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Modellierung der Verteilung ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die Abwasserkanalisation

  • Im Rahmen der Weltklimakonferenz in Paris 2015 haben 197 Staaten ein gemeinsames Abkommen getroffen, das die Begrenzung der Erderwärmung um maximal 1,5 °C vorsieht. Dieses gemeinsame Ziel ist jedoch nur durch eine massive Verringerung des Treibhausgasausstoßes zu erreichen. Dabei bietet insbesondere der Wärmebereich ein großes Potential, den Ausstoß von Treibhausgasen signifikant zu senken. Entsprechend notwendig sind Technologien und Ansätze, die zu einer Reduzierung des Treibhausgasausstoßes führen. Ein Ansatz könnte die Verwendung bislang ungenutzter industrieller bzw. gewerblicher Abwärme sein, indem diese gezielt auf den bestehenden Abwasservolumenstrom übertragen wird. Somit wird die Abwassertemperatur maßvoll angehoben, ohne dabei die Abwassermenge zu verändern. Stromabwärts kann das gezielt erwärmte Abwasser vom Nutzer über die etablierte Technik einer Abwasserwärmenutzungsanlage entnommen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Ansatz weitergehend zu untersuchen und die Chancen und Risiken der Verteilung und Verwendung bislang ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die bestehende Kanalisation aufzuzeigen und zu modellieren. Dazu werden biologische, chemische und physikalische Einwirkungen und deren Auswirkungen auf den Kanalbetrieb und die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage analysiert. Die sich daraus ergebenden Einflüsse auf den Kanalbetrieb, die Kanalsubstanz, den Wärme¬transport und die folgende Wärmeentnahme sind im Modell berücksichtigt. Folglich ermöglicht das Modell – in Abhängigkeit von den vorliegenden Rahmenbedingungen – eine Aussage, ob eine auftretende Sulfidproblematik (Bildung von Schwefelwasserstoff) wahrscheinlich ist, wie hoch die Wärmeverluste über die Fließstrecke sind und wie viel Wärme letztlich dem Nutzer zur Verfügung gestellt werden kann. Abschließend wird das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Modell zur Modellierung der Verteilung ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die Abwasserkanalisation an einem Beispiel angewendet. Es kann dabei gezeigt werden, dass dieser Ansatz der (Ab)Wärmeverteilung über die bestehende Abwasserinfrastruktur sowohl für die Industrie als auch für den Nutzer einer Abwasserwärmenutzungsanlage vorteilhaft ist. Durch die industrielle bzw. gewerbliche Kühlung über die bestehende Abwasserinfrastruktur wird die Temperatur dieser Wärmequelle (Abwasser) der nachfolgenden Abwasserwärmenutzungsanlage erhöht, wodurch die Effizienz gesteigert werden kann. Somit wird der Ausstoß von Treibhausgasen sowohl auf Seiten der (Ab)Wärmequelle als auch der Wärmesenke reduziert, wodurch dieser Ansatz einen Bau¬stein zum Erreichen der Klimaschutzziele darstellen kann.
  • At the World Climate Conference in Paris in 2015, 197 countries made a joint agreement to limit future global warming to a maximum of 1.5 °C. However, this common goal can only be achieved by a massive reduction in greenhouse gas emissions. The heating sector in particular offers great potential for significantly reducing the amount of emitted greenhouse gases. Accordingly, technologies and approaches that lead to a reduction in greenhouse gas emissions are necessary. One possible approach is the use of so far unused industrial or commercial waste heat by transferring it specifically to the existing wastewater volume flow. Thus, the wastewater temperature is moderately raised without changing the wastewater quantity. Downstream, the purposefully warmed up wastewater can be extracted by the user over the established technology of a wastewater heat utilization plant. A goal of this thesis is, to further examine this approach and to point out and model the chances and risks of the distribution and use of so far unused industrial and commercial waste heat via the existing sewer system. For this purpose, biological, chemical, and physical impacts and their effects on the sewer operation are analysed as well as the economic efficiency of such system. The conceptualized model considers resulting influences on the channel enterprise, the channel substance, the heat transport, and the following heat extraction. Consequently, the model provides – depending on the present general conditions – grounds for a prediction whether a sulphide problem (formation of sulphur hydrogen) is likely to occur, how high the heat losses are along the flow path and how much heat can ultimately be made available to the user. Finally, the model developed in the context of this dissertation is applied to a real-life example, illustrating the distribution of unused industrial and commercial waste heat via the sewerage system. It can be proven that this approach of (waste-) heat-distribution via the existing wastewater infrastructure is advantageous for both the industry and the user of a wastewater heat recovery plant. By implementing the existing wastewater infrastructure in industrial or comercial cooling solutions, wastewater is successfully used as a heat sink. Consequently, the wastewater temperature is increased at the site of the wastewater heat recovery plant, resulting in an increase in efficiency. Thus, the output of greenhouse gases can be reduced on the side of the (waste-) heat source alike heat sinking, whereby this approach can represent a component for reaching the global climatic protection goals.

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Metadaten
Author:Philipp Müller
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-65252
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6525
Advisor:Karsten Körkemeyer, Ulrich Dittmer
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2021/08/20
Year of Publication:2021
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2021/06/11
Date of the Publication (Server):2021/08/23
Tag:Abwasserwärmenutzung; Abwasserwärmerückgewinnung; Gewerbliche Abwärme; Industrielle Abwärme
Number of page:XVI, 250
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell (CC BY-NC 4.0)