Wärmepotenzialabschätzung
Werbung
Technisches und wirtschaftliches Marktpotential der Wärmeenergienutzung aus dem Abwasser in Österreich Gesamtanalyse für Österreich und spezifische Analyse für zwei unterschiedliche Gemeinden Graz, 27.4.2007 Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 1 von 27 Impressum Grazer Energieagentur Ges.m.b.H. DI Gerhard Bucar DI (FH) Daniel Schinnerl Kaiserfeldgasse 13/I 8010 Graz Tel.: +43-316-811848-0 Fax: +43-316-811848-9 Email: [email protected] http://www.grazer-ea.at Diese Analyse wurde im Rahmen des Projektes „Waste Water Heat“ erstellt und wurde von der Europäischen Kommission im Rahmen der Programmlinie „Intelligent Energy Europe“ unterstützt. Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieser Analyse liegt bei den AutorInnen. Sie gibt nicht unbedingt die Meinung der Europäischen Gemeinschaften wieder. Die Europäische Kommission übernimmt keine Verantwortung für jegliche Verwendung der darin enthaltenen Informationen. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 2 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Inhaltsverzeichnis I English summary .......................................................................................... 4 II Theoretisch nutzbares Wärmepotential aus Abwasser in Österreich .... 6 II.1 Standortvoraussetzungen und nutzbare Abwassermengen ................................. 6 II.1.1 Standortvoraussetzungen....................................................................................... 6 II.1.2 Nutzbarer Abwasservolumenstrom ....................................................................... 6 II.1.3 Mittlerer Abwasservolumenstrom......................................................................... 7 II.1.4 Minimaler Abwasservolumenstrom ...................................................................... 8 II.2 Theoretisches Potential der Wärmenutzung aus dem Abwasser......................... 9 II.2.1 Mögliche Wärmeenergieleistung aus dem Abwasser ........................................... 9 II.2.2 Mögliche Wärmeenergieleistung durch Wärmepumpen..................................... 10 II.2.3 Mögliche Wärmemenge durch Wärmepumpen pro Jahr .................................... 11 II.3 Theoretisches Potential mit Schweizer Parametern ........................................... 11 III Theoretisch nutzbares Kühlpotential mit Abwasser in Österreich....... 13 III.1 Kältemarkt in Österreich ...................................................................................... 13 III.2 Theoretisch nutzbares Kühlpotential mit Abwasser in Österreich ................... 13 III.2.1 Mögliche Kühlleistung mit dem Abwasser durch Wärmepumpen ..................... 14 III.2.2 Mögliche Kühlenergie durch Wärmepumpen pro Jahr ....................................... 14 IV Potentielle Versorgung von Büro- und Wohnräumlichkeiten mit Wärme und Kälte ....................................................................................... 15 V Wirtschaftliches Potential.......................................................................... 16 V.1 Investitionspotential ............................................................................................... 16 V.2 Marktpotential für Wärmelieferung .................................................................... 17 VI Spezifische Potentialanalyse nach dem Schweizer System am Beispiel von zwei Gemeinden................................................................................... 18 VI.1 Beschreibung der Anforderungen zur Umsetzung dieses WärmepumpenSystems .................................................................................................................... 18 VI.1.1 Anforderungen an den Standort .......................................................................... 18 VI.1.2 Anforderungen an die Wohngebäude.................................................................. 19 VI.2 Gemeinde 1: Stadtgemeinde Gmünd, Österreich................................................ 19 VI.2.1 Beschreibung der Gemeinde ............................................................................... 19 VI.2.2 Beschreibung des Abwasser-Kanalsystems der Stadtgemeinde ......................... 20 VI.2.3 Ort, Größe und Zulaufanalyse der Abwasserreinigungsanlage........................... 20 VI.2.4 Berechnung der gesamten theoretischen Energiepotentials der Stadtgemeinde wie beschrieben in I ................................................................................................... 23 VI.2.5 Definition von möglichen Standorten von Abwasserwärmepumpen innerhalb der Stadtgemeinde ..................................................................................................... 25 VI.3 Gemeinde 2: Stadtgemeinde Leoben, Österreich ................................................ 25 VI.3.1 Beschreibung der Gemeinde ............................................................................... 25 VI.3.2 Ort, Größe und Zulaufanalyse der Abwasserreinigungsanlage........................... 25 Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 3 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich I English summary To get hold of the potential in Austria wastewater treatment plants with more than 4999 population equivalents have been considered. A continuous flow is needed in the sewage pipes to get a good efficiency of the wastewater heat pumps and therefore its not good using small systems. There are today 407 wastewater treatment plants in different cities and municipalities with more than 4999 population equivalents (each equivalent is calculated with 150 to 200 l/d). The wastewater consists of effluent of communal households, public institutions, trade and industry and all the amounts are converted to population equivalents. Therefore the sum of the population equivalents exceeds the sum of inhabitants of 8 million in Austria, and is 17.4 million wastewater inhabitant values. Wastewater treatment plants with more than 4.999 population equivalents in Austria: regions amount of WWTP > 4.999PE sum of PE of WWTP > 4.999 PE Burgenland Carinthia Lower Austria Upper Austria 31 20 111 68 29 79 767.982 1.085.825 3.198.190 2.932.623 1.349.838 1.803.095 Salzburg Styria Tirol 46 1.944.746 Vorarlberg Vienna 21 2 1.515.544 2.800.000 sum 407 17.397.843 The wastewater heat potential in Austria is estimated from the wastewater flow depending on the population equivalents. The average wastewater flow is about 108 700 m³/hour and the minimum wastewater flow is 49 000 m³/hour, which has to be taken into consideration. According to this figures there are good possibilities to use wastewater heat as a heat source with heat pumps in Austria. A total heat load of 150 MW can be reached by calculation with an average temperature reduction of 2 °C and a Seasonal Performance Factor (SPF) of heat pumps of 4. Depending on how the system is dimensioned (covering the whole heat load or only the base load) the heat potential with heat pumps in Austria is between 270 GWh/a and 450 GWh/a. The usage of waste water heat pump plants for heating and cooling is the best case to reach high yearly working hours for these investment intensive plants. Therefore a bivalent usage of waste water heat pump plants is recommended. The basis for the calculation of the potential is a temperature rising of 4 to 8 °C, because water can be discharged into the waste water system up to 30 °C. This leads to a potential cooling load between 302 MW and 605 MW and a cooling energy between 181 GWh/a und 363 GWh/a. These heating and cooling potentials can cover the heating demand of between 2 mill. m² and 3.4 mill. m² floor area of office buildings, cooling demand of between 5.8 mill. m² and 11.7 mill. m² floor area of office buildings, Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 4 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich heating demand of between 2.7 mill. m² and 4.5 mill. m² floor area of residential buildings, which means 27,600 and 46,000 flats in average. The economical potential is calculated by figures of different realized plants in Austria, Germany and Switzerland. In average the investment costs of waste water heat pump plants is 2,100 €/kW per installed peak load. The average price for heat supply is 0,063 €/kWh including costs of operating, consumables and investment according to some examples. Leading to a economic potential of between 638 mill. € and 1,276 mill. € investment, depending on a heating and cooling load from 302,4 MW to 604,8 MW, between 28.6 mill. € and 51.4 mill. € heat and cold supply, depending on a heating and cooling energy from 454 GWh/a to 817 GWh/a. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 5 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich II Theoretisch nutzbares Wärmepotential aus Abwasser in Österreich In diesem Kapitel wird das theoretisch nutzbare Wärmepotential aus den Abwässern. die in Österreich in die öffentlichen Kanalisationssysteme eingeleitet werden, ermittelt. Dafür werden zuerst die nutzbaren Abwassermengen, welche gewissen Standortvoraussetzungen unterliegen, ermittelt und dann daraus das Wärmepotential errechnet. II.1 Standortvoraussetzungen und nutzbare Abwassermengen II.1.1 Standortvoraussetzungen Für die Wärmenutzung aus dem Kanal gilt als vereinfachtes Anforderungskriterium ein minimaler Kanaldurchmesser von 800 mm. In diesen Kanälen können einerseits die Wärmeübertrager von Baufachleuten installiert werden, andererseits verfügen sie in der Regel über ein ausreichendes Wärmeangebot im Abwasser. Solche Kanäle sind in der Regel in Gemeinden mit mehr als ca. 3.000 Einwohnern vorhanden. In diesen Gemeinden sind auch größere Gebäude in der Nähe dieser Kanäle zu finden. Die speziellen Wärmeübertrager aus Edelstahl werden auf die Sole der Kanäle montiert. Die Wärmeübertrager können problemlos in runde, ovale oder rechteckige Kanäle installiert werden, unabhängig ob es sich um bestehende Kanäle handelt, oder solche die saniert oder neu gebaut werden müssen. Bei der Kanalvariante müssen im Vorfeld die Anforderungen der Kläranlagen bezüglich der minimalen Temperatur des Abwassers von Fachleuten abgeklärt werden. Bei Kläranlagen mit mehr als rund 3000 angeschlossenen Einwohnern gibt es in der Praxis aber selten Probleme. [Müller, E.A.: Abwasserwärmenutzung in der Schweiz, Erfahrungen konkreter Objekte und Einsatzmöglichkeiten. 2003.] II.1.2 Nutzbarer Abwasservolumenstrom Aus dem Gesamtverzeichnis der österreichischen Kläranlagen vom Umweltbundesamt wurde ein Verzeichnis erstellt, dass alle Kläranlagen deren Kapazität 4.999 EW übersteigt enthält und in dessen Kanalsystemen somit eine Wärmenutzung möglich ist. Die untenstehende Tabelle zeigt, dass in mindestens 407 österreichischen Städten und Gemeinden die Möglichkeit zur Abwasserwärmenutzung besteht. Diese Anzahl an Kläranlagen überschreitet die Kapazität von 4.999 EW, womit auch hohe Abwasservolumenströme garantiert sind, die die Wärmenutzung ermöglichen. Die Einwohnergleichwerte setzen sich aus allen angeschlossenen Einleitern zusammen. Neben Haushalten leiten auch Tourismusbetriebe sowie Industrie und Gewerbe große Mengen an Abwasser in die kommunale Kanalisation ein. Aus diesem Grund übersteigt die Summe der Einwohnergleichwerte die Bevölkerungszahl Österreichs. [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 6 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Abwasserreinigungsanlagen > 4.999 EW in Österreich: Bundesland Anzahl der ARA >4.999EW Summe EW der ARA >4.999EW Bgld 31 767.982 Ktn 20 1.085.825 NÖ 111 3.198.190 OÖ 68 2.932.623 Sbg 29 1.349.838 Stmk 79 1.803.095 Tirol 46 1.944.746 Vbg 21 1.515.544 Wien 2 2.800.000 Summe 407 17.397.843 Mit dieser Summenkapazität der Abwasserreinigungsanlagen > 4.999 EW kann der Tagesabfluss und infolge der mittlere Abwasservolumenstrom ermittelt werden. II.1.3 Mittlerer Abwasservolumenstrom Der Abwasservolumenstrom in Kanalisationen setzt sich aus dem Schmutzwasseranfall, Fremdwasseranfall und Regenwasseranfall zusammen. Da Regenwasser nicht kontinuierlich anfällt, ist es für die Abwasserwärmenutzung nicht relevant. In diesem Zusammenhang darf nur der Trockenwetterabfluss betrachtet werden. Als Schmutzwasser bezeichnet man häusliches Abwasser bzw. Abwasser aus Industrie und Gewerbe. Täglich fallen zwischen 130 und 150 Liter Schmutzwasser pro Einwohner an. Fremdwasser ist Wasser, das grundsätzlich nicht in die Kanalisation eingeleitet werden sollte. Dies kann sauberes Grund- und Quellwasser sein, das durch undichte Kanäle eintritt oder Wasser aus Dränagen und Entwässerungsgräben. Aber auch durch Schachtdeckel tritt Fremdwasser in die Kanalisation ein. Rechnet man den Schmutz- und Fremdwasseranfall zusammen, so ergibt sich ein Tagesabfluss bei Trockenwetter von ca. 150 bis 200 Liter pro Einwohner. Mit Hilfe dieses Tagesabflusswertes kann der mittlere, und infolge auch der minimale Abwasservolumenstrom errechnet werden: Berechnung des mittleren Abwasservolumenstromes in den Kanalisationen der österreichischen Kläranlagen deren Kapazität 4.999 EWG übersteigt: [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 7 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich II.1.4 Minimaler Abwasservolumenstrom Der minimale Abwasservolumenstrom stellt die bedeutendste Größe für die Wärmegewinnun aus dem kommunalen Abwasserkanal dar. Dieser Wert bildet die Berechnungsgrundlage für die mögliche Wärmeentzugsleistung. Die Veränderungen des Schmutzwasserabflusses im Laufe eines Tages werden in erster Linie durch den unterschiedlichen Wasserverbrauch beeinflusst. Die Spitzen des Abflusses sind jedoch geringer als die Spitzen des Verbrauchs, weil sie bei zunehmender Fließweglänge die ausgleichende Wirkung der Retention und der Überlagerung vieler Einzeleinleitungen bemerkbar macht. Die stündlichen Schwankungen hängen wesentlich von der Gemeindegröße ab. In kleineren Ortschaften sind Tagesspitze und Nachtminimum stark ausgeprägt, während Großstädte einen wesentlich gleichförmigeren Abfluss aufweisen. Der Wert des minimalen Abwasservolumenstromes beträgt näherungsweise ein Fünfzigstel der gesamten Tagesabflussmenge, dh ca. einen Anteil von 48% am mittleren Abwasservolumenstrom. [Abwassertechnische Vereinigung: ATVHandbuch Planung der Kanalisation. 1994.] Für die Berechnungen wird der minimale Abwasservolumenstrom mit 45% des mittleren Abwasservolumenstromes angenommen, da in Österreich großteils Kläranlagen mit wenigen Einwohnergleichwerten existieren und deren Zufluss größeren Schwankungen unterliegen. Nachdem eine Abhängigkeit vom Einzugsgebiet besteht, ist diese Annahme nicht allgemein gültig. Der Gültigkeitsbereich wird auf die hier betrachteten Einzugsgebiete in der Größe von über 5.000 Einwohnergleichwerten eingeschränkt. Berechnung des minimalen Abwasservolumenstromes in den Kanalisationen der österreichischen Kläranlagen deren Kapazität 4.999 EWG übersteigt: [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 8 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich II.2 Theoretisches Potential der Wärmenutzung aus dem Abwasser Abwasser stellt als Energiequelle und -senke ein riesiges Potential dar. Auf kommunaler Ebene fallen große Mengen an häuslichen, kommunalen und gewerblichen sowie industriellen Abwässer an und werden den Abwasserreinigungsanlagen zugeführt. Die Abwassertemperatur in kommunalen Kanalsystemen bewegt sich zwischen 8 °C und 22 °C, die Jahresmitteltemperatur beträgt ca. 15 °C. Auch im Winter besitzt kommunales Abwasser im Kanal vor direkter Einleitung in die Klärsysteme Temperaturen von ca. 8 bis 10 °C mit steigender Temperatur zu den Einleitern. Um die nachfolgenden, biologischen Klärprozesse bei der Wasseraufbereitung nicht zu behindern, sollte die Mindesttemperatur des Abwassers beim Eintritt in die Kläranlage von 8 °C nicht dauerhaft unterschritten werden bzw. es muss sichergestellt sein, dass sich die Unterschreitung bis zum Eintritt des Abwasserstromes in die Kläranlage wieder ausgeglichen hat. Zu diesem Temperaturausgleich kommt es durch den Wärmeaustausch zwischen dem Abwasser im Kanal und dem umgebenden Erdreich bzw. durch die Einleitung „warmer“ Abwasserströme. Praxiserfahrungen aus der Schweiz zeigen, dass bei Kläranlagen mit mehr als rund 3.000 angeschlossenen Einwohnern in der Regel keine Probleme auftreten. In Mischwassersystemen beeinflussen starke Niederschläge deutlich die Abwassertemperatur im Kanal. In Abhängigkeit der Niederschlagstemperatur erwärmt sich das Abwasser bzw. kühlt es sich ab. [Schreier, J.: Wärme aus Abwasser, TGA Fachplaner, Heft 10. 2003.] II.2.1 Mögliche Wärmeenergieleistung aus dem Abwasser Die Ermittlung der Wärmeenergieleistung (Wärmeentzugsleistung) aus dem Abwasser erfolgt aus der Formel für die Wärmemenge. Diese wurde gemäß unseren Bedürfnissen umgeformt. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 9 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Den Umformungen liegen folgende Annahmen zugrunde: Die spezifische Wärmekapazität des Abwassers wurde mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser 1,16 [kWh/(m³K)] angenommen. Diese wurde umgeformt aus der spezifische Wärmekapazität des Wassers in [kJ/(kgK)] auf [kWh/(m³K)], indem man sie durch 3.600 [s/h] dividiert hat und mit der Dichte von 1.000 [kg/m³] multipliziert hat. Tatsächlich ist die spezifische Wärmekapazität des Abwassers kleiner als die des Wassers, da es mit Stoffen geringerer Wärmekapazität verunreinigt ist. Das Abwasser kann zwischen 2 und 4 Kelvin abgekühlt werden. Zur Potentialermittlung wird der angenommene Wert von 2,3 [kWh/m³] als spezifischer, nutzbarer Wärmeinhalt für Abwasser herangezogen. [Studer, U.: Präsentation: Wärmenutzung aus Abwasser, Rabtherm AG. 2004.] Mit Hilfe des Wertes für den minimalen Tagesabfluss kann die mögliche Wärmeenergieleistung (Wärmeentzugsleistung) aus der Kanalisationen, der österreichischen Kläranlagen deren Kapazität 4.999 EWG übersteigt, berechnet werden: [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] II.2.2 Mögliche Wärmeenergieleistung durch Wärmepumpen Zur Berechnung der möglichen Wärmeenergieleistung ist eine Annahme für die Leistungszahl der Wärmepumpe [COP] notwendig. Aufgrund von Veröffentlichungen vom Österreichischen Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) kann eine durchschnittliche Leistungszahl von 4 für neu installierte Wasser/Wasser Wärmepumpen angenommen werden [Faninger, Gerhard: Der Wärmepumpenmarkt in Österreich 2004. April 2005]. Die BerechGrazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 10 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich nung der Wärmeenergieleistung der Wärmepumpe aus Abwasser in den Kanalisationen, der österreichischen Kläranlagen deren Kapazität 4.999 EWG übersteigt, erfolgt nach folgender Gleichung. PWP = PAW * COP 112.542kW * 4 = = 150.056kW COP − 1 4 −1 Das Ergebnis der Potentialermittlung zeigt, dass in Österreich eine Wärmeleistung von ca. 150 MW durch die thermische Nutzung des Abwassers bereitgestellt werden kann. [Grazer Energieagentur] II.2.3 Mögliche Wärmemenge durch Wärmepumpen pro Jahr Beabsichtigt man die gesamte nutzbare Wärmemenge, die dem Abwasser in Österreich zum Zweck der Raumheizung und Warmwasserbereitung entzogen werden kann, zu berechnen, so ist als Berechnungsgrundlage die mögliche Wärmeenergieleistung (Entzugsleistung) in Verbindung mit den Jahresbetriebsstunden der Wärmepumpen heranzuziehen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Potentialermittlung für den Zeitraum der Heizsaison sowie für die Warmwasserbereitung erfolgt. Wärmepumpenheizungen werden so geplant, dass sie jährlich zwischen 1800 und 2000 Stunden [bWPa] in Betrieb sind, um den Wärmebedarf von Gebäuden zu decken. Die gesamte Wärmemenge, die dem Abwasser in österreichischen Kanalisationen durch Wärmepumpen entzogen werden kann, berechnet sich nach folgender Gleichung: [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] Aufgrund von Veröffentlichungen vom Österreichischen Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) kann eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl von 4 für neu installierte Wasser/Wasser Wärmepumpen angenommen werden [Faninger, Gerhard: Der Wärmepumpenmarkt in Österreich 2004. April 2005]. Die Jahresarbeitszahl beschreibt das Verhältnis aus Nutzenergie zur Antriebsenergie der Wärmepumpe betrachtet über eine gesamte Jahresperiode, auch Seasonal Performance Factor [SPF] genannt. Mit dieser Angabe kann die Jahreswärmemenge, die durch Wärmepumpen bereitgestellt werden kann, nach folgender Gleichung berechnet werden: QWP = Q AWa * SPF 202,6GWh * 4 = = 270,1GWh SPF − 1 4 −1 [Grazer Energieagentur] II.3 Theoretisches Potential mit Schweizer Parametern Bei der Untersuchung des Wärmepotentials ist Hr. Glasner von der Annahme ausgegangen, dass der gesamt Wärmebedarf eines Haushaltes von Abwasser-Wärmepumpen gedeckt wird. In der Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 11 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Schweiz ist es aber üblich, dass solche Wärmepumpen nur die ca. 70 % des Wärmebedarfs decken und der Bedarf an Spitzenlast mit anderen Wärmequellen abgedeckt wird. Eine Auswirkung dessen ist, dass zB eine bessere Auslastung der Wärmepumpe erreicht wird. Wenn man für die Potentialermittlung in Österreich die Werte von 3.000 Jahresbetriebsstunden nimmt, so kann eine Wärmemenge von mindestens 450 GWh aus dem Abwasser zur Verfügung gestellt werden. [Grazer Energieagentur] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 12 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich III Theoretisch nutzbares Kühlpotential mit Abwasser in Österreich III.1 Kältemarkt in Österreich Über den Kältemarkt in Österreich gibt es kaum fundierte Daten. Aus Ländern mit einem entwickelten Kältemarkt zeigt sich, dass dieser in der Größenordnung bis zu 30% des bestehenden Wärmemarktes (Raumheizung, Warmwasser) liegen kann. Da diese Daten zum Teil aus südlichen Ländern stammen, wird für Österreich ein theoretisches Gesamtpotential von 10% des Raumwärmebedarfs als reines Potential für Klima (Raumkühlung) für diese Analyse abgeschätzt. Der unten angegebene Werte des Nutzenergieeinsatzes für Raumheizung, Klima, Warmwasser verteilt sich auf Land- und Forstwirtschaft mit 2,0%, dem produzierenden Bereich mit 18,4%, private Dienstleistung und öffentlicher Bereich mit 16,7% und dem größten Anteil auf private Haushalte mit 62,9%. Nutzenergieeinsatz in Österreich 2002 für Raumheizung, Klima und Warmwasser (ohne elektrische Energie): davon 10 % als Potential für Raumkühlung ca.: 80.268 GWhth/a 8.000 GWhth/a Derzeit ist ein Trend zu beobachten, dass bei Raumkühlung elektrische angetriebene Kältemaschinen geringer Leistung verwendet werden. [E-Bridge Consulting GmbH: Studie über KWK-Potentiale in Österreich. 2005] III.2 Theoretisch nutzbares Kühlpotential mit Abwasser in Österreich Wie zuvor beschrieben ist also in Österreich ein durchaus großer Kältemarkt vorhanden. Das Kühlpotential beschränkt sich daher durch die technischen und gesetzlichen Möglichkeiten von Wärmepumpen Wärme aus Gebäuden dem Abwasser zuzuführen. Die Berechnung des Kühlpotentials erfolgt deshalb in gleicher Weise wie zuvor die Berechnung des Wärmepotentials in Punkt I. Als Grundlage für die Berechnung gilt wieder der in Punkt II.1.4 errechnete minimale Abwasservolumenstrom von 48.931 m³/h. Das Schmutzwasser hat beim Austritt aus den Häusern eine mittlere Temperatur von über 25°C, in der Kanalisation im Jahresdurchschnitt 15°C, im Sommer 18-22°C, im Winter 10-12°C [Studer, U.: Eine Alternative zur Wärmeenergieversorgung in Städten, Rabtherm AG. 2002]. Gemäß Österreichischem Wasserrechtsgesetz 1959 idF BGBl. Nr. 82/2003 darf Abwasser in die Kanalisation von bis zu 35 °C und in Fließgewässern mit einer Temperatur von bis zu 30 °C eingeleitet werden. Bei unserer Potentialerrechnung haben wir deshalb eine Temperaturerhöhung des Abwassers um 4 bis 8 °C angenommen. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 13 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Als durchschnittliche Volllastbetriebsstunden für Wärmepumpen, welche zur Kühlung eingesetzt werden, können 600 h/a angenommen werden. [Recknagel, et al: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik.] Zusammenfassung der Parameter zur Kühlpotentialermittlung: minimaler Abwasservolumenstrom 48.931 m³/h 4 - 8 K mögliche Temperaturerhöhung des Abwassers Betriebsstunden 600 h/a Die restlichen Berechnungsparameter sind wie im Punkt II.2 beschrieben. [Grazer Energieagentur] III.2.1 Mögliche Kühlleistung mit dem Abwasser durch Wärmepumpen Die Ermittlung der Kühlleistung (Leistung der Wärmezufuhr) mit dem Abwasser erfolgt aus der Formel für die Wärmemenge, die dem Abwasser zugeführt werden kann, und aus der Formel, die die Leistung der Wärmepumpe errechnet. und PWP = PAW * COP COP − 1 Die Temperatur des Abwassers kann zwischen 4 und 8 K erhöht werden und die Leistungszahl wird mit 4 angenommen. Das ergibt eine mögliche Kühlleistung die mit Abwasser als Wärmesenke und durch Wärmepumpen erreicht werden kann zwischen 302,4 MW und 604,8 MW. [Grazer Energieagentur] III.2.2 Mögliche Kühlenergie durch Wärmepumpen pro Jahr Die Ermittlung der Kühlenergie (Wärmeenergiezufuhr an das Abwasser) erfolgt aus den Angaben der Jahresbetriebsstunden und der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen, die zu Kühlzwecken verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Jahresarbeitszahl (SPF) für Kühlzwecke gleich ist wie die Jahresarbeitszahl von 4, die für Wasser/Wasser Wärmepumpen angenommen werden kann. und QWP = Q AWa * SPF SPF − 1 Aus diesen Angaben ergibt sich eine Kühlenergie die mit Abwasser als Wärmesenke und durch Wärmepumpen pro Jahr in Österreich erzeugt werden kann zwischen 181,4 GWh/a und 362,9 GWh/a. [Grazer Energieagentur] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 14 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich IV Potentielle Versorgung von Büro- und Wohnräumlichkeiten mit Wärme und Kälte Damit das in den Kapiteln I und III ermittelte Wärme- und Kältepotential leichter vorstellbar und auch leichter vergleichbar wird, wird in diesem Kapitel das Energiepotential mit durchschnittlichen Energieverbrauchskennzahlen verglichen. Gebäude, die sowohl eine Wärmebedarf im Winter als auch einen Kältebedarf im Sommer haben, stellen die beste Möglichkeit dar, Abwasserwärmepumpen einzusetzen. Bei einer solchen bivalenten Anwendung kann davon ausgegangen werden, dass eine hohe Jahresausnutzung (hohe Jahresbetriebsstunden) erreicht wird und somit die investitionsintensiven Anlagen optimal genutzt werden. Bürogebäude stellen somit die ideale Vergleichsgröße für die Anwendung von Abwasserwärmepumpen zur Heizung und Kühlung dar. Die durchschnittlichen Energieverbrauchskennzahlen für Bürogebäude in Österreich sind: 132,0 kWh/m²a Wärmebedarf bezogen auf die Bruttogeschoßfläche [Grazer Energieagentur: Ecofacility Benchmarks. 2006.] 31,0 kWh/m²a Kältebedarf bezogen auf die Bruttogeschoßfläche [Enquiries Bureau BRECSU: Energy Consumption Guide 19.] Diese Kennzahlen verglichen mit den zuvor errechneten Wärme- und Kälteenergiepotentiale ergeben eine potentielle Versorgung von Büroflächen im Ausmaß von: Wärmeversorgung zwischen ca. 2 Mio. m² und 3,4 Mio. m² BGF Bürofläche Kälteversorgung zwischen ca. 5,8 Mio. m² und 11,7 Mio. m² BGF Bürofläche Die meisten bisherigen Beispielanlagen wurden im Wohnungssektor realisiert. Deshalb kann auch das Wärmepotential mit Energieverbrauchskennzahlen aus dem Wohnungssektor verglichen werden. Wohnungen haben in der Regel keinen Kühlbedarf. Der durchschnittliche Wärmebedarf von Wohnungen in Österreich ist: 101,5 kWh/m²a Wärmebedarf bezogen auf die Nutzfläche, gewichtet nach dem derzeitigem Wohnungsbestand [Jungmeier, et al: GEMIS-Österreich. und Statistik Austria: Wohnungen 2005.] Diese Kennzahl verglichen mit dem zuvor errechneten Wärmeenergiepotential ergibt eine potentielle Wärmeversorgung von Wohnflächen im Ausmaß von: zwischen 2,7 Mio. m² und 4,5 Mio. m² Nutzfläche Wohnfläche, zwischen 27.600 und 46.000 Wohnungen, bei durchschnittliche 97,0 m² Nutzfläche pro Wohnung in Österreich, und das ergibt zwischen 0,8 und 1,3 % des derzeitigen Wohnungsbestandes in Österreich von 3.476.000 Wohnungen [Statistik Austria: Wohnungen 2005.] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 15 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich V Wirtschaftliches Potential V.1 Investitionspotential Die durchschnittlichen Investitionskosten und das Investitionspotential des Marktes, welches sich daraus errechnet, sind besonders für die verschiedenen Marktakteure interessant. Deshalb wurden aus Daten von bestehenden Anlagen Durchschnittszahlen errechnet und diese mit dem Marktpotential in Verbindung gesetzt. Investitionskosten gesamt Wien MA 30, Österreich Zwingen, Schweiz Schaffhausen, Schweiz Luzern, Schweiz Worb Binningen, Schweiz 2.301,76 2.617,19 2.080,00 1.802,33 1.931,82 1.921,05 €/kW €/kW €/kW €/kW €/kW €/kW Durchschnittliche Investitionskosten pro kW Leistung 2.109,02 €/kW Bei den angegebenen Durchschnittszahlen handelt es sich um die gesamten Investitionskosten inklusive der Kosten für Planung, Projektabwicklung, Wärmepumpe, Wärmetauscher und Montage. Wie bereits erwähnt stellen Gebäude, die sowohl eine Wärmebedarf im Winter als auch einen Kältebedarf im Sommer haben, die beste Möglichkeit dar, Abwasserwärmepumpen einzusetzen. Bei einer solchen bivalenten Anwendung kann davon ausgegangen werden, dass die investitionsintensiven Anlagen optimal genutzt werden. Aus diesem Grund wird auch bei der Investitionspotentialermittlung das höhere Leistungspotential der Kühlung verwendet. Das Investitionspotential für bivalente Wärmepumpen zur Deckung des Wärme- und Kältebedarfs in Österreich ist demnach: zwischen 638 Mio. € bei einer Wärme- und Kälteleistung ab 302,4 MW und 1.276 Mio. € bei einer Wärme- und Kälteleistung von bis zu 604,8 MW [Bremerhavener Energiemanagement-Agentur, Prosys: Potenzialstudie zur Abwasserabwärmenutzung in Bremerhaven. 2004] [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] [Grazer Energieagentur] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 16 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich V.2 Marktpotential für Wärmelieferung Auch das wirtschaftliche Marktpotential für die Wärmelieferung aus Wärmepumpenanlagen ist eine interessante Größe, besonders für Contractoren Unternehmen, die sich auf die Lieferung von Wärme und Kälte spezialisiert haben. Aus diesem Grund wurde ein Durchschnittswert aus Daten von verschiedenen Beispielen aus der Schweiz errechnet: Wärmepreis Muri, Schweiz Wipkingen, Zürich Luzern, Schweiz Binningen, Schweiz 0,056 0,053 0,084 0,059 €/kWh €/kWh €/kWh €/kWh Durchschnittlicher Wärmepreis 0,063 €/kWh Bei den angegebenen Durchschnittszahlen handelt es sich um gesamte Wärmepreise pro gelieferte Energiemenge inklusive aller Betriebskosten, Verbrauchskosten und Investitionskosten. Der durchschnittliche Wärmepreis ist mit ungefähr 6,3 Cent pro kWh durchaus geringer als bei manchen anderen Energieformen. Aus Gründen der Einfachheit und der technischen Ähnlichkeit der Erzeugung von Wärme und Kälte wird der gleiche Preis für Wärme- und Kältelieferung angesetzt. Das gesamte Marktpotential für Wärme- und Kältelieferung bivalenter Anlagen errechnet sich also aus dem Produkt des Wärmepreises mit der gesamten möglichen Wärme- und Kälteenergie aus Abwasser in Österreich: zwischen 28,6 Mio. € bei einer möglichen Wärme- und Kälteenergie ab 454 GWh/a und 51,4 Mio. € bei einer möglichen Wärme- und Kälteenergie bis zu 817 GWh/a. [Bremerhavener Energiemanagement-Agentur, Prosys: Potenzialstudie zur Abwasserabwärmenutzung in Bremerhaven. 2004] [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] [Grazer Energieagentur] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 17 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich VI Spezifische Potentialanalyse nach dem Schweizer System am Beispiel von zwei Gemeinden In diesem Kapitel erfolgt eine spezifische Analyse des Potentials in zwei unterschiedlichen Gemeinden nach dem Schweizer System, des Einsatzes von Abwasserwärmepumpenanlagen zur Wärmegewinnung für Wohngebiete. VI.1 Beschreibung der Anforderungen zur Umsetzung dieses Wärmepumpen-Systems VI.1.1 Anforderungen an den Standort Zur Wärmeversorgung aus Abwasser kommen vor allem Gebäude in Betracht, die nahe am Abwasserkanal liegen, da hier die wenigsten Übertragungsverluste auftreten und die Kosten für die Wärmezu- und abführung am geringsten sind. Insbesondere in bebauten Gebieten sollten die Gebäude aus wirtschaftlichen Gründen nicht weiter als einige 100 m vom Kanal entfernt liegen. Die Abwasserwärmenutzung in unmittelbarer Nähe von Kläranlagen wird praktisch nicht angewendet. Selten wird die Wärme direkt vor der Kläranlage entzogen, weil dies die Arbeitsfähigkeit der Bakterien in den biologischen Klärstufen beeinträchtigen würde. Viel mehr wird dem aufbereiteten Abwasser nach dem Klärprozess Wärme für den Bedarf der Kläranlage entzogen, entweder zur Beheizung der Betriebsgebäude oder als Prozesswärme zur Erwärmung der biologischen Klärstufen. Trotzdem ist es natürlich möglich z.B. auch Gebäude benachbarter Industriebetriebe mit Wärme aus dem geklärten Abwasser zu versorgen, sofern in der Kläranlage ein entsprechender Überschuss besteht. Kläranlagen befinden sich aufgrund möglicher Geruchsbelästigung und wegen des Platzbedarfes in aller Regel in einiger Entfernung zu Wohnsiedlungen und Stadtzentren. Dies schränkt die Möglichkeiten stark ein, im Bereich von Kläranlagen zurück gewonnene Wärme für die Beheizung von Wohnungen und zur Trinkwarmwasserbereitung zu verwenden. [Kruse: Potentialstudie zur Abwasserabwärmenutzung in Bremerhaven, Bremer EnergieKonsens. 2004.] Checkliste Die folgende Checkliste gibt eine Übersicht zu den Kriterien die bei einem sinnvollen Einsatz von Abwasserwärmepumpen zur Gebäudeheizung erfüllt sein sollten: - Kanalquerschnitt DN ≥ 800 - Pumpwerk mit großem Querschnitt des Zufuhrkanals (DN ≥ 600), mit großer Grundfläche im Pumpensumpf oder mit ausreichenden Platzverhältnissen zur Aufstellung eines externen Wärmeübertragers. - Abwassertemperatur > 8 °C. - Ausreichende Abwassermenge (abhängig von der geforderten Wärmeleistung): Einzugsgebiet Abwassersammlung > 3000 EW, Abwasservolumenstrom > 34 m³/h - Stetiger Abwasserstrom – bei Trennsystem kommen die Regenwasserkanäle nicht in Frage. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 18 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich - Geringer Abstand zwischen Wärmeangebot im Kanal und zu versorgendem Gebäude in bebauten Gebieten ca. 100 m, in unbebauten Gebieten bis 500 m. - Abnehmer für die Wärme mit Bedarf an Niedertemperaturwärme (< 40 °C). Wichtig zum Erreichen einer günstigen Leistungszahl der Wärmepumpe. VI.1.2 Anforderungen an die Wohngebäude Für die Wirtschaftlichkeit der Anlage sind die Distanz, die Leitungsführung (Leitungen in unüberbauten Gebieten ohne Hindernisse sind kostengünstiger) und die Größe der Abnehmer entscheidend (mind. 100-200 kW). Je nach Siedlungsstruktur können an eine Wärmepumpenheizzentrale mehrere Einheiten (mehrere bestehende Gebäude oder bei Neubaugebieten mehrere größere Objekte oder auch mehrere Einfamilienhäuser) angeschlossen werden. [Müller, E.A.: Abwasserwärmenutzung in der Schweiz, Erfahrungen konkreter Objekte und Einsatzmöglichkeiten. 2003.] Für den Einsatz einer Wärmepumpe allgemein ist die Vorlauftemperatur der Heizanlage zu beachten. Hohe Vorlauftemperaturen von 80 °C und mehr, wie sie in Altbauten teilweise üblich sind, lassen sich nur schwer realisieren. Neubauten mit niedrigen Vorlauftemperaturen sind besser geeignet. Die Wahl einer niedrigen Vorlauftemperatur ist notwendig, um überhaupt eine Wärmepumpe bei einer günstigen Leistungszahl betreiben zu können, da deren Effizienz umso größer ist, je kleiner der Temperaturhub von Quellentemperatur zur Vorlauftemperatur ausfällt. Dieses Kriterium erfordert speziell bei Altbauten eine Umstellung des Wärmeverteilungssystem im Gebäude auf ein Niedertemperatursystem. Andererseits ist die Abwasserwärmepumpe besonders für Neubauten geeignet, die ohnehin mit Niedertemperaturheizungen ausgestattet werden. Neben der Versorgung mit Wärme kann über Wärmepumpen die sozusagen „invers“ betrieben werden, auch Kälte zur Klimatisierung zur Verfügung gestellt werden. Dies ist gerade für neuere Gebäude mit geschlossener Gebäudehülle interessant, in denen zur Raumklimatisierung auch die Nachfrage nach Kälte gegeben ist. [Kruse: Potentialstudie zur Abwasserabwärmenutzung in Bremerhaven, Bremer EnergieKonsens. 2004.] VI.2 Gemeinde 1: Stadtgemeinde Gmünd, Österreich VI.2.1 Beschreibung der Gemeinde Die Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) weist eine Kapazität von 50.000 Einwohnergleichwerten (EW60) auf. Das Kanalsystem sammelt die Abwässer aus den Gemeinden Amaliendorf-Aalfang, Brand-Nagelberg, Gmünd, Großdietmanns, Heidenreichstein und Schrems und führt es der Kläranlage Gmünd zu. Das bestehende Einzugsgebiet der Stadtgemeinde Gmünd wird zum Großteil nach dem Mischverfahren entwässert. Künftige Erweiterungen der Ortskanalisation Gmünd wie in der Industriezone an der B41 und Lainsitzweg, der nordöstliche Teil des Siedlungsgebietes Böhmzeil sowie Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 19 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich entlang der Schremser Straße bis Haid und dem Siedlungsbereich Grilleristein, Eibenstein und Breitensee sollen nach dem Trennverfahren aufgeschlossen werden bzw. wurden bereits im Trennsystem errichtet. Als Vorfluter für die Regenentlastungen und für Verbandskläranlage dienen der Braunaubach und die Lainsitz. [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.2.2 Beschreibung des Abwasser-Kanalsystems der Stadtgemeinde Das Abwasser gelangt über die zwei Hauptsammler (Nord I und Süd) zum Hauptpumpwerk auf dem Gelände der „alten Kläranlage“ in Gmünd, wo es über das Hauptpumpwerk über eine Doppel-Pumpleitung bis zum Wirtschaftspark gepumpt wird. Anschließend fließt das Abwasser über einen Freispiegelkanal Ei 800/1200, wo auch nach dem Wirtschaftspark der Nord II einmündet, der Kläranlage zu. Die Länge des Verbandshauptsammlers beträgt 3.591 m, das bedeutet die Kläranlage ist ca. 3,5 km vom Stadtkern Gmünd entfernt. Auf diesem Weg steht das Abwasser im Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich. Die Sammelkanäle sind hauptsächlich in Tiefen zwischen 1,5 m und 3 m unter der Erdoberfläche verlegt. Die geringste Tiefenlage ergibt sich aus der frostsicheren Tiefe einerseits und einer Mindestüberdeckung von etwa 1,20 m andererseits. Die mittlere Tiefe für Abwasserkanäle in städtischen Entwässerungsgebieten beträgt in der Regel 3 m bis 4 m (ATV, 1994). [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.2.3 Ort, Größe und Zulaufanalyse der Abwasserreinigungsanlage Die Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) weist eine Kapazität von 50.000 Einwohnergleichwerten (EW60) auf. Das Einzugsgebiet ist in der folgenden Tabelle aufgeschlüsselt. Einzugsgebiet der Abwasserreinigungsanlage RHV Lainsitz (Gmünd): Gemeinden EW EW EW EW EW 1990 2000 kommunal gewerblich industriell Amaliendorf1.182 2.060 1.773 287 Aalfang Brand-Nagelberg 1.990 3.000 2.086 914 Gmünd 6.605 21.600 14.222 1.045 6.333 Großdietmanns 2.187 2.500 2.387 113 Heidenreichstein 4.727 9.600 3.044 1.317 5.000 Schrems 5.818 11.200 7.367 973 2.800 Rundung 40 22.509 50.000 30.919 4.649 14.133 Die Auswertungen der vom Abwasserverband Lainsitz aufgezeichneten Daten zeigen folgende Ergebnisse: Im Jahr 2003 flossen der Kläranlage 2.213.570 m³ Abwasser zu. Die mittlere Tageszulaufmenge betrug 6.065 m³/d bei einer durchschnittlichen Abwassertemperatur von 12,9 °C. Während der Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 20 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich kalten Jahreszeit verringerte sich der Zulauf bis zu dem Minimalwert von ca. 2.960 m³/d und die Temperatur sank am Einlauf der Kläranlage kurzzeitig bis auf 6°C ab. Das nächste Diagramm zeigt den Tagesgang des Abwasserzulaufes der Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) bei Trockenwetter an einem Tag mit einer relativ geringen Tageszulaufmenge von 3.673 m³/d. Das Abwasser der Stadt Gmünd wird mit Hilfe des Hauptpumpenwerkes zur Kläranlage gepumpt. Deshalb kommt es zu großen Volumenstromschwankungen im Verbandhauptsammler. Das Diagramm zeigt, dass der Abwasserfluss in Abhängigkeit des Pumpbetriebes schwankt. Der Abfluss fällt bis auf 0 m³/h ab. Dadurch ist nach dem Pumpwerk keine Wärmenutzung im Kanal möglich. Um eine anschauliche Tagesganglinie zu erhalten, wurde mit Hilfe einer polynomischen Näherung, nach der Formel (y = 4E-11x4 - 3E-07x3 + 0,0006x2 - 0,4509x + 197,25), eine Trendlinie erstellt. Diese zeigt einen minimalen Abwasservolumenstrom von 90 m³/h. Diagramm: Tagesganglinie Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) Im nächsten Diagramm sind die Tageszulaufmengen der Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) im Jahr 2003 dargestellt. Die rote Linie zeigt die vergleichsweise niedrige Tageszulaufmenge vom 8. Dez. 2003. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 21 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Diagramm: Tageszulaufmengen der Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) im Jahr 2003 Im nächsten Diagramm sind die Tageswerte der mittleren Abwassertemperatur der Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) aus dem Jahr 2003 dargestellt. Im Vergleich dazu sind die Tageswerte der maximalen und minimalen Lufttemperatur im Jahresgang dargestellt. Die Abwassertemperatur liegt während der kalten Jahreszeit deutlich höher als die Lufttemperatur, das belegt die Eignung des Abwassers als Wärmequelle. Während der Sommerzeit verhält es sich umgekehrt, was bedeutet, dass das Abwasser zu dieser Zeit, in der häufig Kühlbedarf besteht, eine geeignete Wärmesenke darstellt. Die mittlere Abwassertemperatur unterschreitet über einen längeren Zeitraum (ca. 2,5 Monate) deutlich 10 °C. Die Eignung als Energiequelle ist deshalb fraglich, da die Betriebsparameter der Abwasserreinigungsanlage beachten werden müssen! Zusätzlich sollte aber die Wärmeenergieübertragung von der Umgebung auf das Abwasser während Fließzeit beachten werden. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 22 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Diagramm: Abwassertemperatur Kläranlage RHV Lainsitz (Gmünd) im Vergleich zu max. und min. Tages-Lufttemperaturen im Jahr 2003 [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.2.4 Berechnung der gesamten theoretischen Energiepotentials der Stadtgemeinde wie beschrieben in I Für die Dimensionierung der Abwasserkanäle ist eine Berechnung der Einwohnergleichwerte der verschiedenen Kanalabschnitte notwendig. Danach wurden die mittleren und minimalen Abwassermengen nach der zuvor erwähnten Methode errechnet. Für die einzelnen Kanalabschnitte wurden die mögliche Wärmentzugleistung und die daraus resultierende Heizleistung einer Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von 4,5 berechnet. Zusätzlich wurde berücksichtigt, dass eine Wärmepumpe erst ab einer Heizleistung von 100 kW ökonomisch interessant ist, was erst ab einem Einzugsgebiet von mindestens 12.000 Einwohnergleichwerten der Fall ist. In der nächsten Tabelle sind die Ergebnisse der Ermittlung des Wärmepotentials im kommunalen Abwassersystem der Stadtgemeinde Gmünd dargestellt. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 23 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Tabelle: Ermittlung des Wärmepotentials im kommunalen Abwassersystem der Stadtgemeinde Gmünd Potentielle Wärmeentzugsstellen Kanalabschnitt Verbandsammler Süd S18 S17 S16 S15 S14 S13 S12 S11 / 1 S11 / 2 S10 S9 S8 / 1 S8 / 2 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 Verbandsammler Nord I Hauptpumpwerk Verbandshauptsammler Kanalprofil Nennweite Ei 800/1200 DN 600 DN 600 Ei 600/900 Ei 1000/1500 DN 400 DN 400 DN 600 DN 500 DN 600 DN 500 DN 1000 EGW Mittlerer gesamt Abfluss 6387 1300 3290 670 1460 3110 12047 12357 12357 15647 15647 15747 15747 16757 17487 1600 70 1023 18510 20150 21630 41780 43180 Minimaler Abfluss PAW PWP [m³/h] [m³/h] [kW] [kW] 39,92 8,13 20,56 4,19 9,13 19,44 75,29 77,23 77,23 97,79 97,79 98,42 98,42 104,73 109,29 10,00 0,44 6,39 115,69 125,94 135,19 261,13 269,88 < 34 < 34 < 34 < 34 < 34 < 34 33,88 34,75 34,75 44,01 44,01 44,29 44,29 47,13 49,18 < 34 < 34 < 34 52,06 56,67 60,83 117,51 121,44 77,9 79,9 79,9 101 101 102 102 108 113 100 103 103 130 130 131 131 139 145 120 130 140 270 279 154 168 180 347 359 Nachdem das Abwasser der Stadt Gmünd mit Hilfe des Hauptpumperwerkes zur Kläranlage gepumpt wird, schwankt der Abwasservolumenstrom im Verbandshauptsammler in Abhängigkeit des Pumpbetriebes. Aufgrund der Tatsache, dass in diesem Kanalabschnitt zeitweise kein Abwasser fließt, ist nach dem Pumpwerk kein Wärmeentzug im Verbandshauptsammler möglich. Jedoch zeichnet sich der Sammelbehälter des Hauptpumpwerkes als geeignete Wärmeentzugsstelle aus. Die Länge des Kanalabschnittes S1 beträgt nur ca. 3m. Aus diesem Grund ist der Einbau eines Kanalwärmeübertragers auch in diesem Bereich nicht möglich. Aufgrund der lokalen Gegebenheiten können derzeit nicht alle potentiellen Wärmeentzugspunkte im kommunalen Abwassersystem der Stadtgemeinde Gmünd genutzt werden. Hauptursache dafür ist die Unterschreitung des Mindest-Kanalquerschnittes von DN 800. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 24 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Derzeit ist eine Wärmenutzung in den Kanalabschnitten S11 / 2, S10 und im Verbandsammler Nord I sowie im Hauptpumpwerk möglich. Das bedeutet beim aktuellen Stand der Ausführung des Kanalsystems könnte insgesamt eine Heizleistung von 760 kW zur Wärmeversorgung von Gebäuden installiert werden. [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.2.5 Definition von möglichen Standorten von Abwasserwärmepumpen innerhalb der Stadtgemeinde Für die Stadtgemeinde Gmünd wurde im Rahmen der Arbeit von Hrn. Glasner eine „Kommunale Energiekarte“ erstellt. In diesem erweiterten Kanalkatasterplan wurden die potentiellen Wärmeentzugsstellen markiert und die Berechnungsergebnisse eingetragen. In den Gebieten im Umkreis von 100 m um die potentiellen Wärmeentzugspunkte kann unter Berücksichtigung der Erkenntnisse eine ökonomisch sowie ökologisch interessante Lösung zur Wärmeversorgung von Gebäuden mittels Abwasserwärmenutzung realisiert werden. Die Energiekarte konnte zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Analyse von Hrn. Glasner nicht zur Verfügung gestellt werden. [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.3 Gemeinde 2: Stadtgemeinde Leoben, Österreich Die Analyse der Stadtgemeinde Leoben beschränkt sich auf eine Bestandsaufnahme der abwasserseitigen Daten des Rheinhalteverbandes Leoben. VI.3.1 Beschreibung der Gemeinde Das Kanalsystem des Reinhalteverbandes Leoben sammelt die Abwässer aus der Stadtgemeinde Leoben sowie aus Sankt Peter-Freienstein und führt es der Kläranlage RHV Leoben zu. Dort werden die gesamten Abwässer von 100.000 Einwohnergleichwerten gereinigt und anschließend dem Fluss Mur zugeführt. [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] VI.3.2 Ort, Größe und Zulaufanalyse der Abwasserreinigungsanlage Die Kläranlage RHV Leoben weist eine Kapazität von 100.000 Einwohnergleichwerten (EW60) auf. Die Auswertung der vom Reinhalteverband Leoben aufgezeichneten Daten zeigt folgende Ergebnisse: Im Jahr 2003 flossen der Kläranlage 3.059.049 m³ Abwasser zu. Die mittlere Tageszulaufmenge betrug 8.381 m³/d bei einer durchschnittlichen Abwassertemperatur von 15,1 °C. Während der kalten Jahreszeit verringerte sich der Zulauf bis zu dem Minimalwert von ca. 5.240 m³/d und die Temperatur sank am Einlauf der Kläranlage kurzzeitig bis auf 8,4°C ab. Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 25 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Das folgende Diagramm zeigt den Tagesgang des Abwasserzulaufes der Kläranlage RHV Leoben bei Trockenwetter an einem Tag mit einer relativ geringen Tageszulaufmenge von 7.835 m³/d. Die Tagesganglinie zeigt einen minimalen Abwasservolumenstrom von 176 m³/h. Diagramm: Tagesganglinie der Kläranlage RHV Leoben Im folgenden Diagramm sind die Tageszulaufmengen der Kläranlage Leoben dargestellt. Die rote Linie zeigt die Tageszulaufmenge vom 13. Dez. 2003. Diagramm: Tageszulaufmengen der Kläranlage RHV Leoben im Jahr 2003 Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 26 von 27 WasteWaterHeat Marktpotentialanalyse Österreich Im folgenden Diagramm ist die mittlere Abwasser- und Lufttemperatur der Kläranlage RHV Leoben dargestellt. Die Abwassertemperatur liegt während der kalten Jahreszeit deutlich höher als die Lufttemperatur, das belegt die Eignung des Abwassers als Wärmequelle. Während der Sommerzeit verhält es sich umgekehrt, was bedeutet, dass das Abwasser zu dieser Zeit, in der häufig Kühlbedarf besteht, eine geeignete Wärmesenke darstellt. Diagramm: Abwassertemperatur der Kläranlage RHV Leoben im Jahr 2003 [Gernot Glasner: Diplomarbeit, Wärmerückgewinnung aus Abwasser mittels Wärmepumpen. August 2004] Grazer Energieagentur GmbH, Kaiserfeldgasse 13/1, 8010 Graz, 07.03.2007 Seite 27 von 27