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