Projekt 27080/01

Nahwärmeversorgung mit Wärmepumpe und Abwasserkanal-Wärmetauscher Terrot-Areal Stuttgart-Bad Cannstatt

Projektträger

ImmoTherm GmbH
Heusteigstr. 29
70180 Stuttgart
Telefon: 0711 2381-385

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Innerstädtische Revitalisierung eines ehemaligen Produktionsgeländes mit Sanierung und Neubau. Re-duzierung des Primärenergiebedarfes durch guten baulichen Wärmeschutz und den Einsatz von intelli-genter Technik mit Wärmepumpe und BHKW. Nutzung der lokalen Ressource Wärme aus Abwasser.
Innovative Wärmeverteilung im Nahwärmenetz zur Optimierung der Wärmeerzeugung.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf Basis einer Energiekonzeptstudie wurde die Umsetzung der Versorgungsvariante Elektrische Wär-mepumpe mit Abwasserwärme, Gas-Blockheizkraftwerk (BHKW) und Gas-Spitzenkessel beschlossen. Diese Variante verbindet die Vorteile einer Wärmeerzeugung mit geringen Emissionen vor Ort mit einer relativ großen Einsparung von Primärenergie bzw. CO2-Emissionen von über 40 %. Die Wärmepumpe mit ca. 155 kWth stellt die Grundlast zur Verfügung. Mit einem im Abwasserkanal (Hauptsammelkanal) in der Daimlerstraße unweit vom Baugebiet (Entfernung ca. 100 m) eingebauten Abwasser-Wärmetauscher wird dem Abwasser Wärme entzogen und der Wärmepumpe als Quelle zugeführt. Das BHKW mit 100 kWth und 50 kWel und die Wärmepumpe speisen zur hydraulischen Entkopplung von Wärmeverteilung und Erzeugung jeweils in einen Pufferspeicher mit 5.000 Liter ein. Das BHKW erzeugt den Antriebsstrom für die Wärmepumpe, wodurch ein wesentlicher Teil der CO2-Emissionen eingespart werden kann. Die Abwärme aus dem BHKW wird dazu genutzt, den Vorlauf der Kombination Wärmepumpe / Gas-BHKW anzuheben. In Spitzenlastzeiten oder bei Ausfall von Wärmepumpe oder BHKW speist der Gas-Niedertemperaturkessel mit der Leistung von ca. 575 kW in die Wärmeversorgung ein. Spezielle Wär-meübergabestationen mit Auskühlung des Rücklaufes aus der Erwärmung der Warmwasserzirkulation über die Heizung lassen niedrige Rücklauftemperaturen erwarten. Durch die Vernetzung der Stationsreg-ler mit der zentralen DDC und das Monitoring der Gesamtanlage über zwei Jahre soll der Anlagenbetrieb optimiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die sorgfältige und detaillierte Planung ist die Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung und den späteren optimalen Betrieb von derartigen Anlagen. Grundsätzlich wird empfohlen für die Hauptkompo-nenten Wärmepumpe und Abwasser-Wärmetauscher in der Leistungsbeschreibung ein Kennfeld vorzu-geben und die Leistung der Komponenten jeweils im Betrieb zu überprüfen. Der Einbau der dafür benö-tigten Messtechnik ist in jedem Fall sinnvoll und zu empfehlen. Zusätzlich wird empfohlen für die Be-triebsoptimierung mindestens im ersten Betriebsjahr detaillierte Messungen an der Anlage durchzuführen. Dazu wird der Einbau eines Monitoringsystems mit Fernüberwachung, das kostengünstig in die Mess- Steuer- und Regeltechnik integriert werden kann, empfohlen.
Die Umsetzung des Projektes begann 2009 mit den ersten Hochbauten und war inkl. Anschluss der Ge-bäude im zweiten Bauabschnitt zum Jahresende 2012 abgeschlossen. Die Inbetriebnahme der Anlage zur Wärmeversorgung im Automatikbetrieb war im April 2011. Die abgerechneten Kosten liegen etwas über der Kostenschätzung von 2008.
Die Leistungsfähigkeit von Abwasser-Wärmetauscher und Wärmepumpe wurde im Betrieb überprüft. Beide Anlagenkomponenten erfüllen die Anforderungen entsprechend Leistungsverzeichnis.
Die anfänglich häufigen Störungen der elektrischen Wärmepumpe konnten beseitigt werden. Seit etwa einem Jahr läuft die Anlage weitgehend störungsfrei. Die Gebäude im zweiten Bauabschnitt waren zum Projektende im Dezember 2012 noch nicht bezogen und wurden nur mit Wärme für Bauheizung versorgt. Der in 2012 gemessene Wärmebedarf ist aus diesem Grund etwa 7 % geringer als nach Bezug dieser Gebäude. Der Abwasser-Wärmetauscher wurde in einem in der Erschließungsstraße zum Baugebiet gelegenen großen Abwasserkanal eingebaut. Große Abwassermengen von max. 3.000 Liter/Sekunde und 500 Liter/Sekunde in der Nacht erforderten ein spezielles Konzept für den Einbau, der über Nacht erfolgen musste. Für das Projekt Terrot-Areal wurde erstmals ein speziell für große Wassermengen entwickelter Wärmetauschertyp eingesetzt. Die Betriebsergebnisse aus den ersten beiden Betriebsjahren sind positiv. Die Vorgaben
aus dem Energiekonzept werden eingehalten bzw. übertroffen. Der gemessene Deckungsanteil des in-novativen Anlagenteils mit Wärmepumpe, Abwasser-Wärmetauscher und Gas- Blockheizkraftwerk liegt bei über 90 %. Die Nutzung der lokalen Ressource Abwasser, der Einsatz von intelligenter Technik und eine innovative Wärmeverteilung mit niedrigen Temperaturen reduziert im Vergleich zur Beheizung mit Gas die CO2-Emisssionen um ca. 54 % bzw. ca. 180 Tonnen pro Jahr.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Anlage wurde im Rahmen der Veranstaltung „SymposiumIn Abwasserkanälen mit großen Wassermengen wie beim Terrot-Areal können mit eingebauten Wärme-tauschern große Wärmemengen mit hohen Vorlauftemperaturen problemlos entzogen werden. Gleich-zeitig ist der Einbau der Wärmetauscher infolge der großen Wassermenge erschwert und erfordert ein spezielles Konzept. Die Absenkung der Systemtemperaturen durch die Optimierung der Wärmeverteilung ist die Voraussetzung für die Einbindung von Wärmepumpen in Nahwärmeversorgungen. Die zentrale Mess-, Steuer- und Regeltechnik ist ein wichtiger Bestandteil zur Optimierung der Anlage. Die Auf-schaltung der Hausstationen über einen Datenbus ermöglicht die Optimierung des Gesamtsystems bis zur Einspeisung der Wärme in die Gebäude. Mit dieser Technik können Fehler in der Anlage schnell und ohne großen Aufwand erkannt und beseitigt werden. Der Einsatz von Abgas-Wärmetauschern für das Gas- Blockheizkraftwerk ist wirtschaftlich und führt zu einer Ausnutzung des Brennstoffes Gas von ma-ximal 105 %. Die Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Abwasser-Wärmetauscher und Wärmepumpe ist zu empfehlen. Dazu ist im Leistungsbeschrieb jeweils ein Kennfeld dieser Komponenten einzufordern. Einzelne Betriebspunkte sind nicht ausreichend, da diese im Betrieb nicht exakt überprüft werden kön-nen. Mit Bezug auf den Wärmebedarf 2012 zum Teil ohne den zweiten Bauabschnitt werden mit der ausgeführten Anlage die Vorgaben im Energiekonzept bzgl. Arbeitszahlen Wärmepumpe und CO2-Emissionen erreicht bzw. unterschritten. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist der Anteil der Kombi-nation Wärmepumpe und BHKW zu maximieren. Die Wärmeversorgung mit Elektrischer Wärmepumpe, Abwasser-Wärmenutzung, Gas- Blockheizkraft und Gas-Spitzenkessel ist ein gutes Konzept für inner-städtische Wohnquartiere mit hohem Einsparpotential bzgl. CO2-Emissionen und Primärenergieeinsatz. Die sorgfältige und detaillierte Planung vorausgesetzt, ist die Umsetzung von ähnlichen Anlagen ohne größere Probleme möglich. Große Wärmepumpen“ am 04.02.2010 in Stuttgart vorgestellt. Die Ergebnisse aus dem Projekt wurden / werden bei folgenden Veranstaltungen der Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA) vorgestellt: DWA-Workshop „Wärmegewinnung aus Abwasser" am 15. November 2012 in Stuttgart und DWA-Seminar „Heizenergie aus Abwasser“ am 18. und 19.02.2013 in Hamburg. Die Messergebnisse der Anlage sind online auf der Homepage von EGS-plan abrufbar.


Fazit

In Abwasserkanälen mit großen Wassermengen wie beim Terrot-Areal können mit eingebauten Wärme-tauschern große Wärmemengen mit hohen Vorlauftemperaturen problemlos entzogen werden. Gleich-zeitig ist der Einbau der Wärmetauscher infolge der großen Wassermenge erschwert und erfordert ein spezielles Konzept. Die Absenkung der Systemtemperaturen durch die Optimierung der Wärmeverteilung ist die Voraussetzung für die Einbindung von Wärmepumpen in Nahwärmeversorgungen. Die zentrale Mess-, Steuer- und Regeltechnik ist ein wichtiger Bestandteil zur Optimierung der Anlage. Die Auf-schaltung der Hausstationen über einen Datenbus ermöglicht die Optimierung des Gesamtsystems bis zur Einspeisung der Wärme in die Gebäude. Mit dieser Technik können Fehler in der Anlage schnell und ohne großen Aufwand erkannt und beseitigt werden. Der Einsatz von Abgas-Wärmetauschern für das Gas- Blockheizkraftwerk ist wirtschaftlich und führt zu einer Ausnutzung des Brennstoffes Gas von ma-ximal 105 %. Die Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Abwasser-Wärmetauscher und Wärmepumpe ist zu empfehlen. Dazu ist im Leistungsbeschrieb jeweils ein Kennfeld dieser Komponenten einzufordern. Einzelne Betriebspunkte sind nicht ausreichend, da diese im Betrieb nicht exakt überprüft werden kön-nen. Mit Bezug auf den Wärmebedarf 2012 zum Teil ohne den zweiten Bauabschnitt werden mit der ausgeführten Anlage die Vorgaben im Energiekonzept bzgl. Arbeitszahlen Wärmepumpe und CO2-Emissionen erreicht bzw. unterschritten. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist der Anteil der Kombi-nation Wärmepumpe und BHKW zu maximieren. Die Wärmeversorgung mit Elektrischer Wärmepumpe, Abwasser-Wärmenutzung, Gas- Blockheizkraft und Gas-Spitzenkessel ist ein gutes Konzept für inner-städtische Wohnquartiere mit hohem Einsparpotential bzgl. CO2-Emissionen und Primärenergieeinsatz. Die sorgfältige und detaillierte Planung vorausgesetzt, ist die Umsetzung von ähnlichen Anlagen ohne größere Probleme möglich.