„Demonstrationsvorhaben Stadtquartier Jenfelder Au – Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“
Projektförderung:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektlaufzeit: 11/2011 bis 10/2014
BUW- Projektleitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
BUW- Projektbearbeiter:
Professur Siedlungswasserwirtschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Dipl. Ing. Matthias Hartmann
Dipl.-Ing. Stephanie Klein
Dipl.-Ing. Jan Sievers
Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft
Mag. Sc. Stefan Seböck
M. Sc. Tobias Wätzel
M. Sc. Daniela Trümer
Professur Betriebswirtschaftslehre im Bauwesen
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. H.W. Alfen
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Andrea Lück
Dipl.-Ing. Ilka Nyga
Projektpartner:
Hochschule Ostwestfalen-Lippe (HSOWL)
Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE)
Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT)
Öko-Institut e.V. (OEKO)
Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
Hamburger Stadtentwässerung A.ö.R. (HSE)
Buhck Umweltservices GmbH & Co. KG (BUHCK)
Consulaqua Hamburg GmbH (CAH)
Vacuum Sanitärtechnik GmbH & Co. KG (VST)
Problemstellung
Der Wandel verschiedener Rahmenbedingungen auf globaler wie auf lokaler Ebene gewinnt bei der Realisierung und Bewirtschaftung von Siedlungen in Ballungsräumen immer stärker an Bedeutung. Die Energiewende und in wachsendem Maße ökonomische Zwänge, die abnehmende Verfügbarkeit von Siedlungsflächen und die Forderung nach effizienter Ressourcennutzung machen eine Anpassung der städtischen Infrastruktur erforderlich. Es gilt neue Technologien und Konzepte zu entwickeln, die effizient mit Energie, Nährstoffen und Wasser umgehen und zugleich den Ansprüchen der Nutzer genügen.
Im Hamburger Stadtteil Wandsbek soll auf dem Gelände der ehemaligen Lettow-Vorbeck Kaserne in den nächsten Jahren auf etwa 35 Hektar das neue Stadtquartier JENFELDER AU mit ca. 770 neuen Wohneinheiten sowie einer begleitenden sozialen, kulturellen und gewerblichen Infrastruktur entstehen. Etwa 610 der neu entstehenden Wohneinheiten der JENFELDER AU werden an ein kombinierte Energieversorgungs- und Entwässerungskonzept angeschlossen. Kernstück dabei ist der „HAMBURG WATER Cycle®", ein Entwässerungskonzept, welches die getrennte Ableitung und Behandlung von Toilettenwasser (Schwarzwasser), sonstigem häuslichen Abwasser (Grauwasser) und Niederschlagswasser vorsieht.
Das Schwarzwasser wird zusammen mit anderen organischen Reststoffen aus dem Stadtquartier einer anaeroben Behandlung unterzogen. Das dabei entstehende methanreiche Gas wird einem Blockheizkraftwerk zugeführt und leistet somit einen Beitrag zur Energie- und Wärmeversorgung des Stadtquertiers, während die Gärreste zu Produkten für Düngung und Bodenverbesserung verarbeitet werden. Das Grauwasser wird mit einem energiesparenden Biofilmverfahren behandelt und dem natürlichen Wasserkreislauf zugeführt. Die Nutzung der Wärme aus dem Grauwasser ist eine weitere Option. Das Niederschlagswasser versickert und verdunstet über die Böden und die Vegetation bzw. wird gesammelt und als gestaltendes Element in der Freiflächenplanung genutzt wird.
Neben modernsten Wärmedämm- und Lüftungsstandards wird der HAMBURG WATER Cycle® durch regenerative Energiequellen wie Geothermie, Solarthermie und Photovoltaik ergänzt, um letztlich 100% der benötigten Wärme und 50% des benötigten Stroms erzeugen zu können. Die JENFELDER AU kommt damit der Vision eines energieautarken Stadtteils sehr nahe. Das Bauprojekt ist in seiner Größe bislang einmalig und ein wertvoller Praxistest, der wichtige Impulse für die Weiterentwicklung von städtischen Infrastrukturen geben wird. Die wissenschaftliche Begleitung erfolgt durch das Bmbf- Verbundvorhaben „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“ – kurz KREIS.
Zielsetzung
Die Anwendung innovativer Verfahren zur Erfassung, Behandlung und Verwertung von Stoffströmen sowie regenerativer Energiegewinnung ist mit einer Vielzahl von Unwägbarkeiten verbunden. Ziel des Verbundvorhabens KREIS ist es deshalb, den Planungs- und Bauprozess des kombinierten Energieversorgungs- und Entwässerungskonzeptes in der JENFELDER AU mit vorbereitenden Untersuchungen zu unterstützen und nach Fertigstellung der technischen Anlagen deren Betrieb wissenschaftlich zu begleiten und zu optimieren. Im Ergebnis sollen Erkenntnisse und Erfahrungen gesammelt werden, die sowohl direkt im Stadtquartier JENFELDER AU verwertbar als auch übertragbar auf ähnliche Umsetzungen sind.
Im transdisziplinären Forschungsverbund KREIS sind sechs wissenschaftliche Einrichtungen und vier Praxispartner aus ganz unterschiedlichen Disziplinen beteiligt, die gemeinsam technische Fragen der „Energie- und Entwässerungstechnik“ sowie „Behandlungstechnik und Reststoffnutzung“ klären, die „Ökologie und Nachhaltigkeit“ sowie die „Ökonomie und Übertragbarkeit“ bewerten sowie „sozio-technische Aspekte und das Nutzerverhalten“ analysieren wollen. Die Organisation von KREIS erfolgt auf Basis von sechs thematischen Arbeitspaketen (AP 1 bis AP 6), die jeweils durch einen federführenden Partner inhaltlich koordiniert werden, sowie einer übergeordneten wissenschaftlich-technischen Koordination (AP 7). Die Bauhaus-Universität Weimar übernimmt die Federführung im Arbeitspaket 3 und ist zudem für die wissenschaftliche Gesamtkoordination des Verbundprojektes und somit Arbeitspaket 7 verantwortlich.
• AP 1: Energietechnik
• AP 2: Entwässerungstechnik
• AP 3: Behandlung, Reststoffnutzung
• AP 4: Ökologie und Nachhaltigkeit
• AP 5: Ökonomie und Übertragbarkeit
• AP 6: Sozio-technische Analyse und Nutzerverhalten
• AP 7: Verbundprojektkoordination
Von der Bauhaus-Universität Weimar werden verschiedene Aspekte in den Arbeitspakten AP 3, AP 5 und AP 7 behandelt, die nachfolgend näher erläutert werden. Eine Übersicht zu allen Arbeitspaketen und Themen von KREIS ist auf der Projekthomepage unter www.kreis-jenfeld.de verfügbar. Detaillierte Informationen können zudem über die Internetpräsenz der einzelnen Partner (siehe oben) aufgerufen werden.
Arbeiten der BUW im AP 3 „Behandlung & Reststoffnutzung“
Die Identifikation geeigneter Behandlungstechniken für die Teilströme Schwarz- und Grauwasser, deren Optimierung und die Nutzung der bei der Behandlung anfallenden Reststoffe im Stadtquartier JENFELDER AU sind wesentliche Aufgaben im Verbundvorhaben KREIS. Die Bauhaus-Universität Weimar wird dabei folgenden Fragestellungen bzw. Problemen nachgehen:
• Entfernung von Arzneimitteln aus Schwarzwasser,
• Rückgewinnung von Phosphor aus den Gärresten,
• Charakterisierung von Grauwasser zur Bemessung von Grauwasserbehandlungsanlagen,
• Modifikation des Tropfkörperverfahrens zur Grauwasserbehandlung.
Die Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft möchte mit ihren Untersuchungen zur Entfernung von Arzneimitteln aus Schwarzwasser herausfinden, ob die mit Urin und Fäzes ausgeschiedenen Arzneimittelreststoffe bei der anaeroben Behandlung des Schwarzwassers gezielt abgebaut werden können. Dazu sollen die optimalen Betriebsbedingungen für zwei unterschiedliche Reaktortypen ermittelt werden: CST-Reaktoren (Continuous stirred tank reactor) und UASB-Reaktoren (Upflow anaerobic sludge blanket reactor). Die Anwendung von UASB-Reaktoren zur anaeroben Schwarzwasserbehandlung stellt dabei ein Novum dar. Sollten sich diese als deutlich bessere Option gegenüber der konventionellen CSTR-Technologie erweisen, könnten UASB-Reaktoren erstmals auch im Stadtquartier JENFELDER AU umgesetzt werden. Neben der Elimination der Arzneimittelreststoffe sind auch die Auswirkungen auf den Gasertrag sowie auf die nachgelagerten Prozesse der Gärrestbehandlung entscheidende Kriterien für die Verfahrenswahl und Zielgrößen einer späteren Optimierung.
Die Rückgewinnung von Phosphor aus den Gärresten wird von der Professur Siedlungswasserwirtschaft erprobt, um das Nährstoffpotential des Schwarzwassers nach seiner anaeroben Behandlung weiter auszunutzen. Dabei soll ein Rührschlaufenreaktor zum Einsatz kommen, in dem eine durch Kalkzugabe induzierte Kristallisation und simultane Sedimentation von Calciumphoshaten abläuft. Alternativ wird die Kristallisation von Magnesiumammoniumphoshat (Struvit) durch Zugabe von Magnesiumoxid bzw. -hydroxid erprobt. Beide Produkte können als Substitut für mineralische Dünger in der Landwirtschaft Verwendung finden. Für die Calciumphosphate wäre die Verwendung als Edukt bei der thermischen Phosphorherstellung eine weitere Option.
Die Charakterisierung von Grauwasser zur Bemessung von Grauwasserbehandlungsanlagen ist eine weitere Aufgabe der Professur Siedlungswasserwirtschaft. Auch wenn es weltweit viele Abwasserprojekte zum Thema Grauwasser und Grauwasserbehandlung gibt, reicht der aktuelle Wissenstand zur Charakterisierung von Grauwasser nicht aus, um eine allgemeingültige Bemessung von Grauwasserbehandlungsanlagen vornehmen zu können. Denn die Datenlage ist nach wie vor sehr unübersichtlich: Je nachdem, welcher Grauwasserstrom (Dusche, Badewanne, Waschmaschine, Geschirrspüler usw.) an welchem Objekt (Ein- und Mehrfamilienhäuser, öffentliche Gebäude usw.) untersucht wurde, streuen die Angaben zu Grauwassermenge und -beschaffenheit ganz erheblich. Um die daraus resultierenden Unsicherheiten bei der Planung von Grauwasserbehandlungsanlagen zu minimieren, sollen die vorhandenen Daten systematisch aufbereitet und durch neue Messkampagnen um aktuelle Daten ergänzt werden. Die Messkampagnen sollen zunächst an verschiedenen Standorten in Deutschland stattfinden, bevor sie in Jenfeld nach dem Einzug erster Bewohner fortgesetzt wird.
Die Modifikation des Tropfkörperverfahrens zur Grauwasserbehandlung knüpft nahtlos an diese Untersuchungen an und wird ebenfalls von der Professur Siedlungswasserwirtschaft untersucht. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass alle Verfahren zur Grauwasserbehandlung geeignet sind, die sich zur Behandlung von kommunalem Abwasser etabliert haben. In das Forschungsinteresse rückt dabei der Tropfkörper, der sich neben anderen Biofilmverfahren ohne technische Belüftung (bepflanzte Bodenfilter, Scheibentauchkörper) als einfaches und effizientes Verfahre zur Reinigung von kommunalem Abwasser herausgestellt hat. Bezüglich Eignung und Modifikation des Tropfkörperverfahrens speziell zur Grauwasserbehandlung liegen jedoch bislang keine Erfahrungen vor. Der Tropfkörper soll in KREIS sozusagen als Verfahren wiederentdeckt werden und eine Renaissance erleben.
Es werden zunächst zwei Tropfkörper im Labormaßstab mit verschiedenen Füllmaterialien (Kunststoffkörper, mineralische Substrate) getestet, die anschließend als Kleinkläranlage (für 50 EW) in der SIEDLUNG FLINTENBREITE -LÜBECK umgesetzt und weiter betreut werden. Bei nachweislicher Eignung des Tropfkörpers unter Praxisbedingungen soll er großtechnisch (für mehr als 500 EW) im Stadtquartier JENFELDER AU implementiert und im laufenden Betrieb bis zum Ende der Projetlaufzeit wissenschaftlich evaluiert werden. Der Einfahrbetrieb des Tropfkörpers im Stadtquartier JENFELDER AU soll durch Parallelversuche im Labor und in Lübeck-Flintenbreite begleitet werden, die sich dann speziellen Fragestellungen wie dem Langzeitverhalten und der optimalen Betriebsführung widmen.
Arbeiten der BUW im AP 5 „Ökonomie und Übertragbarkeit“
Im Arbeitspaket 5 „Ökonomie und Übertragbarkeit“ wird das Demonstrationsvorhaben Stadtquartier JENFELDER AU von der betriebswirtschaftlichen und volkswirtschaftlichen Seite her beleuchtet. Die Professur Betriebswirtschaftslehre im Bauwesen der Bauhaus-Universität Weimar wird dabei die „Ökonomie der Dezentralität“ untersuchen. Dies soll durch einen ökonomischen Vergleich von zentralen und dezentralen Abwasserinfrastruktursystemen auf Basis eines multikriteriellen Bewertungs- und Entscheidungsmodells gelingen. Das neu zu entwickelnde Modell soll in der Lage sein, die verschiedenen Sichtweisen von Nutzern, Dienstleistern und deren Eigentümern sowie von übergeordneten Stellen und Sphären transparent abzubilden und zu bewerten.
Dazu werden auf der Makroebene Nutzwertanalysen erarbeitet, auf der Mesoebene Kosten-Nutzen-Analysen durchgeführt und auf der Mikroebene vorwiegend mikroökonomische Vergleichsverfahren angewandt und modifiziert. Im Ergebnis soll der sinnvolle Grad an Dezentralität ermittelt werden - und zwar sowohl für ein in sich geschlossenes, dezentrales System (Modell „neue Stadt auf der grünen Wiese“) als auch auf den Anteil von dezentralen Systemen an einem aus bestehenden zentralen und dezentralen Teilsystemen zusammengesetzten Gesamtsystems (Modell „Stadtquartier“).
Arbeiten der BUW im AP 7 „Verbundprojektkoordination“:
Das AP 7 „Verbundprojektkoordination“ soll den Erfolg von KREIS sicherstellen, d.h. die Ziele des Verbundprojektes und die in den Teilanträgen der einzelnen Partner dargestellten wissenschaftlichen Ergebnisse sollen erreicht werden. Dafür ist es wichtig, die Aufgaben der beteiligten Partner fortlaufend inhaltlich und terminlich aufeinander abzustimmen, die Zusammenarbeit mit und unter den Partnern zu strukturieren und zu steuern sowie alle Partner für diese Zusammenarbeit zu motivieren. Die Abhängigkeit des Forschungsprojektes KREIS vom Bauprojekt Stadtquartier JENFELDER AU stellt hierbei eine besondere Herausforderung dar. Denn zum einen soll die Forschung in KREIS zur erfolgreichen Umsetzung des Bauprojektes beitragen. Zum anderen ist das Bauprojekt selbst bzw. sind einzelne Komponenten davon Gegenstand der Forschung in KREIS.
Die Hamburger Stadtentwässerung (HSE) und die Professur Siedlungswasserwirtschaft der Bauhaus-Universität Weimar teilen sich die Arbeiten der „Verbundprojektkoordination“ und treten gegenüber den einzelnen Partnern, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Auftraggeber sowie dem Projektträger Jülich (PTJ) und anderen Institutionen als gleichwertige Doppelspitze auf. Methodisch richten HSE&BUW ihre Arbeiten am „Handbuch für die Gestaltung inter- und transdisziplinärer Projekte“ (Defila et al. 2006) aus. Demnach resultieren acht Aufgabenpakete, die es innerhalb der Arbeitsphasen (A) Vorbereitung, (B) Start, (C) Durchführung und (D) Abschluss mit unterschiedlich starker Ausprägung zu bearbeiten gilt:
1. Gemeinsame Ziele und Fragen erarbeiten bzw. festlegen,
2. Vernetzung der Forschungsarbeiten,
3. Synthesebildung,
4. Entwicklung gemeinsamer Produkte,
5. Auswahl der Personen und Teamentwicklung,
6. Beteiligung Externer,
7. Interne und externe Kommunikation,
8. Organisation der Arbeit.
Die acht Aufgabenpakete stehen nicht isoliert voneinander da, sondern hängen miteinander zusammen und beeinflussen sich gegenseitig. Letztendlich sind aber sämtliche Aktivitäten von HSE&BUW darauf ausgerichtet, gemeinsame Ergebnisse im Verbund zu generieren, d.h. die Vernetzung der Forschungsarbeiten unter den Partnern und mit dem Bauprojekt dauerhaft zu gewährleisten.