Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen, Dipl.
Werbung
Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Nutzung von Abwärme aus Abwasser Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Dipl.-Ing.(FH) Bastian Niazi Technische Hochschule Mittelhessen Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und anaerobe Verfahrenstechnik KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Wiesenstrasse 14 35390 Giessen Tel.: +49 (0) 172 5118256 +49 (0) 641 309 1816 Fax: +49 (0) 641 / 309 2964 eMail: [email protected] [email protected] Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Nutzungsmöglichkeiten der Ressource „Wärme“ aus dem Abwasser direkt im Haus aus dem Kanal aus der Kläranlage Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Abwärme aus Abwasser Wärmetauscher Bei ∆T = 2 °C nutzbare Wärme 2,33 kWh/m³ Abwasser z.B. bei 100 m³/h: nutzbare Wärme von 233 kWh/h Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Einbindung der Abwasserwärmenutzung in ein Gesamt-Wärmekonzept Schmidt, EnergieSchweiz 2007 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Parameter der Abwasserwärmenutzung Parameter Abwasserwärmenutzung Temperatur der Wärmequelle 12 °C (285 K) Temperatur der Wärmenutzung 45°C (318 K) Leistungszahl der idealen WPεC 9,6 Leistungszahl der realen WPεWP 4,8 Annahmen: → + 3K Leistungszahl der AWNA ergibt sich aus εWP = εC *0,5 (Quelle: Bine Informationsdienst) Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Paralleler Heiz- und Kühlbetrieb Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wärmetauschersystem „im“ Haus Foto und Grafik: Feka Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wärmetauscher für Abwasserkanäle Wärmetauscher in neu zu verlegenden Rohren Nachträglich einzubauende Wärmetauscher Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Edelstahl-Wärmetauscher für Abwasserkanäle nachträglicher Einbau Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wärmetauscher kombiniert mit Inliner zur Kanalsanierung Außenliner: Brandenburger BBplus® -Liner zur Sanierung des Kanals Wärmetauschermatte in der Kanalsohle als Absorber zur Wärmerückgewinnung Innenliner: Brandenburger BBplus® -Liner zur Fixierung und zum Schutz der Wärmetauschermatte BB Heatliner® Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Bypasskonzept der Abwasserwärmenutzung Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Kläranlage Wärmetauscherrohre im Belebungsbecken Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Kläranlage Wärmetauscher im Ablauf der Nachklärung • große Volumenströme • keine Vorsiebung nötig • sehr geringes Biofouling Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Projekt Abwasserwärmenutzung in der Stadt Gießen Erarbeitung einer Potentialstudie Ziele des Projektes: • Bestimmung der Rahmenbedingungen der Abwasserwärmenutzung • Bestimmung des Potenzials in der Stadt Gießen • Erstellen einer Energiekarte Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Projekt Abwasserwärmenutzung in der Stadt Gießen Erarbeitung einer Potentialstudie Rahmenbedingungen allgemein: • Mittlere Belastung: ca. 220.000 EW • Mittlerer Zufluss: ca. 2.160 m²/h (600 l/s) (TW) Technische Rahmenbedingungen zur AWN: • Nutzbarer Trockenwetterabfluss im Kanalnetz (24 h – Mittel): mind. 15 l/s (ca. 55 m³/h) (um vollständige Überströmung des Wärmetauschers zu gewährleisten) • Abkühlung im Zulauf der Kläranlage max. 0,5 K (bei einer über ein Schlammalter gemittelten Temp. > Dimensionierungstemperatur; sog. Bagatellgrenze DWA-M 114) • Abkühlung im Ablauf der Kläranlage nicht limitiert (nur bei sehr kaltem Abwasser), Ansatz: 5 K Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Standort Klärwerk Gießen Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik ca. 65 l/s Zulaufpumpwerk KW Gießen ca. 260 l/s ca. 265 l/s Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Potentielle Wärmenutzer aus Zulauf KW Gießen: Qh = 2.160 m³/h Δ T = 0,5 K QW = 1.250 kW aus Zulauf KW Gießen: Qh = 2.160 m³/h Δ T = 1,0 K QW = 2.500 kW (ohne energetische Optimierung) DN 250 STZ Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: DN 300 SB Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik I G Schmutzwasser DN 900 SB C DN 400 DN 500 SB DN 800 SB DN 200 STZ DN 1400 SB DN 900 SB Wärmeangebot: ca. 300 m³/h (85 l/s) bei ∆T = 2 °C Hauptsammler ca. 700 kW DN 400 DN 1300 SB DN 500 SB C-Geb.: ca. 600 kW G-Geb.: ca. 150 kW I - Geb.: ca. 300 kW DN 200 STZ DN 250 B DN 900 SB DN 250 STZ DN 400 SPB DN 1300 SB Regensammler verändert nach v. Wehrden, 2008 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: (ohne energetische Optimierung) I G C-Geb.: ca. 600 kW G-Geb.: ca. 150 kW I - Geb.: ca. 300 kW C verändert nach v. Wehrden, 2008 G Schmutzwasser DN 900 SB DN 500 SB C DN 800 SB DN 200 STZ DN 900 SB ca. 300 m³/h (85 l/s) bei ∆T = 2 °C Hauptsammler ca. 700 kW DN 400 DN 1400 SB Wärmeangebot: DN 400 DN 1300 SB DN 250 B DN 500 SB C-Geb.: ca. 600 kW G-Geb.: ca. 150 kW I - Geb.: ca. 300 kW DN 250 STZ (ohne energetische Optimierung) I DN 200 STZ Neuordnung der THM bis 2020 Aktueller Wärmebedarf: DN 300 SB Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik DN 900 SB DN 250 STZ DN 400 SPB DN 1300 SB Regensammler verändert nach v. Wehrden, 2008 Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Standort Klärwerk Gießen Fernwärme SWG ? aus Ablauf KW Gießen: Qh = 2.160 m³/h ΔT= 5K QW = 12.570 kW Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik mögliche Anbindung des Wärmenetzes des Klärwerks Gießen an das Fernwärmenetz der Stadtwerke Gießen Kälteversorgung Fernwärmeversorgung SWG Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Rahmenbedingungen Kriterien Beschreibung Bagatellgrenze Abkühlung von maximal 0,5 K ist gestattet, solange die über ein Schlammalter gemittelte Temperatur über der Dimensionierungstemperatur der Kläranlage liegt (DWA-M 114) Zusätzliche Annahme: gemittelte Temperaturen liegen über der Dimensionierungstemperatur. Wirtschaftliche Größe Anlagen ab etwa 150 kW Heizleistung erweisen sich derzeit als wirtschaftlich Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe Jahresarbeitszahlen (JAZ) von etwas mehr als 4 können erreicht werden. In der Potenzialstudie wurde eine JAZ von 4 angenommen Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Ergebnis Abwasserwärmepotenzial in Hessen Abwasserwärmepotenzial in kW 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 - RP Darmstadt RP Gießen RP Kassel Hessen Zulaufpotenzial 11.935 6.652 2.862 21.449 Ablaufpotenzial 119.352 66.516 28.618 214.486 kW Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Abschätzende Potenzialstudie Land Hessen Ergebnis: Abwasserwärmenutzung aus dem Zulauf • 52 von den 719 Kläranlagen in Hessen kommen für die Abwasserwärmenutzung aus dem Zulauf in Frage • Die gesamte mögliche Entzugsleistung aus Abwasserwärme ergibt sich zu 235.935 kW. • Die entstehende Nutzwärme ergibt bei einer Leistungszahl von 4 zu 314.580 kW. Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Gliederung 1. Grundsätzliche Verfahrensführung Wärmepotential 2. Technologie der Wärmeübertrager 3. Potentialstudie Gießen 4. Abschätzende Potenzialstudie Hessen 5. Projektbeispiele Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik In 8 Schritten zur Abwasser-Energiezentrale 1. Grobcheck: Wärme- und Kältebedarf ↔ Energiedargebot 2. Grundsatzentscheid des Bauherren über Machbarkeitsstudie 3. Gespräche mit Kanalnetzbetreiber – grundsätzliches Einvernehmen 4. Variantenvergleich mit Wirtschaftlichkeitsuntersuchung – Technologieentscheidung 5. Finanzierungskonzept: Eigenbetrieb oder Contracting? 6. Planungsleistungen 7. Bau der Anlage 8. Betrieb Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Projektbeispiele (Literaturangaben) Objekt Nordwestbad Bochum Technologiepark SinTec, Singen/Htw Wohnanlage Winterthur IKEA Berlin-Lichtenberg Wirtschaftsbetrieb Ludwigshafen, Abwasserpumpwerk, Betriebsgebäude Straubing, 100 Wohneinheiten, 7.200 m² Wohnfläche Winterthur, WINTOWER, BGF 22.000 m² Sporthalle und Familienzentrum Berlin Friedrichshain-Kreuzberg Gesamt-Wärmebedarf / Wärmepumpenleistung 200 kW 350 kW Anteil Wärmeleistung aus Abwasser ca. 50% ca. 77% 1.150 kW 1.476 kW 90 kW ca. 70% ca. 70% ca. 60% 265 kW ca. 75% 590 kW ca. 75% 60 kW ca. 60% Besonderheit Kühlleistung 150 kW Kühlleistung1.137kW Kühlleistung 600 kW Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Technologiepark SinTec in Singen/Htw Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wohnanlage mit 400 Wohnungen in Wintherthur/CH Quelle: Müller, Institut Energie in Infrastrukturanlagen Schweiz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Heizzentrale Nordwestbad Bochum Prinzipschaltbild Abwasserenergienutzung Heizwärme Bad Abwasserwärmetauscher 11 °C Drosselventil 40 °C 7 °C 50 °C 10 °C Verdichter Zwischenkreis 12 °C Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Auslegungsdaten Heizzentrale Nordwestbad Bochum Beschreibung minimaler Abwasservolumenstrom minimale Abwassertemperatur minimale verfügbare Wärmeleistung im Abwasser Jahreswärmebedarf Nord-West Bad Thermische Leistung Spitzenkesselanlage Wert Einheit 300 m³/h 12 °C 800 kW 2.450 MWh/a 2 x 720 kW Elektrische Leistung BHKW Modul ca. 50 kW thermische Leistung BHKW Modul ca. 90 kW thermische Leistung Wärmepumpe (Grundlast) ca. 190 kW Länge Abwasserwärmetauscher zweiteilig 19 / 28 m Vollbenutzungsstunden Wärmepumpe 6.500 h/a Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wohnanlage Straubing: 102 Wohnungen 2 außen stehende Abwasserwärmetauscher Wärmeentzugsleistung: 210 kW, Wärmepumpenleistung 260 kW Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Nutzung der Abwärme eines Industriebetriebs Grundidee: • Das Abwassernetz fungiert als Wärmeverteilnetz. • In der Industrie anfallende Abwärme mit einem dort nicht nutzbaren niedrigem Temperaturniveau wird nicht „weggekühlt“, sondern in das Abwassernetz abgegeben. • Der Abwasserstrom transportiert die Wärme zu weiter unten liegenden Abnehmern. • Dort wird über Abwasserwärmetauscher die Wärme entnommen und über Wärmepumpen auf ein nutzbares Niveau angehoben. Quelle: Uhrig Kanaltechnik Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Wärmebedarf: ca. 500 kW • • • Tennishalle Bürgerhalle Schulzentrum ca. 4,5 km Wärmeangebot: Abwasserfluss: Delta T: ca. 2.300 kW ca. 160 l/s ca. 4 K Wärmelieferant Potenzielle Wärmenutzer Kanal Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FG Siedlungswasserwirtschaft Biogastechnik Vielen Dank Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Dipl.-Ing.(FH) Bastian Niazi Technische Hochschule Mittelhessen Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und anaerobe Verfahrenstechnik KompetenzZentrum Energie- und UmweltSystemtechnik ZEuUS Wiesenstrasse 14 35390 Giessen Tel.: +49 (0) 172 5118256 +49 (0) 641 309 1816 Fax: +49 (0) 641 / 309 2964 eMail: [email protected] [email protected]
