Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung

Synthesebericht zum Forschungsprojekt KREIS, Band 30

Thomas Giese, Jörg Londong

Kurzübersicht

KREIS ist ein transdisziplinäres Forschungsprojekt, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit KREIS wurden innovative Konzepte und Verfahren für die Versorgung und Entsorgung urbaner Räume am Beispiel einer konkreten Umsetzung des HAMBURG WATER Cycle® (HWC) weiterentwickelt und erforscht.
KREIS ist die Abkürzung für „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“ und bedeutet sinngemäß, dass untersucht wird, unter welchen Rahmenbedingungen zur Deckung des Strom– und Wärmebedarfs eines Stadtquartiers die hier anfallenden (Ab)Wässer und Bioressourcen in Verbindung mit weiteren regenerativen Energiequellen genutzt werden können.
Konzeptuelle Grundlage des HWC ist die getrennte Erfassung, Sammlung, Behandlung und Nutzung der Abwasserteilströme Schwarzwasser, Grauwasser und Niederschlagswasser.
ISBN: 978-3-944101-56-9
Veröffentlicht: Dezember 2015, 1. Auflage, Einband: Broschur, Abbildung und Tabellen: Zahlreiche Tabellen und Abbildungen, viele davon farbig., Seiten 190, Format B5, Gewicht 0 kg
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32,80 €

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Details

Thomas Giese, Jörg Londong

Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung – Synthesebericht zum Forschungsprojekt KREIS

 

Band 30 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is). 16. Jahrgang 2015.


2015. Format B5. Hardcover. 190 Seiten. Zahlreiche Tabellen und Abbildungen, viele davon farbig. ISBN  978-3-944101-56-9. Preis 32,80 Euro.

RHOMBOS-VERLAG, Berlin 2016

 

Herausgeber von Band 30:

Thomas Giese
HAMBURG WASSER
Billhorner Deich 2
20539 Hamburg
http://www.hamburgwasser.de/home.html


Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Bauhaus-Universität Weimar
Professur Siedlungswasserwirtschaft
Coudraystraße 7
99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

 

Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/
Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das neu gegründete Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.

Dem b.is gehören an:


Professur Siedlungswasserwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Junior-Professur Urban Energy Systems
http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html

Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold
http://www.ahpkg.de/index.php?id=93

 

Vorwort der Verbundprojektsteuerung


Das Verbundforschungsprojekt KREIS hatte zum Ziel, die Umsetzung des HAMBURG WATER Cycle® in der Jenfelder Au in Hamburg wissenschaftlich vorzubereiten und seine Übertragbarkeit sicher zu stellen. Daher wurde neben der Identifikation von Auslegungsgrößen für die Ableitung und Behandlung der Stoffströme Schwarz- und Grauwasser der Betrachtungsrahmen in KREIS erweitert und die innovativen stoffstromorientierten Konzepte weiterentwickelt.
Der vorliegende Bericht zum Verbundforschungsprojekt KREIS wurde als Synthese der Forschungsarbeiten auf Basis der von den Verbundpartnern beantworteten, im Forschungsprojekt gemeinsam definierten Forschungsfragen und der Veröffentlichungen der Verbundpartner erstellt.
Die Struktur des Berichtes wurde im Managementteam des Verbundprojektes abgestimmt. Die Auswahl der Ergebnisse, die Berichtstiefe und die Bewertung von Ergebnissen wurden im Wesentlichen von Jörg Londong vorgenommen.
Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Verbundprojektes. Unser Dank gilt allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die in KREIS mitwirkten. Alle Namen und Partner sind in Kapitel 1.4 aufgeführt.
Die Verbundprojektsteuerung durch HAMBURG WASSER (Kim Augustin, Thomas Giese, Wenke Schönfelder und Anne Skambraks) und die Bauhaus-Universität Weimar (Jörg Londong und Matthias Hartmann) wurde durch ein effektives Managementteam, das aus den Leitern der Arbeitspakete bestand, aktiv unterstützt. Wir danken Harald Drück, Martin Oldenburg und Engelbert Schramm.
Wir hoffen, dass der Bericht einen Überblick über die Komplexität des Vorhabens gibt und dennoch die wichtigsten Ergebnisse verständlich wiedergibt.

Thomas Giese (HAMBURG WASSER)           Jörg Londong (Bauhaus-Universität Weimar)

Förderhinweis:

Das Forschungsverbundprojekt „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer
Stadtentwässerung“ (KREIS) wurde im Zeitraum 2011 bis 2015 vom Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen FKZ 033L047 A gefördert.

Kurzfassung

KREIS ist ein transdisziplinäres Forschungsprojekt, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit KREIS wurden innovative Konzepte und Verfahren für die Versorgung und Entsorgung urbaner Räume am Beispiel einer konkreten Umsetzung des HAMBURG WATER Cycle® (HWC) weiterentwickelt und erforscht.
KREIS ist die Abkürzung für „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“ und bedeutet sinngemäß, dass untersucht wird, unter welchen Rahmenbedingungen zur Deckung des Strom– und Wärmebedarfs eines Stadtquartiers die hier anfallenden (Ab)Wässer und Bioressourcen in Verbindung mit weiteren regenerativen Energiequellen genutzt werden können.
Konzeptuelle Grundlage des HWC ist die getrennte Erfassung, Sammlung, Behandlung und Nutzung der Abwasserteilströme Schwarzwasser, Grauwasser und Niederschlagswasser.
Schwarzwasser eignet sich aufgrund seiner hohen Konzentration an organischen Stoffen für eine Vergärung und somit für die Produktion von Biogas. Weitere Bioressourcen, wie z.B. Fette, Speisereste, Rasenschnitt oder Fraktionen davon können in der Vergärungsanlage für Schwarzwasser mitbehandelt werden und liefern zusätzlich Wärme und Strom. Der Strom kann in das öffentliche Netz eingespeist werden; ein Teil der Wärme wird für die Temperierung der Vergärungsanlage verwendet, der Wärmeüberschuss kann zur Nutzung im Stadtquartier zur Verfügung stehen.
Grauwasser soll mit energieschonenden Verfahren gereinigt und in die Umwelt zurückgeführt werden. Die direkte Einleitung des behandelten Grauwassers in ein urbanes Gewässer hat Vorteile, auch eine anderweitige Nutzung (z.B. als Spülwasser für die Toiletten) ist möglich. Das Niederschlagswasser wird naturnah und vor Ort bewirtschaftet.
Da Unterdrucktoiletten andere Geräusche machen als die allseits bekannten Spültoiletten, wurden diese anhand von Schalluntersuchungen bewertet. Es ist bekannt, dass Inkrustationen in Unterdrucksystemen auftreten können. Für Schwarzwasser lagen bisher nur wenige Erfahrungen vor. Daher wurde die Unterdruckentwässerung für Schwarzwasser eingehend untersucht. Insbesondere aus dem Demonstrationsprojekt Flintenbreite ist bekannt, dass die Einbauhinweise der Unterdruckentwässerungsanlagen im Gebäude einen signifikanten Einfluss auf die Geräuschbelastung hat. Daher wurden hierzu und zum Betrieb der Anlagen Empfehlungen erarbeitet und publiziert. Die Mechanismen der Bildung von Ablagerungen in Unterdruckentwässerungs¬systemen zur Schwarzwasserableitung sind identifiziert und Möglichkeiten zur Verhinderung bzw. Beseitigung sind erarbeitet worden.
Die Verfügbarkeit von Bioressourcen im Umfeld des Stadtquartiers wurde erhoben, das Potenzial für die Nutzung lokaler Ressourcen zur gemeinsamen Vergärung mit dem Schwarzwasser wurde ermittelt. Rasenschnitt und Fettwasser, die in unmittelbarer Nähe zum Stadtquartier gesammelt werden können, sind als Co-Substrate in der Schwarzwasservergärung geeignet. Deren Vor- und Mitbehandlungsoptionen wurden erprobt und beschrieben.
Ziel der Behandlung der Stoffströme ist es, Wertstoffe zu gewinnen und Schadstoffe zu entfernen. Kernforschungsfrage war: Auf Basis der im Verbundforschungsprojekt KREIS gewonnen Kenntnisse zu Anfallmengen und der Zusammensetzung der Teilströme konnten technische Verfahren zur Stoffstrombehandlung im Vorfeld der Umsetzung in der Jenfelder Au entwickelt und angepasst werden.
Zur Charakterisierung von Grauwasser wurden Probenahmekampagnen durchgeführt. Versuche zur Aufbereitung der im Umfeld des Stadtquartiers identifizierten Bioressourcen und die Auslegung der anaeroben Behandlung von Bioressourcen und Schwarzwasser machten die Dimensionierung der Anaerobanlage in der Jenfelder Au möglich. Da die später hier produzierten Gärreste einer sinnvollen Verwertung zugeführt werden sollen, waren die Untersuchung der Arzneimittelelimination aus dem Schwarzwasser während der anaeroben Behandlung und die P-Rückgewinnung aus Gärresten Projektziele. Die anaerobe Schwarzwasserbehandlung mit und ohne Co-Substrat konnte stabil betrieben werden.
Zu untersuchende Arzneimittel wurden nach ihrer Relevanz ausgewählt. Die Abbauversuche zeigen Unterschiede im Verhalten je nach Reaktorsystem, Substratmischung und Raumbelastung. Auf Basis der Ergebnisse konnte ein neues Behandlungsdesign für die Betriebsphase abgeleitet werden.
Die Verfahren zur Gärrestaufbereitung wurden aus den möglichen Verwertungspfaden abgeleitet. Ein umfassendes Konzept zum Umgang mit den bei der Vergärung anfallenden Gärresten wurde erarbeitet und Optionen für die Umsetzung aufgezeigt.
Für die Betrachtungen in KREIS wurden 3 Systeme definiert: Als Referenzsystem wurde ein konventionelles Infrastruktursystem mit einer Schwerkraftentwässerung im Trennsystem zu einer zentralen Kläranlage und einer Anbindung an ein Erdgassystem verwendet. Das zu realisierende System am Standort Jenfelder Au (System 2) und ein weitergehendes System, das die im Rahmen des KREIS-Projektes untersuchten und entwickelten Komponenten im Maßstab Jenfelder Au (System 3) berücksichtigt, dienten zum Vergleich. Bei System 2 wurde davon ausgegangen, dass alle Gebäude über ein Nahwärmenetz an einen zentralen Wärmespeicher angeschlossen sind. Dieser wird mit Mikrogasturbinen, einem Blockheizkraftwerk und zwei Spitzenlastkesseln beladen. In System 3 wird teilweise mit einem konventionellen Nahwärmenetz und zentralem Wärmespeicher, der von zwei Mikrogasturbinen, einem Spitzenlastkessel und dezentralen Sonnenkollektoren beladen wird, und Teilgebiet mit einem kalten Nahwärmenetz mit dezentralen Wärmepumpen mit Grundwasser als Wärmequelle und dezentrale Sonnenkollektoren. Ein Teil des Strombedarfs wird über PV-Module gedeckt, die über das gesamte Wohngebiet verteilt sind.
Für die energetische Gesamtkonzeption von Stadtquartieren wurde ein Modell entwickelt, mit dem die zeitlichen Verläufe von Energiebedarf und -angebot dynamisch simuliert und optimale Konfigurationen und Betriebsweisen einzelner Komponenten im Verbund für das Stadtquartier Jenfelder Au aufgezeigt wurden. Hierbei wurden primär das energetische sowie primärenergetische Verhalten von verschiedenen ausgewählten Energieversorgungskonzepten berücksichtigt. Der Vergleich der oben beschriebenen Systeme ergab, dass beim Referenzsystem der höchste Primärenergiebedarf besteht. Beim in der Jenfelder Au realisierten System können etwa 22 % der Primärenergie eingespart werden. Das in KREIS optimierte System würde zu über 50% Einsparung des Primärenergiebedarfes gegenüber dem realisierten Konzept führen.
Die Umsetzung des HWC im Stadtquartier Jenfelder Au wurde in KREIS aus ökonomischer Sicht analysiert, um die Potenziale für die künftige Anwendung des Konzeptes zu identifizieren. Je nach Fragestellung wurden zur Beurteilung und zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit die Kapitalwertmethode, die Kosten-Nutzen-Analyse und die Nutzwertanalyse verwendet.
Mithilfe eines ökonomischen Bewertungs- und Entscheidungsmodells wurden außerdem verschiedene zentrale und dezentrale Infrastruktursysteme für die Ver- und Entsorgung urbaner Räume verglichen. Anhand der Modellrechnungen auf Basis der bei der späteren Umsetzung des HWC-Konzeptes in der Jenfelder Au sollen der Einfluss der Dezentralität untersucht und kostenrelevante Größen identifiziert werden. Durch Variation der Größe des Projektgebietes kann die Wirtschaftlichkeit für verschiedene Projektgebietsgrößen ermittelt werden. Anhand dieser Untersuchungen wird das optimale Maß der Dezentralität in Bezug auf die Größe abgeleitet werden können.
Die ökologische Bewertung des HWC sowie der Vergleich mit anderen Infrastruktursystemen wurden durch Bilanzierung von negativen ökologischen Auswirkungen und positiven ökologischen Auswirkungen möglich. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass alle untersuchten Systeme, in denen eine innovative Stadtteilentwässerung mit regenerativer Energieerzeugung gekoppelt wird, bezüglich der untersuchten ökologischen Wirkungskategorien vorteilhaft im Vergleich zum konventionellen System sind.
Im Unterschied zu den sich global oder zumindest überregional auswirkenden Emissionen stehen die lokalen Umwelteinwirkungen, welche von den betrachteten Systemvarianten und -prozessen emittiert werden. Diese führen potenziell zu Belastungen der lokalen Bevölkerung und der lokalen Ökosysteme. Relevante Faktoren treten in Form von Geräuschen und Gerüchen auf.
Die konkreten Emissionsorte lokaler Umweltwirkungen sind Unterdrucktoiletten, das Unterdrucksystem, Küchenabfallzerkleinerer und die Vergärungsanlage mit BHKW bzw. Mikrogasturbine auf dem Betriebsgelände. In der Betriebsphase werden Messungen zu den lokalen Umweltwirkungen nach dem in KREIS festgelegten Konzepten und Methoden erfolgen.
Bislang ist nur wenig darüber bekannt, ob und wie sich neue Technikangebote auf die Wassernutzung in den Haushalten auswirken und welche Akzeptanz sie finden.
Welche Veränderungen sich im Nutzerverhalten ergeben können, soll in der Betriebsphase über eine umfassende sozio-empirische Befragung herausgefunden werden.
Bei der Umsetzung des HWC waren auch organisatorische und institutionelle Fragen zu beachten und vorzubereiten. In KREIS wurde ermittelt, welcher Koordinationsbedarf bei der Umsetzung und beim Betrieb auf der Quartiersebene zu erwarten ist. Ein frühzeitiges Kooperationsmanagement ist erforderlich.
Mit KREIS wurden die Grundlagen für die Bilanzierung und Bewertung sowohl des im Bauprojekt realisierten HWC als auch der im Forschungsprojekt KREIS entwickelten Systeme geschaffen.
Mit einer intensiven Öffentlichkeitsarbeit in Form von Ausstellungen, Plakaten, Fachaufsätzen in nationalen und internationalen Zeitschriften, Vorträgen bei nationalen und internationalen Konferenzen sowie Internetauftritten wurde eine hohe Bekanntheit des Projektes geschaffen.

Executive Summary

KREIS is a transdisciplinary research project funded by the German Federal Ministry of Education and Research. The KREIS project refined and researched innovative concepts and methods of the supply and disposal networks in urban spaces using the example of a concrete implementation of the Hamburg Water Cycle ® (HWC), which is a concept of integrated wastewater disposal and energy supply systems in urban spaces.
KREIS (meaning “cycle” in German) stands for the linking of regenerative energy production to innovative wastewater engineering in cities, which means that the project is concerned with the general framework in which the need for electricity and heat the quarters of a city have can be met by using the locally accruing (waste)water and bioresources in combination with other regenerative sources of energy.
The basic concept of HWC is the separated collection, treatment, and usage of the different wastewater streams of blackwater, greywater, and rainwater.
Due to its high content of organic substances, blackwater can be used very well in digestion and thus in the production of biogas. Other bioresources like fats, food residuals, grass clippings or fractions of these substances can also be treated in the blackwater digestion plant and can supply additional heat and electricity. This electricity can be fed into the public grid. The heat is in part used to temper the digestion plant; what remains is available for usage in the quarter.
It is intended to treat the greywater with energy-conserving methods and to lead it back into the environment. Leading treated greywater directly into urban waters has its advantages, but an alternative usage (e.g. as flushing water in toilets) is also feasible. The rainwater is used nature-oriented and locally.
As vacuum toilets produce different noises than the widely-known flush toilets, acoustic noise analyses were conducted to assess the noise level. It is a known fact that incrustations might form in vacuum systems. So far, only little experience with blackwater has been collected on this subject. This is why the vacuum drainage of blackwater was thoroughly examined. Especially the demonstration project “Flintenbreite” had shown that the way in which the vacuum system is installed into a building has a significant influence on the noise level. Therefore, advice on this matter and on the operating of the system was gathered and published. The causes that lead to the formation of incrustations in the vacuum system used for the disposal of blackwater were identified and approaches of avoiding and eliminating incrustations were developed.  
The availability of bioresources in the vicinity of the quarter was assessed, the prospects of using local resources for the joint digestion with blackwater were determined. Grass clippings and fatty water, which can be collected in the immediate surroundings of the quarter, can be used as co-substrates in the blackwater digestion. The options of these substances in the pre-treatment and co-treatment were tested and recorded.
It is the goal of the treatment of material streams to extract recyclable materials and to eliminate pollutants. Based on the knowledge about the quantity and contents of the partial streams that was gained from the joint research project KREIS, the main research focus was put on the development and adaptation of engineering methods of the material flow treatment in preparation of the implementation in the residential project Jenfelder Au.
Several series of samples were taken in order to examine the contents of the greywater. Experiments on the treatment of the bioresources identified in the vicinity of the quarter and the development of the anaerobic treatment of bioresources and blackwater enabled the researchers to decide on the size of the anaerobic plant at Jenfelder Au. As good use is to be made of the digestate that will be produced here later, it was a distinct goal of the project to eliminate pharmaceutical products in the blackwater during the anaerobic treatment and to recover the phosphor from the digestate. It was possible to conduct the anaerobic treatment of blackwater with and without co-substrates in a stable manner.  
The examined pharmaceutical products were chosen according to their relevance. Experiments on their decomposition show differences in behaviour depending on reactor system, substrate mixture, and thus volumetric loading. Based on the results it was possible to develop a new treatment design of the operating phase.
Which methods of digestate treatment were used was derived from the possible recycling paths. A comprehensive concept of how to treat the digestate from the digestion process was developed and options of its implementation were presented.
Three systems were defined in the studies of the KREIS project. The system of reference was a conventional infrastructure system with gravity drainage and a connection to a natural gas grid. The system that is to be realised at the site of Jenfelder Au (system 2) and an advanced system that takes the components into consideration that have been examined and developed during the KREIS project on the scale of Jenfelder Au served as a comparison. System 2 assumed that all buildings were connected to thermal energy storage through a local heat system. This thermal energy storage is equipped with micro gas turbines, a block heat and power plant and two peak load boilers. System 3 works in part with a conventional local heat system and a central thermal energy storage that is equipped with two micro gas turbines, one peak load boiler and decentralized solar panels, as well as, in one section, with a cold local heat system with decentralized heat pumps, that use groundwater as their heat source, and decentralized solar panels. The necessary electricity is in part supplied by PV modules that are spread across the whole living quarter.
Addressing the overall energetic concept of quarters, a model was designed that dynamically simulates the temporal development of the energy need and energy supply and shows optimal configurations and modes of operation of combinations of individual components at the quarter Jenfelder Au. In order to do so, various selected energy supply concepts were taken into consideration especially with regard to their behaviour in terms of energy and primary energy. The comparison of the systems described above showed that the system of reference had the highest need for primary energy. The system realised at Jenfelder Au was able to save about 22 % of primary energy. The system optimized in the KREIS project would save more than 50 % of the necessary primary energy in comparison to the implemented concept.
The KREIS project analysed the implementation of the HWC concept at the quarter Jenfelder Au with regard to its economic aspect in order to identify the prospects of future implementations. Dependent onof the question the net present value method, the cost-benefit analysis, and the cost-utility analysis were used to assess and calculate the economic efficiency.
In addition, various central and decentralized infrastructure models of the supply and disposal systems of urban spaces were compared to each other by using an economic evaluation and decision model. By means of model calculations based on the subsequent implementation of the HWC concept at Jenfelder Au, the influence of decentrality is to be examined and cost-relevant factors are to be identified. By varying the size of the project area, the economic capability of different project area sizes can be determined. Based on these studies, the optimal degree of decentrality with regard to size can be derived.
The ecological evaluation of the HWC concept as well as the comparison to other infrastructure systems was realized by balancing negative and positive ecological consequences. The results reveal that all the examined systems that combine innovative quarter drainage with regenerative energy production show advantages in the evaluated ecological impact categories in comparison to the conventional system.
There is a difference between emissions, which have a global, or at least transregional effect, and the local environmental effects that are emitted from the examined system variants and processes. These might put a strain on the local population and the local ecosystem. Relevant factors occur in the form of noises and odours.
The concrete sources of emissions of local environmental effects are the vacuum toilets, the vacuum system, garbage disposal units, and the digestion plant with the block heat and power plant or micro gas turbines located on the site. During the operating phase, the local environmental effects will be measured according to the concepts and methods as established by the KREIS project.
So far, little is known about the questions of whether and how new technologies affect the use of water in households and what acceptance they will gain. What changes in user behaviour might be caused is to be ascertained with the help of a comprehensive socio-economic survey during the operating phase.
Implementing the HWC concept, also organisational and institutional questions had to be considered and prepared. The KREIS project determined the necessary coordination that is to be expected during the realization and operation on the quarter level. An early cooperation management is necessary.
The KREIS project created the foundation of the balancing and evaluation of the HWC concept realised in the building project as well as of the systems that were developed in the KREIS research project.
Intensive public relation work in the form of exhibitions, posters, technical papers in national and international journals, lectures at national and international conferences, and internet presentations made the project widely known.

Zusammenfassung

KREIS ist ein transdisziplinäres Forschungsprojekt, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit KREIS wurden innovative Konzepte und Verfahren für die Versorgung und Entsorgung urbaner Räume am Beispiel einer konkreten Umsetzung des HAMBURG WATER Cycle® (HWC) weiterentwickelt und erforscht.
KREIS ist die Abkürzung für „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“ und bedeutet sinngemäß, dass untersucht wird, unter welchen Rahmenbedingungen zur Deckung des Strom– und Wärmebedarfs eines Stadtquartiers die hier anfallenden (Ab)Wässer und Bioressourcen in Verbindung mit weiteren regenerativen Energiequellen genutzt werden können.
Konzeptuelle Grundlage des HWC ist die getrennte Erfassung, Sammlung, Behandlung und Nutzung der Abwasserteilströme Schwarzwasser, Grauwasser und Niederschlagswasser.
Die 10 wichtigsten im Verbundforschungsprojekt KREIS gewonnen Ergebnisse sind:

  •    Die Auslegung der Technik zur Ableitung und Behandlung von Grau- und Schwarzwasser zur Umsetzung im Bauprojekt wurde ermöglicht.
  •    Die Neuartigkeit des HWC mit dem Unterdrucksystem für die Schwarzwasserentwässerung betrifft alle Akteure und bedarf einer guten Abstimmung zwischen Planung und Ausführung des Bauprojekts JENFELDER AU. Um fehlerhafte Bauausführungen und ggf. Nachbesserungen zu vermeiden und den Wohnkomfort langfristig zu sichern, wurde ein Handbuch „Qualitätssicherung der Unterdruckentwässerung in Wohngebäuden der Jenfelder Au“ erarbeitet.
  •   Diverse Optionen für die Wärme- und Stromversorgung unter Einbeziehung der Biogasnutzung aus der Schwarzwasser- und Bioressourcenvergärung wurden dynamisch simuliert und detailliert bewertet.
  •  Um fehlende Kenntnisse zur Beschreibung und Behandlung von Grauwasser auszuräumen, wurden an verschiedenen Grauwassersystemen die Konzentrationen, Abflüsse und Temperaturen bestimmt und daraus einwohnerspezifische Frachten ermittelt. Hierzu wurde ein eigens auf Probenahmen, in unmittelbarer Nähe zum Abwasserentstehungsort angepasstes Entnahmesystem eingesetzt. Grauwasser kann nun deutlich besser charakterisiert werden.
  •  Sekundäre Bioressourcen (Co-Substrate), die in unmittelbarer Nähe zum Stadtquartier gesammelt und für die Energieerzeugung durch anaerobe Fermentation genutzt werden können, sind mit Rasenschnitt und Fettwasser identifiziert worden. Deren Vor- und Mitbehandlungsoptionen wurden erprobt und beschrieben.
  •  Die anaerobe Schwarzwasserbehandlung mit und ohne Co-Substrat konnte sowohl in CST-Reaktoren (continuous flow stirred-tank reactor) als auch in UASB-Reaktoren stabil betrieben werden. Mit dem UASB-Verfahren (upflow anaerobic sludge blanket) konnten, bezogen auf die zugführte organische Feststofffracht, deutlich höhere Gaserträge erzielt werden.
  • Da wenig zum anaeroben Ab-/Umbau von Arzneimitteln bekannt ist, wurden zunächst zu untersuchende Stoffe nach ihrer Relevanz ausgewählt. Die Ergebnisse der Abbauversuche zeigen Unterschiede im Verhalten je nach Reaktorsystem (UASB besser als CSTR), Substratmischung und dadurch Raumbelastung. Auf Basis der Ergebnisse konnte ein neues Behandlungsdesign für die Betriebsphase abgeleitet werden.
  • Die Grundlagen für die Bilanzierung und Bewertung sowohl des im Bauprojekt realisierten HWC als auch der im Forschungsprojekt KREIS entwickelten Systeme, wurden geschaffen. Erste theoretische Berechnungen zum Energiekonzept und zur Verwendung von Küchenabfallzerkleinern müssen im Praxisbetrieb überprüft werden. Die Referenz-Geruchsmessung im Baugebiet zeigt eine deutliche Vorbelastung, insbesondere infolge einer Hefefabrik und der Gastronomie im Umfeld.
  • Mit einer intensiven Öffentlichkeitsarbeit in Form von Ausstellungen, Plakaten, Fachaufsätzen in nationalen und internationalen Zeitschriften, Vorträgen bei nationalen und internationalen Konferenzen sowie Internetauftritten wurde eine hohe Bekanntheit des Projektes geschaffen.
  • Das praktizierte Forschungsverbundmanagement hat sich bewährt und maßgeblich zur Erreichung der Projektziele beigetragen, auch wenn es aufgrund neuer Vorgehensweisen relativ aufwändig war.

 

Bewertung und Ausblick

Viele der in KREIS gewonnen Erkenntnisse gehen über die realen Umsetzungs-möglichkeiten in der Jenfelder Au hinaus, sind aber für das integrierte Konzept und die Übertragbarkeit des HWC auf andere Verhältnisse unabdingbar. Daher sollten die anwendungsorientierten Forschungen, die mit KREIS vorbereitet wurden, fortgeführt werden.
Aufgrund der Risiken in der Umsetzung der Behandlungstechnologien wird in einem ersten Schritt zunächst primär die Schwarzwasserbehandlung in einem CST-Reaktor baulich umgesetzt. Die weitgehende Reinigung von Grauwasser zu Vorflutqualität und die Verwertung der flüssigen und festen Gärreste sowie eine optimierte anaerobe Behandlung in einem UASB-Reaktor kann nur halbtechnisch realisiert werden. Hierzu ist allerdings eine Weiterführung des Forschungsprojektes Voraussetzung.
Verzögerungen in Bauprojekt hatten in einigen AP gravierende Auswirkungen, besonders bei der Bewertung. Hier konnten die notwendigen Methoden bestimmt werden. Eine Anwendung war jedoch nur äußerst begrenzt möglich. Eine Anwendung der in KREIS vorbereiteten Bewertung ist notwendig um Erkenntnisse über die weiteren Anwendungsmöglichkeiten des HWC zu bekommen.
In dem Folgeprojekt sollte eine Fokussierung der Arbeitsziele auf den Bereich der Wasserforschung sowie deren Ausrichtung an der notwendigen Umsetzung im Stadtquartier Jenfelder Au erfolgen. Da wichtige Fragen im Hinblick auf die Behandlung der Teilströme und vor allem der Verwertung der Produkte erst unter den realen Bedingungen am Standort Jenfelder AU untersucht werden können, ist die Fortführung des Verbundforschungsprojektes von einer erfolgreichen Bebauung und Besiedlung des Standquartiers abhängig. In 2016 ist mit den ersten Anwohnern zu rechnen, die dann über die fertiggestellten Grau- und Schwarzwasserableitungssysteme entsorgt werden. Ab Herbst 2016 könnten dann die groß- und halbtechnischen Behandlungsanlagen betrieben werden.

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung    1

Executive Summary    5

1    Einleitung    9
1.1    HAMBURG WATER Cycle® (HWC)    9
1.2    Bauprojekt Jenfelder Au in Hamburg    10
1.3    Forschungsprojekt KREIS    13
1.4    Ziel und Aufbau des Syntheseberichts    14


2    Untersuchte Systeme und Systemgrenzen    17

3    Innovative Stadtentwässerung    21
3.1    Einleitung    21
3.2    Erfassen, Transportieren, Speichern    23
3.2.1    Überblick    23
3.2.2    Unterdrucktoiletten    23
3.2.3    Unterdruckentwässerung    23
3.2.4    Verfügbarkeit, Sammlung und Speicherung von Bioressourcen    31
3.2.5    Konsequenzen und Empfehlungen    34
3.3    Behandeln    35
3.3.1    Behandlungsziele und Fragestellungen    35
3.3.2    Charakterisieren    36
3.3.3    Grauwasserbehandlung    43
3.3.4    Schwarzwasserbehandlung    47
3.3.5    P-Rückgewinnung aus Gärresten    57
3.3.6    Wesentliche Ergebnisse Behandeln und Empfehlungen    58
3.4    Verwerten    60
3.4.1    Gärrestekonzept    60
3.4.2    Empfehlungen    62
3.5    Zusammenfassung und Ausblick zum Thema innovative Stadtentwässerung    63

4    Regenerative Energiegewinnung und -nutzung    65
4.1    Zielsetzungen und Fragestellungen    65
4.2    Nutzbare Energiequellen und Technologien    68
4.2.1    Biogas und Biogaserzeugung    68
4.2.2    Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Biogasnutzung    70
4.2.3    Wärmegewinnung aus Grundwasser    72
4.2.4    Wärmerückgewinnung aus Grauwasser    72
4.2.5    Einsatz von Sonnenkollektoren    75
4.3    Entwicklung und Vergleich von Energieversorgungskonzepten    76
4.3.1    Eingangsgrößen, Methodik und Systemsimulationen    76
4.3.2    Ergebnisse    84
4.4    Realisiertes bzw. zu realisierendes Energie- und Betriebskonzept    88
4.5    Konsequenzen und Ausblick zum Thema Energie    88

5    Bewertung der neuen Technologien und Konzepte    90
5.1    Ökonomische Bewertung    90
5.1.1    Zielsetzungen und Vorgehensweise    90
5.1.2    Identifikation von Methoden zur ökonomischen Bewertung    91
5.2    Bewertung von Umweltaspekten    111
5.2.1    Makroökologische Betrachtung Ökobilanz    111
5.2.2    Mikroökologische Auswirkungen Lärm und Geruch    118
5.3    Akzeptanz    125
5.3.1    Akzeptanz der HWC-Technologie    125
5.3.2    Akzeptanz hinsichtlich Geruchs- und Lärmemissionen    126
5.4    Kooperationsmodelle zur Umsetzung des HWC    127
5.5    Ergebnisse und Empfehlungen der Arbeiten  zum Thema Bewertung    128

6    Forschungsverbundmanagement    131
6.1    Management und Koordination    131
6.1.1    Definition gemeinsamer Ziele und Forschungsfragen    131
6.1.2    Organisation der Arbeit und Teamentwicklung    132
6.1.3    Vernetzung der Forschungsarbeiten    133
6.1.4    Transdisziplinarität    134
6.2    Integration und Kommunikation    134
6.2.1    Synthesebildung    134
6.2.2    Beteiligung Externer    135
6.2.3    Integrationsworkshops    135
6.2.4    Homepage als Kommunikationsschnittstelle    137
6.2.5    Öffentlichkeitsarbeit    138
6.3    Fachveröffentlichungen    148
6.3.1    Publikationen in nichtwissenschaftlichen Zeitschriften und Interviews    148
6.3.2    Vorträge und Publikationen bei Kongressen    149
6.3.3    Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften und Büchern    157
6.4    Zusammenfassung und Bewertung des Forschungsverbundmanagements    158

7    Zusammenfassende Bewertung    161
7.1    Zusammenfassung    161
7.2    Bewertung und Ausblick    162

Referenzen    165


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