Blick in den Maschinenraum eines Moduls der iKWK-Anlage in Heidelberg: auf der linken Seite der 16-Zylinder-Hochdruckverdichter, rechts der 12-Zylinder-Niederdruckverdichter der Sabroe-Großwärmepumpe (Quelle: Johnson Controls)
Seit Mitte 2023 speisen die Stadtwerke Heidelberg Wärmenergie in ihre Fernwärmenetze ein, die auf umweltschonende Weise aus der Luft gewonnen wird. Mit ihrer innovativen Kraft-Wärme-Kopplungs- (iKWK-)Anlage haben sie einen weiteren Baustein ihrer Energiekonzeption 2030 umgesetzt.
Das Projekt, das zwischen Oktober 2021 und August 2023 im Energiepark Pfaffengrund realisiert wurde, kombiniert drei Wärmepumpen, Power-to-Heat-Anlagen und KWK-Anlagen, in diesem Fall Blockheizkraftwerke (BHKW). Es handelt sich dabei um die aktuell größte luftgekühlte Wärmepumpenanlage in Deutschland – und um den nächsten Schritt in der Technologietransformation, die die Stadtwerke im Jahr 2011 mit dem Bau ihres Holzheizkraftwerks sowie der erstmaligen Veröffentlichung ihrer Energiekonzeption eingeläutet haben.
„Der Energiepark ist ein wichtiger Ort, an dem die Energiewende in Heidelberg stattfindet", sagt Tobias Enders, Gruppenleiter Wärmetransformation und Projektleiter iKWK bei den Stadtwerken Heidelberg. „Im Rahmen unserer Energiekonzeption 2030 verfolgen wir das Ziel, in den nächsten Jahren weitgehend auf grüne, CO2-freie Wärme umzustellen: Die 50-%-Marke haben wir bereits 2020 geknackt und jetzt sind wir mit dem iKWK-Projekt weiter auf dem besten Weg zu unserem Ziel der klimaneutralen Wärme bis 2035.“
Drei luftgekühlte Wärmepumpen mit je 1 350 kW(th) Heizleistung
Ob aus Luft, Erdreich, Wasser oder vorgelagerten Industrieprozessen: Grundsätzlich entzieht eine Wärmepumpe ihrer Umgebung Wärmeenergie und intensiviert diese mit weiteren Energiequellen wie Strom oder Gas, um eine gewünschte Zieltemperatur zu erreichen.
In der iKWK-Anlage im Energiepark Heidelberg-Pfaffengrund wurden drei modulare Sabroe-Großwärmepumpen von Johnson Controls mit je einem BHKW kombiniert. Bei den Wärmepumpen handelt es sich um zweistufige Dual-PAC-Wasser-Wasser-Geräte mit drehzahlgeregelten Kolbenverdichtern. Die Dual-PAC-Baureihe bringt die Kältemaschinenserie Chill-Pac und die Wärmepumpenserie Heat-PAC zusammen, beide haben sich in vielen Anwendungen bewährt. Jede der drei Wärmepumpen bietet eine Heizleistung bis 1 350 kW(th) und hat einen COPH von 2,76.
Die Maschinen zeichnet außerdem ihre Kompaktheit bei hoher Effizienz aus. Sie sind etwa 7 m lang und 3 m breit, bringen aber dennoch Enthitzer, Verflüssiger und Unterkühler platzsparend unter. Weil im Dual-PAC-System kein effizienzmindernder Zwischenwärmeübertrager verbaut ist, sondern nur ein offener Mitteldruckbehälter, benötigen die Wärmepumpen zudem nur wenig Kältemittel (Bild 1). Sie nutzen das natürliche Kältemittel Ammoniak, das nicht der F-Gas-Verordnung unterliegt.
Bei der Heidelberger iKWK-Anlage ist die Wärmequelle ein vorgeschalteter Luft-Wasser-Wärmeübertrager (Bild 2), während der Rücklauf des Fernwärmesystems die Wärmesenke bildet. Der Luft-Wasser-Wärmeübertrager besteht aus Hunderten von Lamellen und ist ein entscheidendes Element im System: Er kühlt die Außenluft um rd. 5 K ab, bevor die Wärmepumpen das Temperaturniveau der so gewonnenen Luftwärme auf das der Fernwärme bringen, das bei 85 °C liegt.
Ein derart hohes Temperaturniveau mit Luft-Wasser-Großwärmepumpen zu erreichen, war eine der technischen Herausforderungen für die Heidelberger. Denn die Dimension ist in Deutschland bislang einzigartig, weil es am Markt kaum Geräte in der erforderlichen Größe gibt. Mit den Dual-PAC-Maschinen aber gelang die Umsetzung und die grüne Wärme wird in den Übergangszeiten mit 85 °C in das bestehende Fernwärmenetz der Stadtwerke eingespeist. Ein Betrieb der Wärmepumpen im Winter ist wirtschaftlich dagegen nicht sinnvoll. Deshalb nutzen die Stadtwerke Heidelberg die Umweltwärme besonders im Frühjahr und Herbst.
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