50 Prozent weniger Primärenergie mit Kanalwärmenutzung
Seit 2010 bezieht die Siedlung „Seelberg-Wohnen“ in Stuttgart-Bad Cannstadt Wärme aus Abwasser. Kanalwärme ist Abwärme. Diese mit Priorität zu nutzen, scheint plausibel, denn sie ist wie Solar- und Erdwärme ohnehin vorhanden – muss nicht erzeugt, sondern nur nutzbar gemacht werden.
Entscheidend für die bestmögliche Wärmeversorgung ist die Auswahl der Systemkomponenten. Die Heiztechnik im vorgestellten Projekt führt zu ca. 50 % Einsparung bei Primärenergie bzw. CO2-Emissionen. Zusätzlich konnten die Betriebskosten nach 2 Jahren Monitoring durch Korrektur der Steuerung noch um 15 % gesenkt werden.
Auf dem Gelände der ehemaligen Textilmaschinenfabrik Terrot in Stuttgart-Bad Cannstatt entstand durch Sanierung und Neubau das Quartier „Seelberg-Wohnen“ mit 17.500 m² Nutz- und Wohnfläche. Das Projekt, seit 2010 mit Wärmeübertragern im Kanal und elektrisch betriebener Wärmepumpe ausgestattet, wurde analysiert und optimiert. Die Ergebnisse sind in einer von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Studie dokumentiert. Bei diesem Projekt gewonnene Erkenntnisse sind übertragbar, stellen die Autoren fest. Außergewöhnlich am Energiekonzept ist, dass der Strom für die Wärmepumpe vom Blockheizkraftwerk (BHKW) stammt und dass das Nahwärmenetz mit Heizzentrale in der Hand eines Contractors ist.
Projektbeschreibung
Sechs Mehrfamilienhäuser mit 111 Eigentumswohnungen und 10.500 m² Gesamtwohnfläche sind in Bad Cannstadt entstanden, zusätzlich ein großer Geschossbau mit weiteren 27 Wohnungen und 4.300 m² Wohn-/Nutzfläche als Kombination von Pflegeheim und Betreutem Wohnen. Ein bestehendes Gebäude wurde zusätzlich saniert und erhielt einen Anbau. Dieser Komplex mit 2.910 m² Nutzfläche beherbergt eine Kindertagesstätte sowie 25 Wohnungen, u. a. für Senioren und Menschen mit Behinderung. Alle Gebäude wurden mit Wärmeschutz der Qualitätsstufe KfW60 ausgestattet.
Heiztechnik und Emissionen
In einer Konzeptstudie hatten vor Beginn der Baumaßnahme die Fachingenieure vier Varianten in Verbindung mit einer zentralen Nahwärmeversorgung untersucht. Referenzversion waren dezentrale (je Gebäude ein) Gas-Brennwertkessel, denn mit ihnen wäre der gesetzlich geforderte ENEV-Standard erreicht worden. Im Einvernehmen mit dem Contractor wurde beschlossen, die zentrale Variante, bestehend aus elektrischer Wärmepumpe und Abwasserwärmetauscher sowie Gas-Blockheizkraftwerk (BHKW) und Gas-Niedertemperatur-Spitzenlastkessel, zu realisieren. Diese Version verbindet die Vorteile einer Wärmeerzeugung mit geringen Emissionen vor Ort und einer enormen Verringerung gemäß Berechnung von ca. 41 % bei Primärenergie bzw. CO2-Emissionen. Noch größere Einsparungen an Primärenergie wären nur durch die Einbindung von Biomassenutzung (z.B. Holzpelletfeuerung) zu erreichen – laut DBU-Studie allerdings mit zusätzlichen Emissionen (z. B. Staub) vor Ort. Wegen der damit verbundenen Umweltbelastung für die Innenstadt wurde diese Variante nicht weiter verfolgt. Nach der Idee von EGS-plan werden etwa 90 % der Wärme durch die Kombination Wärmepumpe / BHKW erzeugt, wobei 60 % von der Wärmepumpe und 30 % vom BHKW eingespeist werden. Die restlichen 10 % liefert der Gaskessel. Der Anteil der Wärme aus dem Abwasser mit ca. 690 MWh/a an der Gesamtwärmelieferung liegt bei über 45 %. Knapp 15 % stammen aus der elektrischen Leistung des BHKW, mit der die Wärmepumpe betrieben wird.
Wärmequelle Abwasser
Die Umsetzung des Projektes begann 2009 mit den ersten Hochbauten und war inkl. Anschluss der Gebäude im zweiten Bauabschnitt an das Nahwärmenetz zum Jahresende 2012 abgeschlossen. Die Inbetriebnahme der Anlage mit Wärmeversorgung im Automatikbetrieb für den ersten Bauabschnitt war bereits im April 2011. Der Abwasser-Wärmetauscher wurde in einem großen Abwasserkanal montiert, der in der Erschließungsstraße zum Baugebiet liegt. Für das Projekt „Seelberg-Wohnen“ sollte erstmals ein speziell für große Wassermengen entwickelter Wärmetauschertyp eingesetzt werden.
Messungen der Abwassermengen im Juni und Juli 2008 haben gezeigt, dass die Montage schwierig würde, da eine längere Trockenlegung des Kanalabschnittes in der Daimlerstraße mit einer Wasserhaltung nicht möglich war. Festgestellt wurde ein Durchfluss von max. 3.000 Liter/Sekunde am Tag bei intensivem Regenereignis und von max. 500 Liter/Sekunde in der Nacht bei Trockenwetterabfluss. Also musste ein spezielles Konzept für den Einbau über Nacht gefunden werden, um im Kanal überhaupt arbeiten zu können.
Montage im Abwasserkanal
Laut Robert Hertler von der Stadtentwässerung Stuttgart konnte nachts während ca. 4 Stunden der Zufluss zum Kanalabschnitt in der Daimlerstraße ausnahmsweise abgestellt werden, wenn bei Trockenwetter zwei oberhalb liegende Regenbecken als Speicherplätze genutzt würden. Die Erfahrungen aus der Trockenlegung des Kanalabschnittes für den Einbau der Messsonden haben dies bestätigt. Nach Auswertung der Ausschreibung für Lieferung und Montage der 76 Meter langen Strecke mit 1 Meter langen Elementen wurde die Firma Uhrig Kanaltechnik GmbH aus Geisingen a. d. Donau beauftragt. Ihr Konzept sah den Einbau eines Podestes im Kanalabschnitt vor, auf dem die Wärmetauscher-Elemente zunächst zusammengesetzt und später in zwei bis drei Etappen während der Nacht auf die Kanalsohle abgesenkt und dort befestigt werden sollten.
Die Montage dauerte mehrere Nächte und war auf die Zeit zwischen 0 und 5 Uhr beschränkt. „In einer minutiös vorbereiteten Aktion haben wir mit Hilfe der Stadtentwässerung das eng bemessene Zeitfenster genutzt,“ erinnert sich Mark Biesalski von Uhrig Kanaltechnik GmbH, „und wie geplant unsere Wärmetauscherstrecke im Kanal jeweils rechtzeitig installiert, bevor der Überlauf der Regenbecken die Anlage überspülen konnte.“
Energiekonzept
Die Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von ca. 155 kWth stellt die Grundlast der Wärmeversorgung für Heizung und Warmwasser zur Verfügung. Wärmequelle ist der Abwasserkanal (Hauptsammler) in der Daimlerstraße, ca. 100 m vom Baugebiet entfernt. Mit einem auf der Kanalsohle liegenden Wärmetauscher wird dem Abwasser Energie entzogen und der Wärmepumpe zugeführt. Die Abwassertemperaturen von etwa 16 °C (min. 8 °C, max. 22 °C) im Jahresmittel führen zu relativ hohen Wärmequellentemperaturen. Damit sind mit der Wärmepumpe bei geeigneter Heizungsvorlauftemperatur Arbeitszahlen (Verhältnis erzeugte Wärme zu eingesetztem Antriebsstrom) von über 4,0 erreichbar.
Das mit Gas betriebene BHKW erzeugt den Antriebsstrom für die Wärmepumpe, wodurch ein wesentlicher Teil der Primärenergie bzw. CO2-Emissionen eingespart wird. Es hat eine thermische Leistung von 100 kWth und eine elektrische Leistung von 50 kWel. Zur hydraulischen Entkopplung von Wärmeverteilung und Erzeugung speisen BHKW und Wärmepumpe jeweils in einen eigenen Pufferspeicher mit 5.000 Liter ein. Die beiden Speicher sind in Serie geschaltet. Die Abwärme aus dem BHKW wird dazu genutzt, den Vorlauf der Kombination Wärmepumpe / BHKW durch Mischung der Vorläufe aus den beiden Pufferspeichern auf die erforderliche Systemtemperatur von ca. 70 °C für die Einspeisung in die Wärmeversorgung anzuheben. In Spitzenlastzeiten oder bei Ausfall von Wärmepumpe oder BHKW speist der mit Gas betriebene Niedertemperatur-Spitzenlastkessel mit der Leistung von 575 kW in die Wärmeversorgung ein.
Je kühler der Rücklauf zur Wärmepumpe, desto effektiver ist deren Betrieb. Deshalb sorgen spezielle Wärmeübergabestationen in der Heizung für eine zusätzliche Auskühlung des Rücklaufes aus der Erwärmung der Warmwasserzirkulation. Aufgabenstellung der eingangs erwähnten Studie, die von der DBU gefördert wurde, war im Wesentlichen: Die Vernetzung der Stationsregler mit der zentralen Regelungstechnik Direct Digital Control (DDC) und das Monitoring der Gesamtanlage über zwei Jahre mit dem Ziel, den Anlagenbetrieb zu optimieren.
Ergebnis der DBU-Studie
„Das Potential zur Absenkung der Rücklauftemperaturen kann nur bei entsprechend eingestellter Steuerung maximal ausgeschöpft werden,“ erklärt Michael Guigas, Verfasser der im Januar 2013 abgeschlossenen DBU-Studie, und stellt weiter fest, dass „die maximale Reduzierung der CO2-Emissionen durch die Integration einer elektrischen Wärmepumpe in die Nahwärmeversorgung unter optimalen Betriebsbedingungen bei 15 bis 20 % liegt - durch die Kombination von elektrischer Wärmepumpe und Gas-Blockheizkraftwerk bei diesem Projekt allerdings über deutlich mehr als 41 % Reduzierung erreichbar sind.“ Tatsächlich gemessen wurde im zweijährigen Monitoring sogar eine Reduzierung um 54 %, also 13 % über dem zu Beginn der Planung vereinbarten Ziel.
Die Heizkennzahl der Kombination Wärmepumpe/BHKW lag im Jahr 2012 bei 1,85, d.h. mit 1 kWh Gas konnten 1,85 kWh Wärme erzeugt werden. Im Sinne einer wirtschaftlichen Betriebsweise konnte außerdem festgestellt werden, dass die eingestellte Betriebsweise „Parallelbetrieb von Wärmepumpe und BHKW in der Grundlast, Deckung der Mittellast mit dem BHKW und Spitzenlast mit dem Gaskessel“ grundsätzlich die günstigste Lösung ist. Nur war die Auslastung der einzelnen Komponenten nicht optimal. Um sie zu verbessern, musste in erster Linie das Zusammenspiel von Wärmepumpe und BHKW justiert werden. Es galt, die Wirtschaftlichkeit soweit wie möglich zu steigern, ohne die angestrebte CO2-Reduktion von 41 % gegenüber der Referenz (Gas-Brennwertkessel in jedem Gebäude) zu unterschreiten. Der Anteil der Wärmepumpe bzw. deren Sollwert für die Vorlauftemperatur ist daraufhin um 3 K angehoben worden.
Wirtschaftlichkeit, übertragbare Erkenntnisse
Die Anlage wurde Ende Januar 2013 komplett abgerechnet. Die Investition für die Wärmeversorgung lag nur 3 % über der Kostenschätzung von 2008. Mehrkosten für den Abwasser-Wärmetauscher sind hauptsächlich durch den aufwändigen Einbau aufgrund der großen Abwassermenge im Kanal entstanden. Auch MSR-Technik, Elektroinstallation und Planung waren etwas teurer als kalkuliert. „Beim innovativen Anlagenteil BHKW + Wärmepumpe + Einbindung und bei der Nahwärme (Netz + Stationen) gab es allerdings keine Mehrkosten“, stellt Guigas fest. Dr. Boris Mahler, Projektleiter bei EGS-plan, weist auf die Übertragbarkeit der Erkenntnisse hin und bestätigt: „Die zentrale Wärmeversorgung mit elektrischer Wärmepumpe, Abwasser-Wärmenutzung, Gas-Blockheizkraftwerk und Gas-Niedertemperatur-Spitzenlastkessel ist ein gutes Konzept für innerstädtische Wohnquartiere mit hohem Einsparpotential in Bezug auf CO2-Emissionen und Primärenergieeinsatz. Sorgfältige und detaillierte Planung vorausgesetzt, ist die Umsetzung von ähnlichen Anlagen ohne größere Probleme möglich.“
Die Leistungsfähigkeit von Abwasser-Wärmetauscher und Wärmepumpe wurde im Betrieb überprüft. Nach häufigen Störungen im ersten Betriebsjahr läuft die Wärmepumpe mittlerweile nahezu störungsfrei. Dank Nachbesserung durch den Hersteller erreicht sie die in der Leistungsbeschreibung geforderten Werte. Der Abwasser-Wärmetauscher funktioniert wie geplant. Er erreicht im Betrieb die Leistung laut Ausschreibung. Die Abwasser-Wärmenutzung und der Kanalbetrieb sind seit Einbau bzw. Inbetriebnahme ohne Störungen. Die optimierte Hydraulik der Wärmeverteilung im Nahwärmenetz hilft, während des Betriebs niedrige Systemtemperaturen, insbesondere niedrige Rücklauftemperaturen zu erreichen. Die Folge sind neben guten Arbeitszahlen der Wärmepumpe extrem niedrige Verluste in der Anlage und eine hohe CO2-Reduzierung im Vergleich zu dezentralen Einzelheizungen. Optimierungsmaßnahmen an den Wärmeübergabestationen haben den Sommerbetrieb weiter verbessert.
Die Kosten für Wärmeerzeugung sind um 15 % gesunken, nachdem der Anteil der Wärmepumpe von 46 % auf 55% erhöht und der thermische Anteil des BHKW von 45 % auf 40 % gesenkt wurde. Damit sank auch der Beitrag des Gas-Spitzenlastkessels von 9 % auf 5 %. In Kauf genommen wurde dafür, dass die CO2-Reduktion statt 54 % nur noch 46 % beträgt und die Arbeitszahl von 4,0 auf 3,8 sinkt. Der Anschluss des zweiten Bauabschnitts und die Anhebung der Sollwerte der Wärmepumpe im Herbst 2012 haben dazu geführt, dass sowohl Wärmepumpe als auch BHKW im November und Dezember 2012 zu 100 % ausgelastet waren.
Zusammenfassung
Die Betriebsergebnisse aus den ersten beiden Betriebsjahren sind positiv. Die Vorgaben aus dem Energiekonzept werden eingehalten bzw. übertroffen. Der gemessene Deckungsanteil des innovativen Anlagenteils mit Wärmepumpe, Abwasser-Wärmetauscher und Gas-Blockheizkraftwerk liegt bei über 90 %. Die Nutzung der lokalen Ressource Abwasserwärme, der Einsatz von intelligenter Technik und eine innovative Wärmeverteilung mit niedrigen Temperaturen reduzieren die CO2-Emisssionen um bis zu 54 % bzw. ca. 180 Tonnen pro Jahr bei diesem Projekt im Vergleich zu Einzelheizungen mit Gas-Brennwertkesseln. Zur wirtschaftlichen Optimierung des Betriebs wurde die Kombination Wärmepumpe und BHKW im Parallelbetrieb verbessert durch Verschieben der jeweiligen Anteile an der Wärmeerzeugung. Das Ergebnis ist eine dauerhafte jährliche Betriebskostensenkung von 15 %.
Im Internet finden Sie weiterführendes Text- und Bildmaterial zur Kanalwärmenutzung in der Siedlung „Seelberg-Wohnen“. Geben Sie hierzu bitte den Webcode in die Suchleiste ein.
Projekte zum Thema Nahwärmenetz Kanal sind derzeit in Lünen/NRW und im französischen Valenciennes/Nord-Pas-de-Calais beantragt bzw. in Planung. Bereits 2011 hat das Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart eine Potential-Studie erstellt. Sie beschreibt den Zusammenhang von Kläranlagen, geeigneten Abwasserkanälen, Industriegebieten und Gebieten mit hohem Wärmebedarf. Das Ergebnis zeigt, dass mit der vorhandenen Abwasserwärme in den Kanälen 8,9 % des deutschen Energiebedarfs für Raumwärme und Warmwasser gedeckt werden können. Durch die Einspeisung von Abwärme lässt sich das Potential für die Wärmeversorgung aus Abwasser um den Faktor 3 auf 28 % steigern. Laut Studie ist genügend Abwärme aus Kraftwerken und Industrieprozessen vorhanden, um das erhöhte Potenzial zu gewährleisten.
Quelle: pdf-Kurzfassung der Studie Nahwärmenetzkanal, IER Universität Stuttgart, 2011
Der Anteil der Erneuerbaren Energien soll in der EU bis zum Jahr 2020 auf 20 % steigen und der Kohlendioxidausstoß bis zum Jahr 2050 um 80 % sinkt. Der Wärmesektor verursacht etwa 50 % des Endenergiebedarfs in Europa, trotzdem konzentriert sich die Energiepolitik in den meisten EU-Mitgliedsstaaten bislang auf den Stromsektor.
Quelle: G. Stryi-Hipp; Erneuerbare Energie 2012-01
Ständig aktualisiertes Nachschlagewerk, für Neueinsteiger und erfahrene Fachkräfte, entstanden unter der Schirmherrschaft des staatlich geförderten Netzwerks e.qua. Das Kompendium zeigt das ganze Spektrum von Herstellern, Produkten und Referenzprojekten. Es soll Hilfestellung sein für die Planung und Ausführung von Maßnahmen zur Abwasserwärmenutzung und ein Arbeitsinstrument für Wasserwirtschaft, Behörden, Planer, Wohnungswirtschaft und Industrie.
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