Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort

Transcriptie

1 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort Concept, 26 juni 2014

2

3 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort Warmtewinning uit rioolpersleiding voor de verwarming van het zwembad

4

5 Verantwoording Titel Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort Opdrachtgever Gemeente Amersfoort Projectleider Annemarie Wolters Auteur(s) Harry de Brauw Tweede lezer Barry Meddeler Projectnummer Aantal pagina's 22 (exclusief bijlagen) Datum 26 juni 2014 Handtekening Ontbreekt in verband met digitale verwerking. Dit rapport is aantoonbaar vrijgegeven. Colofon Tauw bv BU Ruimtelijke Kwaliteit Zekeringstraat 43 g Postbus NS Amsterdam Telefoon Fax Dit document is eigendom van de opdrachtgever en mag door hem worden gebruikt voor het doel waarvoor het is vervaardigd met inachtneming van de rechten die voortvloeien uit de wetgeving op het gebied van het intellectuele eigendom. De auteursrechten van dit document blijven berusten bij Tauw. Kwaliteit en verbetering van product en proces hebben bij Tauw hoge prioriteit. Tauw hanteert daartoe een managementsysteem dat is gecertificeerd dan wel geaccrediteerd volgens: - NEN-EN-ISO 9001 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 5\22

6 6\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

7 Inhoud Verantwoording en colofon Inleiding Nauwkeurigheid Riothermie Locatie Ontwerp Uitgangspunten Warmtevraag zwembad Persleiding, locatie warmtewisselaar en transportleiding Energetische balans Energievraag versus aanbod Energetisch overzicht Financieel Investeringskosten Besparingrendement Terugverdientijd Conclusie en aanbeveling Bijlage(n) 1 Schakelgedrag gemaal 2 Biofilmvorming minimaal in rioolpersleiding Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 7\22

8

9 1 Inleiding De gemeente Amersfoort is voornemens om een nieuw zwembad te realiseren in de gebiedsontwikkeling van het Hogekwartier. Het nieuwe zwembad zal straks geschikt zijn voor zowel de zwemsport als het recreatiezwemmen. De huidige projectplanning voorziet in een ingebruikname van het zwembad in De gemeente heeft de ambitie om in 2030 energieneutraal te zijn. In dit kader wil de gemeente het zwembad, binnen het economisch haalbare, zo duurzaam mogelijk realiseren. Uit een studie van Braaksma Wolting Adviseurs (BW Adviseurs) (dossier ) blijkt dat de energetische vraag van het zwembad gehalveerd kan worden door toepassing van isolatie en besparingsmaatregelen. De resterende energievraag wil men zo duurzaam mogelijk opwekken. Uit de kansenkaart riothermie die de gemeente in 2013 door Tauw heeft laten opstellen blijkt dat in de nabijheid van het zwembad een persleiding van het waterschap Vallei en Veluwe loopt met een thermische potentie van kw. Middels deze quickscan wil de gemeente inzichtelijk maken wat de technisch, energetisch en economisch haalbaarheid is om het zwembad te verwarmen middels riothermie. 1.1 Nauwkeurigheid Dit onderzoek betreft een quickscan waarin een riothermie ontwerp op hoofdlijnen is gemaakt. Het kan goed dienen als basis voor een definitief ontwerp. De verwachting is dat de nauwkeurigheid van deze quickscan ± 25 % bedraagt. 1.2 Riothermie Riothermie is de naam voor het principe waarmee thermische energie uit afvalwater in het riool kan worden teruggewonnen. Deze energie kan gebruikt worden voor het verwarmen of koelen van gebouwen of installaties, die in de buurt van de betreffende riolering staan. Hiertoe wordt een warmtewisselaar in contact gebracht met het afvalwater, waarmee warmte of koude wordt gewonnen. Het afvalwater stroomt over de warmtewisselaar en geeft haar energie hieraan af. Door de warmtewisselaar stroomt een transportvloeistof die thermische energie uitwisselt met het afvalwater en deze via een leiding transporteert naar de afnemer. De temperaturen zijn dan nog relatief laagwaardig (afhankelijk van het seizoen tussen ongeveer 9 en 20 ºC) en meestal nog niet direct bruikbaar. Een warmtepomp brengt de temperatuur naar een bruikbaar niveau. Bij warmtewinning zal het afvalwater in temperatuur dalen, bij koude winning zal het afvalwater juist in temperatuur stijgen. Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 9\22

10 Figuur 1.1 Principeschema Riothermie 1.3 Locatie In het Hogekwartier zullen de komende jaren circa 800 woningen, een sporthal en zwembad gerealiseerd worden. Het bouwoppervlak strekt zich uit van de Eem langs de Hogeweg tot voorbij de kruising met de Operaweg. Het zwembad zal gerealiseerd worden in de sporthal welke ten oosten van de Operaweg komt te liggen. De persleiding van het waterschap ligt parallel aan de Eem aan de overzijde. De ontwikkeling van het Hogekwartier en de ligging van de persleiding zijn weergegeven in onderstaande figuren. 10\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

11 Figuur 1.2 Het Hogekwartier ( Persleiding Zwembad Figuur 1.3 Locatie zwembad en persleiding Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 11\22

12 2 Ontwerp 2.1 Uitgangspunten De volgende technische uitgangspunten zijn in dit ontwerp gehanteerd: Debiet dwa-afvoer rioolwater (continue over de dag) 75 l/s Periode van warmtewinning per dag 18 uur Temperatuur rioolwater (over het jaar) 9 20 C Binnen diameter persleiding 700 mm Afstand tussen zwembad en riool 600 m Type warmtewisselaar: Geintegreerd in riool, RVS Warmteoverdrachtscoëfficient warmtewisselaar 25 W/m/K Lengte warmtewisselaar 30 m Rendementsverlies door biofilmvorming 20% Afzet temperatuur bij zwembad 43 C Temperatuur transportmedium 4 C COP 4,1 4,5 Prijs elektra 0,09 /kwh Prijs gas 0,52 /m 3 CO2 uitstoot elektra 56,7 kg/gj CO2 uitstoot gas 1,78 kg/m 3 Referentie situatie HR ketels, gas Deze uitgangspunten zijn in onderstaande paragraven onderbouwd. 2.2 Warmtevraag zwembad In tabel 2 is een schatting van het energieverbruik per maand weergegeven. Deze schatting is gebaseerd op de belastingduurkromme die door BW-Adviseurs is opgesteld. Het betreft de energievraag na toepassing van alle door BW-Adviseurs voorgestelde besparingsmaatregelen. Tevens is weergegeven hoeveel gas nodig is wanneer deze energievraag met HR-ketels wordt ingevuld. Dit is het referentiescenario in deze studie. 12\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

13 Tabel 2.1 Schatting warmtevraag van het zwembad per maand en gasverbruik met bijbehorende kosten wanneer het zwembad met HR ketels wordt verwarmd. Maand Energie Gas Kosten (GJ) (m 3 ) (Euro) Januari Februari Maart April Mei Juni Juli Augustus September Oktober November December Totaal Persleiding, locatie warmtewisselaar en transportleiding Debiet afvalwater De persleiding vanuit Leusden naar de rwzi Amersfoort heeft een binnendiameter van 700 mm. Het gemaal pompt discontinue wat zichtbaar is in bijlage 1 (weergave van een droge periode). In de nachtelijke uren tussen 2.00 en 8.00 uur wordt nauwelijks water verpompt. Wanneer het gemaal aanstaat verpompt deze maximaal 1200 m 3 /h. Gemiddeld over de dag (periode van 18 uur) bedraagt het debiet in een droge periode 75 l/s wat als maatgevend wordt genomen. Dit is gemeten in de periode van 7 juni tot en met 23 juni 2014: in deze 17 dagen is m 3 afvalwater verpompt (83069/17/18/3,6 = 75 l/s). Momenteel pompt het gemaal dus niet met een continu debiet maar met een schakelgedrag waarbij het gemaal maximaal pompt of uit staat. Het gemaal is voorzien van frequentieregelaars. Zodoende is het mogelijk om het gemaal met een continu debiet te laten pompen. In hoeverre de berging in de pompput/ het bovenstroomse stelsel dit toestaat dient nader onderzocht te worden. Sedimentatie en biofilmvorming Wanneer het gemaal met een lager continue debiet pompt kan dit ten gevolge hebben dat sedimentatie in de leiding optreed. Daarnaast bestaat de kans dat biofilmvorming op de wand van de buis (en daarmee de warmtewisselaar) optreed. Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 13\22

14 Door deze biofilmvorming kan het rendement van de warmtewisselaar met wel 50 % teruglopen. Dit kan eenvoudig voorkomen worden door regelmatig het gemaal op vol vermogen te laten pompen en daarmee de rioolleiding te flushen. Hierdoor wordt tevens eventueel aanwezige sediment weggespoeld. Verdere uitleg omtrent biofilmvorming staat in bijlage 2 vermeld. Temperatuur afvalwater De temperatuur van het rioolwater in deze persleiding wordt niet gemonitord. Als uitgangspunt wordt genomen dat de temperatuur varieert tussen 9 C in de winter en 20 C in de zomer. Dit zijn gangbare temperaturen voor rioolwater. Mogelijk dat in de winter als gevolg van smeltwater lagere temperaturen optreden, dit is van korte duur en wordt daarom niet als maatgevend genomen. Door de warmte onttrekking zal de temperatuur van het rioolwater in de winter met ongeveer 0,5 C afnemen. Naar verwachting zal dit geen problemen voor het nitrificatieproces op de zuivering opleveren, aangezien deze leiding slechts een beperkt aandeel van het totale afvalwater op de zuivering aanlevert. Wel adviseren wij hierover in contact te treden met het waterschap. Locatie warmtewisselaar De b.o.b. van de persleiding ligt op een diepte van ongeveer 2 m onder maaiveld. De persleiding loopt parallel aan de Eem en ligt deels onder het fietspad, berm en weg. Om de persleiding van een warmtewisselaar te voorzien zal een deel van de bestaande persleiding opgegraven en vervangen moeten worden. De meest opportune locatie voor de warmtewisselaar zal nader bepaald moeten worden. De berm, weergegeven in onderstaand figuur, lijkt een goede mogelijkheid te zijn. Hierbij dient rekening gehouden te worden met een gemeentelijk persriool en een KPN datatransportkabel die tevens in deze berm liggen (blijkt uit Klic-melding), daarbij staan er bomen in de berm. Lokaal onderzoek zal meer inzicht geven in de werkzaamheden en kosten die gemoeid zijn met de plaatsing van de warmtewisselaar. Afhankelijk van de massa van de warmtewisselaar en de draagkracht van de bodem zal mogelijk fundering toegepast moeten worden. Type warmtewisselaar De lengte en het materiaal van de rioolwarmtewisselaar bepaald in belangrijke mate hoeveel thermische energie er onttrokken kan worden uit de persleiding. Doordat de beschikbare ruimte voor het opgraven van de leiding beperkt is wordt gekozen voor een RVS-warmtewisselaar. Deze heeft een veel hoger rendement dan PE-warmtewisselaars. Het vaststellen van de lengte van de warmtewisselaar is een iteratief proces waarbij gekeken wordt naar energievraag, opbrengst en kosten. Een lengte van ongeveer 30 m lijkt tot een optimale situatie te leiden. Een langere lengte resulteert in beperkte meeropbrengst tegen hogere investeringskosten. Een kortere lengte is minder lonend doordat de basiskosten van het systeem (onder andere ontwerpkosten, transportleiding) gedragen moeten worden door een kleinere opbrengst uit het riool. 14\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

15 Transportleiding Vanaf de rioolwarmtewisselaar zal de warmte via een transportleiding (ongeveer Ø 150 mm) naar de technische ruimte van het zwembad verpompt worden. Uitgangspunt is dat het transportmedium uit water bestaat. Het is mogelijk om (biologische) glycol toe te voegen om zo met lagere temperaturen te werken en bevriezing te voorkomen. Vanaf de warmtewisselaar dient de Eem gekruist te worden. Een gestuurde boring lijkt hiervoor de beste oplossing te bieden (afstand van 50 m). Vanaf de overzijde bedraagt de afstand tot het zwembad nog ongeveer 550 m. Wij gaan ervan uit dat de leidingen meegelegd kunnen worden in de werkzaamheden van de gebiedsontwikkeling. Zodoende zijn hiervoor geen graafkosten opgenomen. Warmtewisselaar boring Transportleiding Figuur 2.1 Het Hogekwartier ( De temperatuur van het transportmedium zal in de winter tussen ongeveer 4 C (heen) en 6 C (retour) liggen. In de zomer tussen 4 en 10 C. De bodem heeft een temperatuur van ongeveer 10 C. Zodoende hoeft de transportleiding niet geïsoleerd te worden. De transportleiding zal zich zelfs als bodemwarmtewisselaar gedragen wat een positieve bijdrage heeft aan de warmtewinning. Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 15\22

16 3 Energetische balans 3.1 Energievraag versus aanbod In onderstaand figuren is het energieverbruik van het zwembad en het aanbod vanuit de riolering (inclusief warmtepomp) weergeven. Hierbij is uitgegaan van een COP van 4,1 in de winter en 4,5 in de zomer. Zichtbaar is dat een groot deel van de basislast vanuit het riool geleverd kan worden. In de winter is er een tekort aan warmte, deze pieklast dient op een andere manier ingevuld worden. Een duurzame methode is riothermie met WKO te combineren. Het energieoverschot in de zomer dekt ruimschoots het tekort in de winter. Dit overschot kan gedurende de zomer in de bodem gebufferd worden voor benutting in de winter. Dit principe maakt geen onderdeel uit van deze studie en is daarom niet verder uitgewerkt. Wij adviseren om dit alsnog te doen aangezien het zeer lonend kan zijn. Wij gaan ervan uit dat het tekort aan warmte ingevuld zal worden door gasketels. Doordat gasketels niet heel kostbaar zijn (het verstoken van gas wel) adviseren wij het totaal benodigde vermogen aan gasketels te installeren (ongeveer 550 kw). Voordeel hiervan is dat er een volwaardig back-up systeem is voor het geval dat er tijdelijk geen warmte uit het riool geleverd kan worden (calamiteit). 16\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

17 1400,0 1200,0 Energie aanbod en vraag per maand Energie (GJ) 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 jan feb mrt apr mei jun jul aug sep okt nov dec Maand Warmte aanbod Warmte vraag Figuur 3.1 Energie aanbod en vraag per maand Vermogen (KW) Maximaal aanbod en gevraagd vermogen per maand 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 jan feb mrt apr mei jun jul aug sep okt nov dec Maand Warmte aanbod Warmte vraag Figuur 3.2 Maximaal aanbod en gevraagd vermogen per maand Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 17\22

18 3.2 Energetisch overzicht In ondertaande tabel zijn de kenmerken van de referentie situatie (gas gestookt zwembad) weergegeven. In de volgende tabel is de situatie weergegeven van de riothermie + gas gestookte situatie. Tabel 3.1 Energielevering per bron per jaar in de referentie situatie voor verwarming Bron Energie (GJ) Energie (%) Kosten (Euro) CO2-uitstoot (ton) Riool 0 0% 0 0 Elektra 0 0% 0 0 Gas % Totaal % Tabel 3.2 Energielevering per bron per jaar in de riothermie situatie Bron Energie Energie Kosten CO2-uitstoot (GJ) (%) (Euro) (ton) Riool % 0 0 Warmtepomp (Elektra) % Gas (backup) % Totaal % Financieel 4.1 Investeringskosten In onderstaande tabel zijn de geraamde investeringskosten (meerkosten ten opzichte van de variant met gas) voor de bouw weergeven. Tevens is de levensduur van de verschillende onderdelen opgenomen. Doordat nog geen details bekend zijn over het nieuwe zwembad en de locaties waar de warmtewisselaar geplaatst zal worden heeft deze raming nog veel onzekerheden. Nader onderzoek is nodig om dit nauwkeuriger op te stellen. 18\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

19 Tabel 4.1 Overzicht van werkzaamheden en bijbehorende kosten Werkzaamheden Riothermie (euro) Levensduur (jaren) Bodem en sonderingsonderzoek Graafwerk, plaatsen een aansluiten wtw Verkeersmaatregelen Inzet zuigwagens Warmtewisselaar Gestuurde boring (2 * 150 mm) Transportleiding niet geïsoleerd (550 m) Pompen circulatiesysteem Warmtepomp (350 kw) Buffervat (2) Platenwisselaar primair Tekenen, montage en projectleiding In bedrijf stellen Algemene kosten en winst Bouwkosten Investeringskosten 114 %* * 4% ontwerpkosten, 10% onvoorzien 4.2 Besparingrendement Onderstaande tabel geeft een vergelijking van de kosten en CO 2 uitstoot van de variant gas gestookt versus riothermie. Hieruit blijkt dat met riothermie per jaar ongeveer EUR wordt bespaard ten opzichte van een door HR-ketels verwarmde situatie. De CO 2 uitstoot zal met 319 ton afnemen. Tabel 4.2 Kosten en CO 2 uitstoot per concept per jaar Variant Kosten (Euro) CO2-uitstoot (ton) Gas Riothermie + gas Verschil Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 19\22

20 4.3 Terugverdientijd In onderstaand figuur is de terugverdientijd (netto contante waarde berekening) van het riothermie systeem weergegeven. Deze bedraagt bij gelijk blijvende energietarieven ongeveer 13,5 jaar. Bij stijgende tarieven bedraagt de terugverdientijd ongeveer 9,5 jaar. Hierbij is uitgegaan van: Gasprijs: 0,52 Eur/m 3 Elektraprijs: 0,09 Eur/kWh Discontovoet: 1 % Stijging elektraprijs per jaar: 2 % Stijging gasprijs per jaar: 4 % Onderhoudskosten: EUR/jaar Stijging onderhoudskosten per jaar: 2 % Naar verwachting zullen de onderhoudskosten aan de rioolwarmtewisselaar minimaal zijn (deze is ook zeer lastig bereikbaar). Door het regelmatig flushen van het riool blijft de warmtewisselaar schoon. y = 1712, x , x , Netto Contante Waarde Incl trending Excl trending NCW y = -202, x , x , Jaren Figuur 4.1 Netto contante waarde 20\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

21 5 Conclusie en aanbeveling Uit dit onderzoek blijkt dat het toepassen van riothermie ten behoeve van het zwembad energetisch en economisch voordelig is. De ruimtelijke haalbaarheid van het plaatsen van de rioolwarmtewisselaar in de berm dient nader onderzocht te worden, evenals de gestuurde boring en de mogelijkheid om de transportleiding mee te leggen in de ontwikkeling van het gebied. Doordat in de zomer een groot warmte overschot aanwezig is en de winter een tekort kent, biedt dit kansen voor de toepassing van WKO. Hierdoor zal het mogelijk zijn om grotendeels onafhankelijk van gas te worden. Wij adviseren om de kansen hieromtrent verder uit te zoeken. Wij adviseren om in vroegtijdig stadium in contact te treden met waterschap Vallei en Veluwe om deze quickscan met hen te bespreken. Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept 21\22

22 22\22 Quickscan riothermie zwembad Hogekwartier, Amersfoort, Amersfoort - versie 1 - Concept

23 Bijlage 1 Schakelgedrag gemaal

24

25 Onderstaande afbeelding laat het schakelgedrag van het gemaal Leusden op een droge dag zien. De grijze lijn is het gemeten debiet. De blauwe lijn is het waterniveau in de pompbak. Zichtbaar is dat in de nachtelijke uren aanzienlijk minder water wordt verpompt.

26

27 Bijlage 2 Biofilmvorming minimaal in rioolpersleiding

28

29 Door de vuillast in het warme afvalwater kan een biologische aanslag op de warmtewisselaar ontstaan. Deze zogenaamde biofilm heeft een isolerend effect waardoor de uitwisseling van thermische energie tussen afvalwater en warmtewisselaar verminderd. Onderzoek door het Zwitserse aquatisch onderzoeksinstituut Eawag wijst uit dat de biofilmvorming, en het effect hiervan op de warmtewisselaar, gereduceerd wordt wanneer de stroomsnelheid van het afvalwater regelmatig boven 1 m/s ligt. Hierdoor wordt de meeste biofilm verwijderd, waardoor het rendementsverlies beperkt wordt tot ongeveer 20 %. 1 Wanneer het gemaal van Leusden maximaal pompt, bedraagt de stroomsnelheid 0,87 m/s (1200 m 3 /h / 0,38 m 2 = 0,87 m/s). Hoewel dit iets onder 1 m/s ligt, zal deze stroomsnelheid naar verwachting voldoende zijn om biofilmvorming grotendeels te voorkomen. Het is dus gewenst om regelmatig te flushen, ook in periodes van droogweer. Hoe vaak dit exact nodig is zal moeten blijken uit monitoring. Invloed van biofilmvorming op de warmteoverdacht door een warmtewisselaar, gemeten in een testopstelling van Eawag. Na 3 weken blijkt de warmteoverdrachtscapaciteit gehalveerd te zijn. Door de stroomsnelheid te verhogen naar 1 m/s wordt het rendement verhoogd tot ongeveer 80 à 90 % 1 Bron: Biofilms hamper heat recovery, O. Wanner (2006), EAWAG