwerk ein thermischer<br />

Wirkungsgrad der Fernwärmeerzeugung von 60% und eine spezifische CO2-Emision<br />

von 0,32 kg pro kWh entnehmen bzw. ermitteln.<br />

Dies zu Grunde gelegt ergibt sich ein Primärenergiebedarf von 1,7 Mio.<br />

Kilowattstunden und ein CO2-Ausstoß von 93.000 kg pro Jahr. Dem gegenüber steht<br />

ein Primärenergiebedarf von 174.000 kWh und ein CO2-Ausstoß von 38.500 kg pro<br />

Jahr beim Einsatz der <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe. Dies ergibt eine Minderung der CO2-<br />

Emissionen von etwa 54.000 kg, wenn im Schwimmbad die Becken-<br />

Frischwasserzufuhr durch die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung an Stelle von Fernwärme<br />

substituiert wird (vgl. Tabelle 12). Die, im Verhältnis zur installierten Nennleistung, sehr<br />

große Differenz bei der CO2-Emission kann jedoch aus verschiedenen<br />

Gesichtspunkten und u.U. auch kritisch gesehen werden:<br />

1. Zum einen ist es sinnvoll, wenn Abfall thermisch behandelt, also verbrannt<br />

werden soll, die frei werdende Wärme energetisch zu nutzen und<br />

beispielsweise zur Stromgewinnung und Gebäudebeheizung zu verwenden.<br />

Die hiermit einhergehende Entlastung der Umwelt resultiert aus einem Abbau<br />

der vorhandenen bzw. in der Planung befindlichen Kraftwerkskapazitäten.<br />

Somit ist die CO2-Emission dem gegenüber zu stellen.<br />

2. Zu bedenken ist aber, dass der Wirkungsgrad absolut gesehen im<br />

vorliegenden Vergleich jedoch schlechter ist als bei einer konventionellen<br />

Heizung oder bei einer gut konzipierten Wärmepumpenanlage. Auch sind die<br />

Schadstoffemissionen bezogen auf die erzeugte thermische Kilowattstunde<br />

hoch.<br />

3. Andererseits schafft die Versorgung mit Fernwärme aus Müllverbrennung eine<br />

Abhängigkeit gegenüber dem Abnehmer der Wärme. Die<br />

Versorgungssicherheit muss gewährleistet sein. Zudem muss eine<br />

Müllverbrennungsanlage auch in einem Betriebspunkt gefahren werden, der<br />

betriebswirtschaftlich sinnvoll ist. Somit wird kein Anreiz geschaffen, Müll zu<br />

vermeiden und Abfälle wieder dem Wertstoffkreislauf zuzuführen.<br />

4. Tendenziell ist der Einsatz von <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen aus Umweltaspekten<br />

jedoch in nicht durch Fernwärme erschlossenen Gebieten anzustreben.<br />

Tabelle 12: CO 2-Bilanzvergleich für das Schwimmbad


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 44


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 45<br />

4.4. Diskussion und Bewertung<br />

In den Fallbeispielen wurde gezeigt, dass <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung sinnvoll sein kann,<br />

wenn die entsprechende Anlagenkonfiguration gewählt wird.<br />

• Es wurden zwei Anlagen zur Nutzung von <strong>Abwasser</strong>wärme mit<br />

Kompressionswärmepumpen vorgeschlagen und wirtschaftlich und<br />

ökologisch bewertet.<br />

• Die beiden versorgten Objekte sind öffentliche Gebäude mit ganz<br />

unterschiedlicher Benutzungsstruktur. Dennoch lassen sich beide mit<br />

monovalent betriebenen Wärmepumpenanlagen beheizen.<br />

• Die zur Verfügung stehenden Daten zum <strong>Abwasser</strong>temperaturverlauf, zum<br />

<strong>Abwasser</strong>aufkommen und insbesondere die Wärmebedarfsangaben zum<br />

Museum und zur Schule sind nur grobe Anhaltswerte, so dass eine Reihe von<br />

Annahmen getroffen und Rahmenbedingungen für die Anlagenkonzeptionen<br />

und deren Betrachtungen festgelegt werden mussten. Diese wurden jedoch<br />

so gewählt, dass die Aussagekraft hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der<br />

CO2-Emissionen nicht gemindert wird.<br />

• Die Wahl einer niedrigen Vorlauftemperatur ist notwendig, um überhaupt eine<br />

Wärmepumpe bei einer günstigen Leistungszahl betreiben zu können, da<br />

deren Effizienz um so größer ist, je kleiner der Temperaturhub von<br />

Quellentemperatur zur Vorlauftemperatur ausfällt. Dies bedeutet einerseits,<br />

das eine Anlage in der vorgestellten Form nicht installiert werden kann, ohne<br />

das Wärmeverteilungssystem im Gebäude auf ein Niedertemperatursystem<br />

umzustellen. Andererseits ist die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe deshalb besonders<br />

geeignet für Neubauten, die im Rahmen der EnEV ohnehin mit<br />

Niedertemperaturheizungen ausgestattet werden.<br />

• Dass bei den Vergleichsrechnungen Gaskessel mit der ursprünglichen<br />

Nennleistung und Wärmepumpen mit deutlich geringerer Leistung<br />

herangezogen werden erklärt sich aus den unterschiedlichen Betriebsweisen<br />

der beiden Wärmeerzeuger:<br />

Gaskessel werden in Intervallen betrieben. Sie erreichen eine<br />

Jahresbetriebsstundenzahl von 1.500 bis 2.000 Stunden. Wärmepumpen sind<br />

hingegen auf eine kontinuierliche Betriebsweise ausgelegt. 4.000 bis 6.000<br />

Jahresbetriebsstunden sind üblich. Um einem Gebäude die gleiche<br />

Wärmemenge zuzuführen, kommt die Wärmepumpe deshalb mit einer<br />

geringeren Nennheizleistung aus.<br />

• Im Allgemeinen arbeiten Wärmepumpen 2-Punkt gesteuert. D.h. ihre Leistung<br />

kann nicht geregelt werden. Sie werden von einem Steuergerät<br />

bedarfsgemäß ein- und ausgeschaltet. Die gewählten Wärmepumpen sind<br />

Geräte, die mit zwei parallel arbeitenden Verdichtern ausgestattet sind. Dies<br />

ermöglicht eine genauere Leistungsanpassung an den tatsächlichen Bedarf.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 46<br />

Durch die Verwendung von drei Einheiten im Fall der Schule kann durch eine<br />

entsprechende Regeleinheit die Leistungsabgabe sehr genau an den Bedarf<br />

angepasst werden und somit weitere Kosten eingespart werden.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 47<br />

• Zusätzlich zur Umrüstung des Wärmeverteilsystems auf niedrige Heizwassertemperaturen<br />

würden bauliche Maßnahmen zur Wärmedämmung und eine<br />

genaue Wärmebedarfsermittlung nach DIN 4107 die erforderlichen Wärmeleistungen<br />

nochmals reduzieren und damit auch Investitions- und<br />

Betriebskosten weiter senken.<br />

• Der Zinssatz von 8,00%, der den Annuitätendarlehen zu Grunde liegt, ist als<br />

„hoch“ einzustufen. Für CO2-mindernde Energiegewinnungssysteme gibt es<br />

vielfach zinsgünstigere Darlehen und Förderungen. Hier gleicht der höhere<br />

Zinssatz entsprechende Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Betriebskosten<br />

aus.<br />

• In den Betriebskosten wurden neben den Verbrauchskosten auch Wartungsund<br />

Instandhaltungskosten anteilig, bezogen auf die Anschaffungskosten, in<br />

Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2067 berücksichtigt. Die prozentualen Anteile<br />

wurden großzügig ausgelegt, da exakte Angaben aus realisierten Projekten<br />

dieser Art nicht zur Verfügung standen.<br />

• Gleiches gilt für die Kapitalkosten. Hier wurden ebenfalls zusätzliche Beträge<br />

für Bau und Installation berücksichtigt und anteilig, bezogen auf die<br />

Anschaffungskosten, festgelegt.<br />

Es bleibt festzuhalten, dass die vorgestellten Anlagenkonfigurationen Möglichkeiten<br />

darstellen, Gebäude mit unterschiedlichen Wärmebedarfen mit Heizwärme aus<br />

<strong>Abwasser</strong> zu versorgen. Die reduzierten Betriebskosten gegenüber dem Einsatz von<br />

Gasbrennwertkesseln sind mit 2.800 € beim Museum und über 7.000 € im Falle der<br />

Schule sehr deutlich. Auch die CO2-Einsparungen sind mit 16.000 kg beim Museum<br />

und 41.000 kg bei der Schule signifikant. Zu der CO2-Einsparung kommen natürlich<br />

ebenso reduzierte Emissionen an Stickoxiden und Schwefelverbindungen, was die<br />

Umwelt stark entlastet.<br />

Mit dem Vorschlag für eine Anlage zur Becken-Frischwassererwärmung des<br />

Schwimmbades ergibt sich eine interessante Möglichkeit die gerade modernisierte<br />

Gebäudetechnik des Bades noch weiter zu optimieren.<br />

• Es wird gezeigt, dass der vorliegende kontinuierliche Wärmestrom geeignet ist,<br />

mit einer Wärmepumpe versorgt zu werden.<br />

• Auch gegenüber der Versorgung mit Fernwärme ergibt sich ein geringerer<br />

Kostenaufwand. Innerhalb weniger Jahre hat sich die Investition für die<br />

Wärmepumpe amortisiert.<br />

Wichtig ist, dass die Wärmepumpenanlage für einen günstigen Temperaturbereich<br />

konzipiert wird, in dem ein hohe Leistungszahl erreicht wird. Im Land Bremen wird kein<br />

spezieller „Wärmepumpentarif“ angeboten, deshalb ist – entgegen der vielfach


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 48<br />

zitierten Literatur - eine Amortisation der höheren Kapitalkosten oberhalb einer<br />

Leistungszahl von vier gegeben.<br />

Die nachfolgende Abbildung 17 zeigt, dass das CO2-Einsparpotenzial gegenüber<br />

Erdgas von der Art der Stromerzeugung und damit von der zu Grunde gelegten<br />

spezifischen CO2-Emission abhängig ist. In Bremerhaven ist aufgrund des hohen KWK-<br />

Anteils die emittierte CO2-Menge relativ gering, so dass bereits bei einer Leistungszahl<br />

>3,2 eine Reduzierung der CO2 Emissionen erreicht wird.<br />

In der Stadt Bremen ist eine Umsetzung aufgrund der hohen spezifischen CO2-<br />

Emissionen des Strom-Mixes nur in Ausnahmefällen, das heißt bei Leistungszahlen von<br />

deutlich über 4,7, aus sicht des Umweltschutzes attraktiv.<br />

350000<br />

300000<br />

250000<br />

CO2-Emission [kg/a]<br />

200000<br />

150000<br />

100000<br />

50000<br />

0<br />

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8<br />

Leistungszahl<br />

CO2-Ausstoß BHV [kg] CO2-Ausstoß konv. Hzg. [kg] CO2-Ausstoß HB [kg] CO2-Ausstoß D-Mix [kg]<br />

Abbildung 17: Vergleich der CO 2-Emissionen in Abhängigkeit von der Leistungszahl, bei<br />

unterschiedlichen Primärenergiefaktoren am Fallbeispiel 1<br />

In Tabelle 13 sind zur Erläuterung die spezifischen CO2-Emissionswerte für<br />

Bremerhaven, Bremen und die Bundesrepublik Deutschland zusammengestellt.<br />

Tabelle 13: Spezifische CO 2-Emissioswerte [STA 01]<br />

Bremerhaven 0,581 Kg CO2 /kWh<br />

Bremen 0,863 Kg CO2 /kWh<br />

Bundesrepublik Deutschland 0,712 Kg CO2 /kWh


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 49


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 50<br />

5. Fördermöglichkeiten<br />

Wie in Kapitel 4 gezeigt wurde, ergibt sich durch den Einsatz von <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen ein erhebliches CO2-Einsparpotenzial. Da Erfahrungen mit der Technologie zudem noch nicht in<br />

ausreichendem Maße vorhanden sind und der finanzielle Aufwand für die noch nicht standardisierten Lösungen hoch ist, können zur finanziellen Unterstützung Fördermitteln in Anspruch genommen<br />

werden. Die folgende Aufstellung zeigt eine Auswahl der möglichen Förderprogramme und Institutionen.<br />

Land Bremen Förderprogramm Förderziel Zielgruppe Förderfähige Maßnahmen Art der Förderung Kontakt Bemerkung<br />

Bremer Energie-<br />

Konsens<br />

Durchführung von<br />

Pilot und<br />

Demonstrationsvorhaben.<br />

Förderung und<br />

Entwicklung sowie<br />

Verbreitung von<br />

Kenntnissen und<br />

Maßnahmen des<br />

Klimaschutzes, der<br />

rationellen Energieanwendung<br />

und<br />

insbesondere die<br />

Verminderung der<br />

CO 2-Emissionen.<br />

Natürliche und juristische Personen<br />

des privaten Rechts sowie Gebietskörperschaften<br />

und sonstige öffentlichrechtliche<br />

Einrichtungen. Bei<br />

Demonstrationsprojekten im baulichen<br />

Bereich sind die Grund-<br />

/Gebäudeeigentümer oder sonstige<br />

dinglich Verfügungsberechtigte(z. B.<br />

Erbbauberechtigte, Wohnungseigentümer)<br />

sowie im Ausnahmefall<br />

auch die Mieter und Pächter mit<br />

Zustimmung des dinglich Verfügungsberechtigten,<br />

antragsberechtigt.<br />

Projekte, die der rationellen Energienutzung<br />

oder dem Einsatz erneuerbarer<br />

Energien dienen, Projekte „vor der Marktlinie“,<br />

Projekte mit Modellcharakter, die<br />

später Potential zur Mehrfachanwendung<br />

haben.<br />

zweckgebundener, nicht<br />

rückzahlbarer Zuschuss in<br />

Form einer Anteils-, Festbetrags-<br />

oder Fehlbedarfsfinanzierung.<br />

Bremer Energie-Konsens GmbH<br />

Am Wall 140<br />

28195 Bremen<br />

Telefon: 0421 / 376671-0<br />

Telefax: 0421 / 376671-9<br />

Nicht gefördert werden bereits<br />

kommerzielle Vorhaben sowie<br />

kommerzielle/konventionelle<br />

Anteile an Projekten.<br />

BIS Bremerhavener<br />

Gesellschaft für<br />

Investitionsförderung<br />

und<br />

Stadtentwicklung<br />

Programm zur<br />

Förderung von<br />

anwendungsnahen<br />

Umwelttechnologien<br />

(PFAU) Förderung<br />

von Pilot- und<br />

Verbundprojekten.<br />

Leistung und Wettbewerbsfähigkeit<br />

bremischer Unternehmen<br />

zu stärken,<br />

insbesondere auf dem<br />

Gebiet der Umweltschutztechniken.<br />

KMUs der gewerblichen Wirtschaft,<br />

Anbieter von Dienstleistungen mit Sitz<br />

oder Geschäftsbetrieb in Bremen.<br />

Personalkosten für eigenes festangestelltes<br />

Personal. Sachkosten für<br />

projektbezogene Anschaffungen (Geräte,<br />

Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen,<br />

Sonderanlagen) in Höhe der steuerrechtlichen<br />

Abschreibung (AfA). Kosten für<br />

Aufträge an Dritte (wissenschaftliche<br />

Begleitung, Gutachten etc.).<br />

nichtrückzahlbarer Zuschuss<br />

(bis zu 50% der anrechnungsfähigen<br />

Gesamtkosten,<br />

Förderhöchstsumme<br />

150.000 €).<br />

Beratung und Antragstellung<br />

BIS Bremerhavener Gesellschaft für<br />

Investitionsförderung und Stadtentwicklung<br />

Ina Meier-Buick<br />

Am Alten Hafen 118<br />

27568 Bremerhaven<br />

Tel: 0471 / 9 46 46 – 741<br />

Senator für Bau und<br />

Umwelt<br />

Rationelle Energieverwendung<br />

und<br />

Nutzung der erneuerbaren<br />

Energiequellen<br />

in Industrie<br />

und Gewerbe (REN-<br />

Richtlinie).<br />

Förderung der rationellen<br />

Energieverwendung<br />

und Nutzung<br />

erneuerbarer Energiequellen.<br />

Betriebe und Unternehmen der<br />

gewerblichen Wirtschaft und der<br />

wirtschaftsnahen freien Berufe sowie<br />

Finanzierungs-, Leasing- oder Dienstleistungsunternehmen,<br />

die mit einem<br />

der oben genannten Betriebe oder<br />

Unternehmen im Rahmen einer<br />

Contractingvereinbarung abrechnen<br />

wollen.<br />

Investitionen zur sparsamen und rationellen<br />

Energieverwendung und –erzeugung<br />

sowie zur Nutzung der Abwärme und<br />

der regenerativen Energiequellen,<br />

Erstellung betrieblicher Energiekonzepte<br />

einschließlich Begleitung ihrer Durchführung.<br />

Zuschuss.<br />

Senator für Bau und Umwelt<br />

Ansgaritorstr. 2<br />

28195 Bremen<br />

Tel. (04 21) 3 61-0<br />

Fax (04 21) 3 61-20 50<br />

<strong>Internet</strong>: http://www.umwelt.bremen.de<br />

Bund Förderprogramm Förderziel Zielgruppe Förderfähige Maßnahmen Art der Förderung Kontakt Bemerkung<br />

Deutsche Bundesstiftung<br />

Umwelt<br />

(DBU)<br />

Förderbereich 2:<br />

Energietechnik.<br />

Die DBU fördert<br />

bereits ein Projekt zur<br />

Abwärmenutzung aus<br />

<strong>Abwasser</strong> in Berlin.<br />

Ziel des Vorhabens ist<br />

es die Technologie der<br />

<strong>Abwasser</strong>wärmepumpen<br />

in Deutschland<br />

einzuführen.<br />

Kommunen und Bauherren.<br />

Insbesondere soll eine Broschüre für<br />

Kommunen und Bauherren sowie ein<br />

Planungsleitfaden für Ingenieure erstellt<br />

und 15 Grobanalysen durchgeführt<br />

werden. Eine solche Grobanalyse könnte<br />

in Bremerhaven durchgeführt werden.<br />

Umsetzung eines <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen-Projektes.<br />

Zweckgebundener nicht<br />

rückzahlbarer Zuschuss.<br />

Deutsche Bundesstiftung Umwelt<br />

Herr Dr. Digel<br />

Postfach 1705, 49007 Osnabrück<br />

An der Bornau 2, 49090 Osnabrück<br />

Telefon (0541)9633-0<br />

Telefax (0541)9633-190<br />

E-Mail: info@dbu.de<br />

Kontakt mit Herrn Dr. Digel ist<br />

bereits aufgenommen. Die DBU<br />

würde gerne die Umsetzung<br />

einen <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen-<br />

Projektes unterstützen.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 51<br />

Bund Förderprogramm Förderziel Zielgruppe Förderfähige Maßnahmen Art der Förderung Kontakt Bemerkung<br />

Bundesministerium<br />

für Umwelt, Naturschutz<br />

und Reaktorsicherheit<br />

(BMU)<br />

BMU-Programm zur<br />

Förderung von<br />

Demonstrationsvorhaben.<br />

Verminderung von<br />

Umweltbelastungen.<br />

Unternehmen der gewerblichen<br />

Wirtschaft, natürliche und juristische<br />

Personen des privaten Rechts,<br />

Gemeinden, Kreise, Gemeindeverbände,<br />

Körperschaften und Anstalten<br />

des öffentlichen Rechts, Eigengesellschaften<br />

kommunaler Gebietskörperschaften<br />

und Zweckverbände.<br />

Demonstrationsvorhaben in großtechnischem<br />

Maßstab, die aufzeigen in<br />

welcher Weise Anlagen einem fortschrittlichen<br />

Stand der Technik angepasst und<br />

fortschrittliche Verfahren und Verfahrenkombinationen<br />

zur Vermeidung und<br />

Verminderung von Umweltbelastungen<br />

verwirklicht, sowie umweltverträgliche<br />

Produkte und umweltschonende Substitutionsstoffe<br />

hergestellt und angewandt<br />

werden gefördert.<br />

Gefördert werden Demonstrationsvorhaben<br />

unter anderem in folgenden<br />

Bereichen:<br />

- <strong>Abwasser</strong>reinigung/Wasserbau<br />

- Energieeinsparung, rationelle<br />

Energieverwendung und Nutzung<br />

erneuerbarere Energien<br />

- Umweltfreundliche Energieversorgung<br />

und –verteilung.<br />

Zinszuschuss zum DtA-<br />

Darlehen bzw. KfW-Darlehen<br />

(s.u.).<br />

KfW<br />

Palmengartenstraße 5-9<br />

60325 Frankfurt am Main<br />

Telefon: (069) 74 31-0<br />

Telefax: (069) 74 31 29 44<br />

Infocenter<br />

Telefon: (01801) 33 55 77 (Ortstarif)<br />

Telefax: (069) 74 31 64 35 5<br />

E-Mail: infocenter@kfw.de<br />

http://www.kfw.de/DE/Unsere%20Kreditpro<br />

gramme/Umweltschu54/Inhalt.jsp<br />

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz<br />

und Reaktorsicherheit<br />

Referat II 4 (Förderungsangelegenheiten)<br />

Alexande4rplatz 6<br />

11055 Berlin<br />

Tel: 0188 / 3 05-22 40<br />

Fax: 01888 / 3 05-43 75<br />

www.bmu.de<br />

Kreditanstalt für<br />

Wiederaufbau (KfW)<br />

KfW-Umweltprogramm.<br />

Investitionen zur<br />

Verbesserung der<br />

Umweltsituation.<br />

In und ausländische Unternehmen der<br />

gewerblichen Wirtschaft (produzierendes<br />

Gewerbe, Handwerk, Handel,<br />

Unternehmen der Land- und Forstwirtschaft,<br />

sonstiges Dienstleistungsgewerbe)<br />

Freiberuflich Tätige, z. B. Ingenieure,<br />

Architekten, Ärzte, Steuerberater<br />

Betreibergesellschaften in der Entsorgungswirtschaft,<br />

Kooperationen ( PPP-<br />

Modelle - Public Private Partnership)<br />

Unternehmen, an denen die öffentliche<br />

Hand, Kirchen oder karitative Organisationen<br />

beteiligt sind.<br />

Alle Investitionen, die zu einer maßgeblichen<br />

Verbesserung der Umweltsituation<br />

beitragen.<br />

Explizit genannt sind u.a. effiziente<br />

Energieerzeugung und -verwendung und<br />

der Einsatz regenerativer Energiequellen.<br />

Langfristige und zinsgünstige<br />

Darlehen.<br />

KfW<br />

Palmengartenstraße 5-9<br />

60325 Frankfurt am Main<br />

Telefon: (069) 74 31-0<br />

Telefax: (069) 74 31 29 44<br />

Infocenter<br />

Telefon: (01801) 33 55 77 (Ortstarif)<br />

Telefax: (069) 74 31 64 35 5<br />

E-Mail: infocenter@kfw.de<br />

http://www.kfw.de/DE/Unsere%20Kreditpro<br />

gramme/Umweltschu54/Inhalt.jsp<br />

Bevorzugt gefördert werden:<br />

KMUs gem. EU- oder EIF-<br />

Definition und Unternehmen, die<br />

in Erdwärme oder Wärmepumpen<br />

investieren.<br />

Kreditanstalt für<br />

Wiederaufbau (KfW)<br />

ERP-Umwelt- und<br />

Energiesparprogramm.<br />

Unterstützung für<br />

Umweltschutz,<br />

Energieeinsparung<br />

und erneuerbare<br />

Energien.<br />

Private gewerbliche Unternehmen<br />

(produzierendes Gewerbe, Handwerk,<br />

Handel, sonstiges Dienstleistungsgewerbe)<br />

Gewerbliche Unternehmen, die Entund<br />

Versorgungsaufgaben für die<br />

öffentliche Hand erfüllen<br />

Freiberuflich Tätige, z. B. Ingenieure,<br />

Architekten.<br />

Energieeinsparung und rationelle Energieverwendung<br />

sowie Nutzung erneuerbarer<br />

Energien.<br />

Langfristige und zinsgünstige<br />

Darlehen.<br />

KfW<br />

Palmengartenstraße 5-9<br />

60325 Frankfurt am Main<br />

Telefon: (069) 74 31-0<br />

Telefax: (069) 74 31 29 44<br />

Infocenter<br />

Telefon: (01801) 33 55 77 (Ortstarif)<br />

Telefax: (069) 74 31 64 35 5<br />

E-Mail: infocenter@kfw.de<br />

http://www.kfw.de/DE/Unsere%20Kreditpro<br />

gramme/Umweltschu54/ERP-<br />

Umwelt93/Inhalt.jsp<br />

Kreditanstalt für<br />

Wiederaufbau (KfW)<br />

KfW-Programm zur<br />

C02-Minderung.<br />

Maßnahmen zum<br />

Zwecke der CO2-<br />

Minderung und<br />

Energieeinsparung.<br />

Träger der Investitionsmaßnahmen an<br />

selbstgenutzten oder vermieteten<br />

Wohngebäuden. Z.B. Privatpersonen,<br />

Wohnungsunternehmen, Gemeinden,<br />

Kreise Gemeindeverbände, sonstige<br />

Körperschaften und Anstalten des<br />

öffentlichen Rechts.<br />

U.a. Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarere<br />

Energien einschließlich der unmittelbar<br />

durch die Nutzung der Anlage<br />

veranlassten Maßnahmen. Finanziert<br />

werden u.a. Wärmepumpen und die<br />

Installation von Wärmetauschern und<br />

Wärmerückgewinnungsanlagen.<br />

Langfristige und zinsgünstige<br />

Darlehen.<br />

KfW Bankengruppe<br />

Beratungszentrum Berlin<br />

Behrenstraße 31<br />

10117 Berlin<br />

Telefon: (030) 2 02 64-50 50<br />

Fax: (030) 2 02 64-54 45<br />

http://www.kfw.de/DE/Bauen%20Wohnen<br />

%20Energiesparen/DieProgram13/CO2-<br />

Minder14/Inhalt.jsp<br />

Die Kumulierung mit anderen<br />

Fördermitteln ist möglich.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 52<br />

Bund Förderprogramm Förderziel Zielgruppe Förderfähige Maßnahmen Art der Förderung Kontakt Bemerkung<br />

Kreditanstalt für<br />

Wiederaufbau (KfW)<br />

KfW-C02-Gebäudesanierungsprogramm<br />

.<br />

CO2-Minderung und<br />

Energieeinsparung in<br />

Wohngebäuden das<br />

Altbaubestandes mit<br />

einem Einspareffekt<br />

von mindestens 40kg<br />

CO 2 pro m² Gebäudenutzfläche<br />

A N und<br />

Jahr.<br />

Träger der Investitionsmaßnahmen an<br />

selbstgenutzten oder vermieteten<br />

Wohngebäuden. Z.B. Privatpersonen,<br />

Wohnungsunternehmen, Gemeinden,<br />

Kreise Gemeindeverbände, sonstige<br />

Körperschaften und Anstalten des<br />

öffentlichen Rechts.<br />

Im Maßnahmenpaket 4:<br />

U.a. Erdwärmetauscher, Wärmepumpen<br />

Anlagen zur Nutzung erneuerbarere<br />

Energien.<br />

Darlehen (Je nach CO2-<br />

Einsparung max. 250,- € / m²<br />

Wohnfläche).<br />

KfW Bankengruppe<br />

Beratungszentrum Berlin<br />

Behrenstraße 31<br />

10117 Berlin<br />

Telefon: (030) 2 02 64-50 50<br />

Fax: (030) 2 02 64-54 45<br />

http://www.kfw.de/DE/Bauen%20Wohnen<br />

%20Energiesparen/DieProgram13/CO2-<br />

Gebude27/Inhalt.jsp<br />

EU Förderprogramm Förderziel Zielgruppe Förderfähige Maßnahmen Art der Förderung Kontakt Bemerkung<br />

Europäische Union Nachhaltige<br />

Energiesysteme im<br />

Rahmen des 6.<br />

Forschungsrahmenprogramms.<br />

Unternehmen, Institutionen, öffentliche<br />

Körperschaften und Forschungseinrichtungen.<br />

Zuschuss.<br />

Reduzierung von<br />

Treibhaus- und<br />

Schadstoffgasen<br />

Sicherung der<br />

Energieversorgung<br />

verstärkter Einsatz<br />

erneuerbarere<br />

Energien<br />

Verbesserung der<br />

Wettbewerbsfähigkeit<br />

der europäischen<br />

Industrie.<br />

Innovative und kosteneffiziente technische<br />

Lösungen durch Demonstration und<br />

andere Forschungsaktivitäten.<br />

Technische, organisatorische , institutionelle,<br />

finanzielle und soziale Gesichtspunkte<br />

zur Gewährleistung einer schnellen<br />

Markteinführung<br />

Themen sind u.a.:<br />

Saubere Energie, insbesondere erneuerbare<br />

Energieträger und deren Integration<br />

in die Energiesysteme, einschließlich<br />

Speicherung, Verteilung und Nutzung,<br />

Energieeinsparungen und Energieeffizienz.<br />

Informationsstelle:<br />

Forschungszentrum Jülich GmbH<br />

Projektträger Jülich (PTJ)<br />

Herr Degenhard Peisker<br />

Herr Dr. Jörg Ehlers<br />

Grau Dr. Christiane Fricke<br />

Postfach 19 13<br />

52425 Jülich<br />

Tel: 02461 / 61-32 66 / 61-52 77 / 61-38 83<br />

Fax: 02461 /61-28 80<br />

Antragsstelle:<br />

Europäische Kommission<br />

RP6 – Forschungsvorschlag<br />

B – 1049 Brüssel<br />

Die Kumulierung mit anderen<br />

Fördermitteln ist möglich.<br />

Es werden größere Projekte<br />

gefördert.<br />

Europäischen<br />

Investitionsbank<br />

(EIB)<br />

Darlehen und<br />

Garantien der<br />

Europäischen<br />

Investitionsbank<br />

(EIB)<br />

Förderung ausgewogene<br />

Regionalentwicklung<br />

innerhalb<br />

der EU, deshalb<br />

Aktivitäten in wirtschaftlich<br />

schwächeren<br />

Regionen.<br />

Gewerbe, Organisationen und öffentliche<br />

Dienste.<br />

Darlehen (max. 50 % der<br />

Projektkosten).<br />

Europäische Investitionsbank<br />

100, Boulevard Konrad Adenauer<br />

L – 2950 Luxemburg<br />

Tel: 00352 / 4379-1<br />

Fax: 00352/4377-04<br />

Info@eib.org<br />

http://www.eib.org<br />

Vorrangig werden Projekte<br />

gefördert, an denen Partner aus<br />

verschiedenen europäischen<br />

Ländern beteiligt sind.<br />

IKB Deutsche Industriebank <strong>AG</strong><br />

Wilhelm-Bötzkes-Straße 1<br />

D – 40474 Düsseldorf<br />

Tel 0221 / 82 21-49 46; 46 74<br />

Fax:0211 / 82 21-25 59<br />

info@ikb.de<br />

http://www.ikb.de


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 53<br />

6. Schlussfolgerungen und Ausblick<br />

Die initiierende Fragestellung dieser Studie, ob es in der Seestadt Bremerhaven<br />

möglich und wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist, <strong>Abwasser</strong>wärme zur<br />

Gebäudebeheizung zu verwenden, lässt sich klar mit einem „Ja“ beantworten.<br />

Theoretisch könnten etwa 1/3 der Bremerhavener Haushalte aus den vorhandenen<br />

Kanälen mit Wärme versorgt werden. Aus dem Jahresabwasservolumenstrom kann<br />

bei einer optimistisch angenommenen Leistungszahl der Wärmepumpe von 5,0 eine<br />

verfügbare Gesamtnutzleistung von 4.600 kW bzw. einer Jahreswärmemenge von<br />

40 GWh ausgegangen werden.<br />

Das Ergebnis der Untersuchung der drei in den Fallbeispielen vorgeschlagenen<br />

Anlagenkonfigurationen aus Kapitel 4 zeigt, dass <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung bei<br />

entsprechender Auslegung sowohl betriebswirtschaftlich als auch hinsichtlich der<br />

ökologischen Betrachtung sinnvoll sein kann. Eins der Beispiele rechnet sich schon<br />

nach 4 Jahren, die anderen könnten durch Einwerben von Fördermitteln in Höhe von<br />

ca. 30% der Investitionssumme auf eine annehmbare Amortisationszeit von 6 Jahren<br />

gebracht werden.<br />

Die vorgestellte Leistungsbandbreite lässt zu, die <strong>Abwasser</strong>wärmeversorgung auch<br />

auf andere Gebäudestrukturen zu übertragen. Speziell die kleine Leistung der Anlage<br />

für das Schwimmbad ermöglicht die Übertragung der erzielten Ergebnisse sogar auf<br />

Privathäuser: Mit einer <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe in einer Größenordnung von 40 kW<br />

lassen sich beispielsweise sechs Einfamilienhäuser nach aktuellem Niedrigenergiestandard<br />

mit Wärme, sowohl für die Beheizung als auch für die<br />

Trinkwarmwasserbereitung, versorgen.<br />

Die folgende Checkliste gibt eine Übersicht zu den Kriterien die bei einem sinnvollen<br />

Einsatz von <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen zur Gebäudeheizung erfüllt sein sollten:<br />

• Kanalquerschnitt DN ≥ 600.<br />

• Pumpwerk mit großem Querschnitt des Zufuhrkanals (DN ≥ 600), mit großer<br />

Grundfläche im Pumpensumpf oder mit ausreichenden Platzverhältnissen zur<br />

Aufstellung eines externen Wärmetauschers.<br />

• <strong>Abwasser</strong>temperatur > 8 °C.<br />

• Ausreichende <strong>Abwasser</strong>menge (abhängig von der geforderten<br />

Wärmeleistung).<br />

• Stetiger <strong>Abwasser</strong>strom – bei Trennsystem kommen die Regenwasserkanäle<br />

nicht in Frage.<br />

• Geringer Abstand zwischen Wärmeangebot im Kanal und zu versorgendem<br />

Gebäude in bebauten Gebieten ca. 100 m, in unbebauten Gebieten bis<br />

500 m.<br />

• Abnehmer für die Wärme mit Bedarf an Niedertemperaturwärme. Wichtig<br />

zum Erreichen einer günstigen Leistungszahl der Wärmepumpe.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 54<br />

Aus der vorliegende Studie können interessante Fragestellungen für zukünftige<br />

Arbeiten abgeleitet werden. So könnten die Einsatzmöglichkeiten mit anderen<br />

Wärmepumpentypen, Blockheizkraftwerken oder auch die Ergänzung mit solarthermischen<br />

Anlagen überprüft werden. Auch ist die <strong>Abwasser</strong>wärmepumpe mit<br />

Direktverdampfer eine interessante Alternative.<br />

In Folge der Potenzialerhebung im Rahmen dieser Studie wäre es sinnvoll die Planung<br />

und Realisierung einer Pilotanlage durchzuführen, um weitere Erkenntnisse bei der<br />

praktischen Umsetzung zu gewinnen und die <strong>Abwasser</strong>wärmenutzung vom Land<br />

Bremen ausgehend in der Bundesrepublik Deutschland als alternative Technologie<br />

zur konventionellen Feuerungstechnik in der Gebäudeversorgung zu etablieren.


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 55<br />

Literaturverzeichnis<br />

• [ASUE 01]<br />

Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen<br />

Energieverbrauch e.V.: Heizung, Warmwasser und Lüftung im<br />

Neubau/Niedrigenergiehaus, Verlag Rationeller Erdgaseinsatz,<br />

Kaiserslautern, 2001<br />

• [BAD 03]<br />

• [BAE 96]<br />

• [BAU 03]<br />

http://www.baeder-bhv.de/<br />

H. D. Baehr: Thermodynamik, 9. Auflage; Springer Verlag; Berlin<br />

1996<br />

www.baulinks.de/webplugin/2003/1165.php4<br />

• [BEA 03] Interne Mitteilung: BEAN, Stand 30.7.2003<br />

• [BEG 00]<br />

Bremerhavener Entsorgungsgesellschaft mbH, Umwelterklärung<br />

2000, Bremerhaven<br />

• [BGB 03]<br />

• [BHV 01]<br />

• [BHV 03]<br />

[BRE 03]<br />

• [BUD 03]<br />

Informationen der Bädergesellschaft Bremerhaven mbH, Stand<br />

August 2003<br />

BiS Bremerhaven, Gewerbegebiete in Bremerhaven,<br />

http://www.bremerhaven.de/wirtschaft/gewerbegebiete/gewerbeueberscht.html,<br />

Bremerhaven, 2003<br />

Interne Mitteilung des Magistrats der Stadt Bremerhaven vom<br />

11.07.03<br />

Bremer Energie-Konsens, Präsentation beim „Werkstatt-Bericht<br />

Energie-Konsens“, 4.11.03<br />

Buderus Heiztechnik GmbH: Katalog Heiztechnik 2003/1, Band 2;<br />

Wetzlar<br />

• [BUR 01]<br />

W. Burkhardt; R. Kraus: Projektierung von Warmwasserheizungen,<br />

6. Auflage; Oldenbourg Industrieverlag, München, 2001<br />

• [DIM 01]<br />

www.dimplex.de


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 56<br />

• [DRE 85]<br />

P. Dreschmann; K. Pöppinghaus: Einsatzgrenzen bei der Nutzung<br />

der Wärme aus kommunalem <strong>Abwasser</strong> mittels Wärmepumpen,<br />

Forschungsbericht T85-074 Technologische Forschung und<br />

Entwicklung, Aachen, 1985<br />

• [DUN 03]<br />

Dunlop Design Engineering Ltd.: Kemco Wastewater Heat<br />

Recovery System, Northern Ireland, 2003<br />

• [EBB 03]<br />

• [EID 03]<br />

• [EOG 02]<br />

EBB GmbH: Interne Mitteilung vom 30.03.2003, Diagramm erstellt<br />

aus Messdaten der Entsorgungsbetriebe Bremerhaven,<br />

Bremerhaven, 2003<br />

www.eidenhammer.at/duschen.htm<br />

Bundesland Bremen: Einleitung von häuslichem und<br />

nichthäuslichem Schmutzwasser; Bremischen<br />

Entwässerungsortsgesetz EOG, § 7, § 8 und Anhang "Allgemeine<br />

Grenzwerte"; Bremen; 2002<br />

• [GFX 03]<br />

Ducette Industries, Inc.: Heat Recovery Systems,<br />

http://www.endlessshower.com/ York, GB, 2003<br />

• [GOT 03]<br />

R. Gottschalk: <strong>Abwasser</strong>wärme-gekoppelte Wärmepumpen-<br />

Energiequelle mit Zukunft?, in: Tagungsband, 3. Internationaler<br />

Kommunaler Klimaschutzkongress – Metzingen 2003, Ministerium<br />

für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg, 2003<br />

• [HOS 93]<br />

• [IZW 00]<br />

• [KLE 00]<br />

• [M<strong>AG</strong> 03]<br />

W. Bischof: <strong>Abwasser</strong>technik, B. G. Teubner Stuttgart, Stuttgart,<br />

1993<br />

R. Heidelck: Industrielle und gewerbliche Nutzung der<br />

Wärmepumpen; Informationszentrum Wärmepumpen und<br />

Kältetechnik, IZW e.V.; Nürnberg; 2000<br />

M. Kleemann, R. Heckler, G. Kolb, M. Hille: Die Entwicklung des<br />

Wärmemarktes für den Gebäudesektor bis 2050; FZ Jülich, Jülich,<br />

2000.<br />

Magistrat der Stadt Bremerhaven, Vermessungs- und<br />

Katasteramt, 2003<br />

• [MCN 03] Interne Mitteilung: M.C.N – Ingenieure, Bremen vom 27.10.2003


ea GmbH, prosys° GmbH Seite 57<br />

• [MÜL 02]<br />

E. A. Müller, W. Stodtmeister, B. Kobel: Wärmenutzung aus<br />

<strong>Abwasser</strong>kanälen- Eine neue regenerative Energiequelle mit<br />

großem wirtschaftlichem Potenzial in Deutschland, in: VDI-<br />

Berichte Nr. 1714, S.267-276, VDI-Verlag, Düsseldorf; 2002<br />

• [MÜL 03]<br />

E. A. Müller, W. Stodtmeister, B. Kobel: Heizen mit Wärme aus<br />

<strong>Abwasser</strong> - Regenerative Energiequelle mit großem Potenzial, in:<br />

Tagungsband, 3. Internationaler Kommunaler<br />

Klimaschutzkongress – Metzingen 2003, Ministerium für Umwelt<br />

und Verkehr Baden-Württemberg, 2003<br />

• [PIS 00]<br />

W. Pistohl: Handbuch der Gebäudetechnik, Bd. 2, 3. Auflage;<br />

Werner Verlag; Düsseldorf 2000<br />

• [RAB 02]<br />

Rabtherm GmbH Deutschland: Energie aus der Unterwelt,<br />

http://www.rabtherm.de/index.html, Kempten/Allgäu, 2002<br />

• [REC 03]<br />

• [STA 98]<br />

H. Recknagel, E. Sprenger, E. Schramek: Taschenbuch für<br />

Heizung + Klimatechnik 03/04, 71. Auflage; Oldenbourg<br />

Industrieverlag München; 2003<br />

Statistisches Landesamt Bremen: Aktuelle Statistiken, Umwelt;<br />

http://www.statistik.bremen.de/; Bremen; 1998<br />

• [STA 01] Statistisches Landesamt Bremen; Bremen; 2001<br />

• [STO 03]<br />

• [SWB 03]<br />

W. Stodtmeister, E. A. Müller, B. Kobel: <strong>Abwasser</strong>wärmepumpen<br />

– Ergebnisse erster Standortanalysen in Deutschland, in:<br />

Tagungsband, 3. Internationaler Kommunaler<br />

Klimaschutzkongress – Metzingen 2003, Ministerium für Umwelt<br />

und Verkehr Baden-Württemberg, 2003<br />

www.swb-bremerhaven.de/profil/default.htm<br />

• [WBA 01]<br />

• [WEI 87]<br />

• [WRS 03]<br />

www.gruneko.ch/de/downloads/wba_energyglobe.pdf<br />

S. Weiß (Hrsg.) u.a.: Verfahrenstechnische<br />

Berechnungsmethode, Teil 1 Wärmeübertrager; VCH<br />

Verlagsgesellschaft mbH; Weingarten; 1987<br />

www.bremerhaven-net.de/wrs/

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