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 />
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Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen<br />
Energieverbrauch e.V.: Heizung, Warmwasser und Lüftung im<br />
Neubau/Niedrigenergiehaus, Verlag Rationeller Erdgaseinsatz,<br />
Kaiserslautern, 2001<br />
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• [BAE 96]<br />
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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 />
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• [BEG 00]<br />
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2000, Bremerhaven<br />
• [BGB 03]<br />
• [BHV 01]<br />
• [BHV 03]<br />
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• [BUD 03]<br />
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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/