50% weniger Primärenergie mit Kanalwärmenutzung – DBU-Studie bestätigt Wirtschaftlichkeit eines Nahwärmenetzes

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. Außergewöhnlich am Energiekonzept der Siedlung ist, dass der Strom für die Wärmepumpe von einem 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 4300 m² Wohn-/Nutzfläche als Kombination von Pflegeheim und betreutem Wohnen. Ein bestehendes Gebäude wurde zusätzlich saniert und erhielt einen Anbau. Dieser Komplex mit rund 2900 m² Nutzfläche beherbergt eine Kindertagesstätte sowie 25 Wohnungen, u.a. für Senioren und Menschen mit Behinderung. Alle Gebäude wurden mit Wärmeschutz der Qualitätsstufe „KfW 60“ ausgestattet.
Die Architekten Ackermann & Raff haben den vom Bauträger Siedlungswerk Stuttgart ausgelobten Realisierungswettbewerb gewonnen, die Ingenieure von EGS-plan sind für das Energiekonzept „Heizung und Warmwasser“ verantwortlich. Das Unternehmen ImmoTherm ist Contractor und trägt somit Investitionen und Betriebskos­ten der Heiztechnik und des Nahwärmenetzes. Die Kosten für die Wärme werden den Trägern der Einrichtungen bzw. den Eigentümergemeinschaften direkt in Rechnung gestellt. „Ziel war“, so Ulf Kühn, Geschäftsführer von ImmoTherm, „den Primärenergiebedarf und die CO₂-Emissionen für die Wärmeversorgung soweit zu senken, wie dies im Rahmen der kalkulierten Betriebskosten möglich und für Gebäude im „KfW 60“-Standard nötig ist.“

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 Abwasserwärmeübertrager 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 der Primärenergie. Dieser Wert entspricht in etwa auch der CO₂-Reduzierung.
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 Gasheizkessel. 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 BHKWs, mit der die Wärmepumpe betrieben wird.

Wärmequelle Abwasser

Die Umsetzung des Projektes begann 2009 mit den ersten Hochbauten und wurde inklusive 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-Wärmeübertrager 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 Wärmeübertragertyp eingesetzt werden.
Messungen der Abwassermengen im Juni und Juli 2008 haben gezeigt, dass die Montage schwierig würde, da eine längere Trockenlegung des Kanalabschnittes mit einer Wasserhaltung nicht möglich war. Festgestellt wurde ein Durchfluss von maximal 3000 l/Sekunde am Tag bei intensivem Regenereignis und von maximal 500 l/Sekunde in der Nacht bei Trockenwetterabfluss. Es musste ein spezielles Konzept für den Einbau über Nacht gefunden werden, um im Kanal arbeiten zu können.

Montage im Abwasserkanal

Der Zufluss zum Kanalabschnitt konnte nachts für etwa vier Stunden abgestellt werden. Dazu wurden bei Trockenwetter zwei oberhalb liegende Becken als Speicherplätze genutzt. Die Einbringung der 76 m langen Wärmeübertragerstrecke mit jeweils 1 m langen Elementen wurde durch die Firma Uhrig Kanaltechnik aus Geisingen a. d. Donau ausgeführt. Ihr erstes Konzept sah den Einbau eines Podestes im Kanalabschnitt vor, auf dem die Wärmeübertrager-Elemente zunächst zusammengesetzt und später in zwei bis drei Etappen während der Nacht auf die Kanalsohle abgesenkt und dort befestigt werden sollten. Durch den neuen Wärmetauchertyp konnte dann aber bei der Ausführung auf das Podest verzichtet werden.
Die Montage dauerte mehrere Nächte und war auf die Zeit zwischen 0 und 5 Uhr beschränkt. „In einer minutiös vorbereiteten Aktion haben wir mithilfe der Stadtentwässerung das eng bemessene Zeitfenster genutzt,“ erinnert sich Mark Biesalski von Uhrig Kanaltechnik, „und wie geplant unsere Wärmetauscherstrecke im Kanal jeweils rechtzeitig installiert, bevor der Überlauf der Becken die Anlage überspülen konnte.“

Energiekonzept

Die Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von ca. 155 kW 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 dem auf der Kanalsohle liegenden Wärmeübertrager wird dem Abwasser Energie entzogen und der Wärmepumpe zugeführt. Die Abwassertemperaturen von mindestens 8°C und maximal 22°C (im Jahresmittel etwa 16°C) führen zu relativ hohen Wärmequelletemperaturen. Damit sind mit der Wärmepumpe bei geeigneter Heizungsvorlauftemperatur Jahresarbeitszahlen von über 4,0 erreichbar.
Das mit Gas betriebene BHKW erzeugt den Antriebsstrom für die Wärmepumpe, sodass ein wesentlicher Teil der Primärenergie bzw. CO2-Emissionen eingespart wird. Es hat eine thermische Leistung von 100 kW und eine elektrische Leistung von 50 kW. Zur hydraulischen Entkopplung von Wärmeverteilung und Erzeugung speisen BHKW und Wärmepumpe jeweils in einen eigenen Pufferspeicher mit 5000 l ein. Die beiden Speicher sind in Reihe 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 zur Trinkwasservorerwärmung für eine zusätzliche Auskühlung des Rücklaufes. Die Aufgabenstellung der DBU-Studie 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 Potenzial 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 ist allerdings eine Reduzierung über mehr als 41% erreichbar.“ 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, das heißt, dass mit 1 kWh Gas 1,85 kWh Wärme erzeugt werden konnten. Im Sinne einer wirtschaftlichen Betriebsweise wurde außerdem festgestellt, dass die eingestellte Betriebsweise „Parallelbetrieb von Wärmepumpe und BHKW in der Grundlast, Deckung der Mittellast mit dem BHKW und Spitzenlast mit dem Gasheizkessel“ 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“, wie Guigas erklärt. 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 wurde daraufhin um 3 K angehoben.

Wirtschaftlichkeit, übertragbare Erkenntnisse

Die Anlage wurde Ende Januar 2013 komplett abgerechnet. Die Investitionskos­ten für die Wärmeversorgung lag rund 3% über der Kostenschätzung von 2008. Dabei sind hauptsächlich Mehrkosten für den Abwasser-Wärmeübertrager durch den aufwendigen Einbau aufgrund der großen Abwassermenge entstanden. Auch MSR-Technik, Elektroinstallation und Planung waren etwas teurer als kalkuliert.
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 Einsparpotenzial in Bezug auf CO₂-Emissionen und Primärenergieeinsatz. Sorgfältige und detaillierte Planung vorausgesetzt, ist die Umsetzung von ähnlichen Anlagen ohne größere Probleme möglich.“ Wie EGS-Plan weiter feststellen konnte, funktioniert der Abwasser-Wärmeübertrager wie geplant. Er erreicht im Betrieb die Leistung laut Ausschreibung.
Durch die Optimierungsmaßnahmen konnten die Kosten für die Wärmeerzeugung um 15% gesenkt werden. Dazu wurde der Anteil der Wärmepumpe von 46% auf 55% erhöht und der thermische Anteil des BHKWs von 45% auf 40% gesenkt. So 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 gesunken ist. 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. Dazu ergänzt Guigas abschließend: „Die Betriebsergebnisse aus den ersten beiden Betriebsjahren sind positiv. Es konnten die Vorgaben aus dem Energiekonzept eingehalten bzw. übertroffen werden. Und der gemessene Deckungsanteil des innovativen Anlagenteils mit Wärmepumpe, Abwasser-Wärmeübertrager 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 somit die CO2-Emissionen um bis zu 54% bzw. ca. 180 t/a im Vergleich zu Einzelheizungen mit Gas-Brennwertkesseln.“

Literatur:
– DWA-Merkblatt 114 „Energie aus Abwasser, Wärme und Lageenergie“, Juni 2009
– „Energie aus Abwasser“. Herausgeber: Chris­tine Ziegler, Band III, Oldenbourg Industrie­verlag, München, 2011
– „Kompendium Abwasserwärmenutzung“. Ständig aktualisiertes Nachschlagewerk und Arbeitsinstrument für die Planung und Aus­führung von Maßnahmen zur Abwasser­wärmenutzung. Trialog Verlag Berlin, 2012

*) „Wärmeversorgung mit Wärmepumpe und Abwasserkanal-Wärmetauscher“. DBU-Abschlussbericht zum Bauvorhaben Terrot-Areal in Stuttgart-Bad Cannstadt. EGS-plan Stuttgart, 2013

Projektdaten
Bauvorhaben:„Seelberg-Wohnen“ (Terrot Areal) in 70372 Stuttgart-Bad Cannstadt
Auftraggeber: Siedlungswerk Stuttgart, ImmoTherm GmbH, Stuttgart
Auszeichnung: IWS-Immobilien–Award 2011
Architektur: Ackermann & Raff, Stuttgart
Planung Energie/Heizung: EGS-plan GmbH, Stuttgart
Wohnfläche: 17.500 m²
Sonstige Mietfläche: 2000 m²
Realisierung: 2009 bis 2012

Wärmetechnikdaten
CO₂-Reduzierung (Referenz dezentrale Gas-Brennwertkessel): 46 bis 54%
Jahresarbeitszahl Wärmepumpe: 3,8 bis 4,0
Heizleistungsbedarf: ca. 730 kW
Heiztechnik: Wärmepumpe mit Abwasserkanal-Wärmeübertrager,
Gas-BHKW, Gas-Niedrigtemperatur-Spitzenlastkessel
Leistung Wärmepumpe: 170 kW, 4-stufig
Wärmetauscherelemente im Kanal: „Therm-Liner Typ B“, Fabrikat Uhrig
Entzugsleistung im Kanal: 120 kW
Kanal: Sonderbauform Gerinne ø 1800
Abwassermenge: 200 l/s
Länge Wärmetauscherstrecke: 76 m
Durchfluss im Abwasser-Wärmeübertrager: 28,7 m³/h
Wärmeübertragerfläche, überströmt gesamt: 98 m² bzw. 1,29 m²/lfd. m

Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Die Nutzung von Wärme aus einem Abwasserkanal erfolgt in der Regel auf städtischem Grund. Welche Anforderungen müssen hier für die Erschließung zur Wärmenutzung im Allgemeinen beachtet werden?
Michael Guigas: Wichtig ist die rechtzeitige und umfassende Abstimmung mit dem Kanalbetreiber. Dies sind in der Regel die Stadtwerke oder dieStadtentwässerung. Die Randbedingungen für die Wärmenutzung sollten in einer gemeinsamen Nutzungsvereinbarung festgelegt werden. Zu beachten ist auch die Distanz zwischen dem Kanal und der Heizzentrale. Lange Anbindungswege durch den öffentlichen Bereich verteuern die Anlage.
IKZ-FACHPLANER: Ab welcher Projektgröße kann sich das von Ihnen realisierte und untersuchte Bauvorhaben für eine Abwasserwärmenutzung lohnen?
Michael Guigas: Aus Gründen der Betriebssicherheit sollten Anlagen zur Wärmenutzung aus Abwasser nicht als monovalente Anlagen geplant werden. Die Integration eines zweiten Wärmeerzeugers, z.B. eines Gasheizkessels, ist in jedem Fall zu empfehlen. Dadurch ergibt sich aus wirtschaftlichen Gründen eine Mindestanlagengröße von etwa 30 bis 40 kW Entzugsleistung aus dem Abwasser bzw. einer Heizleistung von mindestens 80 kW.
IKZ-FACHPLANER: Wie lange beträgt die Amortisationsdauer für die eingesetzte Heiztechnik im Projekt „Seelberg-Wohnen“, gegenüber der Standardversion mit Gas-Brennwertkesseln?
Michael Guigas: Im Vergleich zur Versorgung mit Gas-Brennwertkesseln amortisiert sich der innovative Anlagenteil der Wärmeversorgung, bestehend aus Abwasser-Wärmeübertrager, Wärmepumpe und Gas-Blockheizkraftwerk, innerhalb von ca. zehn Jahren.

Autor: Klaus W. König, Überlingen

Bilder: EGS-plan
www.egs-plan.de
www.energie-aus-abwasser.de
www.netzbewirtschaftung.de
www.e-qua.de