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Nutzung von Trinkwasser für die Wärmegewinnung mit Wärmepumpen

                                                Nutzung von Grund- und Trinkwasser
                                           für die Wärmegewinnung mit Wärmepumpen

Dies ist ein kurzer Auszug aus einer Studie, die auch zum Innovationspreis Berlin/Brandenburg 1999 eingereicht wurde.

Zielstellung und Ausgangsdaten

Die Suche nach den alternativen Energiequellen der Zukunft ist in den vergangenen Jahren zunehmend stärker in Gang gekommen. Neben Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie, der Wind- und Wasserkraft und der Geothermie befinden sich dabei auch Wärmepumpen als Technologie zur Umweltwärmenutzung (Luft, Erdreich, Wasser) im monovalenten, bivalenten oder auch trivalenten Betrieb auf dem Vormarsch.

Eine dabei immer im Vordergrund stehende Frage ist für private Nutzer oder auch für Großerzeuger in der Wirtschaftlichkeit der Energieerzeugung zu sehen. Nur wenige nutzbare Umweltwärmequellen können den wirtschaftlichen monovalenten Betrieb einer Wärmepumpe garantieren. In den meisten Fällen macht sich der Einsatz eines zweiten Wärmeerzeugers erforderlich, um den Wärmebedarf in Spitzenbelastungszeiten (niedrige Außentemperaturen im Winter) zu decken. Zu den wenigen Wärmequellen, die eine ganzjährige Wärmeversorgung durch eine Wärmepumpe gestatten, gehört das Grundwasser mit seiner über das ganze Jahr über nahezu konstanten Temperatur.

Für den einzelnen Nutzer oder Betreiber eines Wärmeerzeugers bedeutet die Nutzung von Grundwasser die Einrichtung von zwei Brunnen - den Förderbrunnen für die Grundwasserentnahme und den Sickerbrunnen für die Wiedereinspeisung des Grundwassers. Dazu muß die wasserrechtliche Genehmigung eingeholt werden, was verständlicherweise vor allem in Trinkwassereinzugsgebieten auf nicht unerhebliche Schwierigkeiten stößt. Hinzu kommt dann, wenn man die wasserrechtliche Genehmigung erhalten sollte, der hohe Aufwand für das Anlegen der Brunnen.

Es kann aber auf die Einrichtung neuer, zusätzlicher Brunnen verzichtet werden, wenn die vorhandenen Kapazitäten für die Trinkwasserversorgung genutzt werden. Dazu gehören die Brunnengalerien zur Grundwasserentnahme, die Rohwasserleitungen, die Reinwasserbehälter und die Leitungen des Versorgungsnetzes der Berliner und Brandenburger Wasserbetriebe. Warum Ressourcen also nicht doppelt Nutzen?

Das geförderte Grundwasser hat nach eigenen Angaben der Berliner Wasserbetriebe eine durchschnittliche und ganzjährig nahezu konstante Temperatur von etwa 100°C. In den Filterhallen einiger Wasserwerke hat das Wasser bereits Temperaturen um ca. 130°C. Diese dürften damit vor dem Problem stehen, inwieweit die nach DIN 2000 geforderte Trinkwassertemperatur von 50°C bis 150°C besonders in wärmeren Jahreszeiten und bei Förderung über längere Strecken eingehalten werden kann. Die Nutzung des geförderten Grundwassers als alternative Energiequelle für die Wärmeversorgung mittels Wärmepumpen könnte erhebliche Energiemengen freisetzen bei gleichzeitiger Gewähr der besseren Einhaltung der Temperaturanforderungen an Trinkwasser durch die dabei eintretende Temperaturabsenkung.

Im Land Berlin werden durch die Wasserwerke nach Angaben der Berliner Wasserbetriebe täglich ca. 800.000 m³ Trinkwasser produziert. Bei Annahme der Nutzung von 10 % dieses Trinkwasservolumens für die Wärmeerzeugung und einer mittleren Temperaturabsenkung um 50°C ergäbe das eine Wärmemenge von etwa:

    Qd = c · m ·  = 1,163 · 80000·5
    Qd = 465.200 kWh/d   oder
    Qa = 169.798 MWh/a.

Diese Wärmemenge würde ausreichen, um den Wärmebedarf für Heizung und Warmwasserbereitung von etwa 9000 bis 10000 Haushalten zu decken.

Bei der Nutzung des Grund- und Trinkwassers als Wärmequelle kann davon ausgegangen werden, daß je nach angestrebter Vorlauftemperatur (s. Anlage 3) wirtschaftliche Leistungszahlen der Wärmepumpe von 3,0 bis 3,5 (Wärmeleistung/elektr. Anschlußleistung) und Jahresarbeitszahlen von mindestens 2,5  (jährl. Wärmemenge/elektr. Arbeit) ganzjährig erreichbar sind.

Um die o.g. Wärmemengen (Qa) zu erzeugen, wäre eine Elektroenergiemenge von

    Wel = Qa/w = 169798 / 2,5
    Wel  = 67.919 MWh

erforderlich. Bei einem Sondertarif für Elektroenergie (incl. MWSt.) von 0,15 DM/kWh oder 150 DM/MWh würde sich ein Preis für die Wärmeenergie in Höhe von (ohne Betriebs- und Kapitalkosten für die Wärmepumpenanlage)

    PQ = 60 DM/MWh

ergeben. Ein Heizkostenvergleich für verschiedene Heizungsarten ist aus der Tabelle ersichtlich.

             Jährliche Betriebskosten Heizung im Vergleich in DM

 

Nennwärmeleistung

 

8,5 kW

11,9 kW

35 kW

Gas-Einzelheizung

1570,00

1996,00

4555,00

Elektro-Einzelheizung

1264,00

1732,00

4849,00

Elektro-Fußbodenheizung

1420,00

1933,00

5546,00

Gas-Zentralheizung

1441,00

1827,00

4448,00

Öl-Zentralheizung

1298,00

1625,00

3997,00

Fernwärme

1612,00

2170,00

6168,00

Elektro-Tentralspeicher

1541,00

2109,00

6112,00

monovalente Wärmepumpe

675,00

910,00

2415,00

                    erstellt von IFO-Institut - (ohne Warmwasserbereitung und Mehrwertsteuer)

Hinzu kommt die erhebliche Reduzierung bzw. Vermeidung von Schadstoffemissionen, wie sie bei der Verwendung der Brennstoffe Öl, Gas oder Kohle zu erwarten sind. Der Einsatz einer Wärmepumpenheizung mit Grundwasser als Wärmequelle anstelle einer zentralen Ölheizung bewirkt eine Reduzierung der heizsystembedingten CO2-Emissionen um etwa 60%.

Anlagenkonzept

Grundsätze

Die Einbindung des Verdampferteils von Wärmepumpen (s. Anlage 1) ist im Prinzip an allen Stellen des Trinkwassernetzes möglich. Oberstes Gebot sind dabei jedoch die Nähe zu den Abnehmern und ein ausreichender Mindestvolumenstrom bzw. Wasservorrat. Um günstige Leistungszahlen der Wärmepumpen zu garantieren, sollten 600°C Vorlauftemperatur nicht überschritten werden. Das verlangt infolge von Wärmeverlusten, die in geringem Umfang auch bei gedämmten Heizungsrohren auftreten, möglichst kurze Wege vom Erzeuger bis zum Verbraucher.

Je nach Standort des Verbrauchers wären möglich:

  • Einbindung in die Rohwasserleitungen von den Tiefbrunnen bis zum Wasserwerk
  • Innerhalb des Wasserwerkes selbst könnte die Einbindung in der Leitung von der Enteisenungsanlage zu den Schnellfiltern erfolgen oder direkt im Reinwasserbehälter vorgesehen werden
  • Einbindung an verschiedenen Stellen der Hauptleitungen des Versorgungsnetzes bzw. in den Reinwasserbehältern von Pumpwasserwerken.

Durch diese Möglichkeiten könnten die Berliner und auch die Brandenburger Wasserbetriebe innerhalb kurzer Zeit ein umfangreiches Netz der Wärmeversorgung schaffen, das flexibel auf die jeweiligen Wärmebedarfsgrößen eingestellt werden kann.

Der Betrieb der Anlagen könnte - nach Qualifikation der Mitarbeiter - durch die Wasser-betriebe erfolgen, was zusätzlich Kosten spart.

Die Summe aller Vorteile

  • Schonung der knappen Energiereserven
  • Minderung der CO2-Emissionen
  • Reduzierung der Schadstoffemissionen
  • Erschließung erheblicher Energiemengen durch Nutzung der vorhandenen Kapazitäten der Wasserwirtschaft und Sicherung des monovalenten Betriebs unter Reduktion der Investitionskosten

Auf einfache und kostengünstige Art kann aus einem Wasserversorger zusätzlich ein Wärmelieferant werden.