Einsatz von Groß-Wärmepumpen

Überall dort, wo industrielle Prozesse stattfinden oder Kälte erzeugt wird, entsteht gleichzeitig Wärme. Während viele Privathäuser Erdwärme oder Umgebungsluft zur Erzeugung von Wärme nutzen, erweisen sich für den industriellen Bedarf Abwässer und Abwärme durch ihre höhere Ausgangstemperatur als optimale Energiequellen. Durch Großwärmepumpen wird die Restwärme zum Heizen oder zur Bereitstellung von Heißwasser beispielsweise in Nahwärmeverbunden nutzbar gemacht und leistet so einen bedeutenden Beitrag zum Klimaschutz.

Der Energieverbund Schlieren in Zürich, dessen Herzstück zwei große Ammoniak-Wärmepumpen sind, ist eines der größten Projekte seiner Art in Europa. Geplant, finanziert und gebaut wurde er von der ewz – einem der größten Energiedienstleistungsunternehmen der Schweiz. Für die Realisierung wurden Fachkälteplaner der SSP Kälteplaner AG hinzugezogen, die für die Planung der Kälte- und Wärmeerzeugung mit Ammoniak zuständig waren.
Im ersten Schritt wurde im Jahr 2006 im Briefzentrum der Post Mülligen eine Energiezentrale installiert, im Jahr 2009 folgte dann die Inbetriebnahme der Energiezentrale Rietbach. Die Ammoniak-Wärmepumpen in beiden Zentralen haben eine Heizleistung von je rund 5,5 MW. Dank des Einsatzes von Ammoniak als Kältemittel können die geforderten hohen Vorlauftemperaturen von rund 80 °C erreicht werden. Im Endausbau sorgt der Energieverbund für eine jährliche Einsparung von fossilen Brennstoffen von rund 48 700 MWh, was einer CO₂-Reduktion von 8100 t pro Jahr entspricht. Zum Heizen und Kühlen nutzt die Ammoniak-Wärmepumpe in der Energiezentrale Rietbach einerseits die Energie aus dem gereinigten Abwasser des Klärwerks Werdhölzi in Zürich, das zuvor jahrelang direkt in den Fluss Limmat geleitet wurde. Darüber hinaus wird auch die Abwärme eines nahe gelegenen Rechenzentrums weiterverwendet. Über das Jahr hinweg kann die Wärmepumpe so über 70 % des Wärmebedarfs abdecken. Für Verbrauchsspitzen stehen zusätzliche Wärmeerzeuger mit Öl oder Gas zur Verfügung. Die erzeugte Wärme wird über ein Leitungsnetz in die einzelnen Liegenschaften transportiert und dort in Übergabestationen auf die gebäudeinternen Verteilsysteme übertragen. In der Zentrale in Rietbach wird die benötigte Kälte oder Wärme durch zwei kälteseitig unabhängige Kältemaschinen mit gekoppelten Hochdruckwärmepumpenverdichtern erzeugt. Die beiden Maschinen sind kaltwasserseitig und auf der Heizungsseite jeweils in Serie geschaltet. Dadurch erfolgt die Abkühlung bzw. Aufwärmung in zwei Stufen mit optimiertem COP für den Heiz- und Kühlbetrieb. Die vier Niederdruck-Kältemaschinen für die Kaltwassererzeugung sind mit Frequenzumformern für einen stufenlosen Betrieb ausgerüstet. Für den Wärmepumpenbetrieb sind acht Verdichter installiert, welche einzeln zu- und abgeschaltet werden können. Die zwei im Niederdruckkreis eingebauten Enthitzer liefern bei Kaltwasserbetrieb zusätzliche Wärme, die über einen Energiespeicher an den Energieverbund abgegeben wird.
Im Sommer wird das gereinigte Abwasser über einen Zwischenkreislauf direkt zur Kühlung genutzt. Ist das Temperaturniveau des Abwassers für eine Direktkühlung zu hoch, wird die Kältemaschine eingesetzt. Kann die Abwärme der Kältemaschine im Sommer nicht genutzt werden, erfolgt die Rückkühlung über die Limmat. Weist die Limmat mehr als 25° C auf, kommt eine Notkühlung mit Trockenkühler zum Einsatz. Die Energieeffizienz der Kälte-Wärmeproduktion wird permanent überwacht. Durch Messung aller wichtigen Größen können Effizienzverluste oder Systemänderungen rasch erkannt und behoben werden.

 
Abwasser als erneuerbare Energiequelle

Auch im schweizerischen Rheinfelden werden seit Anfang 2009 über 1000 Wohneinheiten der Wohnsiedlungen Augarten und Weiherfeld sowie ein nahe gelegenes Gewerbegebiet umweltschonend mit Wärme versorgt. Hierfür installierte Johnson Controls (www.johnsoncontrols.de) im Auftrag der AEW Energie AG und mit Unterstützung von EnergieSchweiz sowie von Kanton und Gemeinde eine Wärmepumpenanlage, die das gereinigte Abwasser der Abwasserreinigungsanlage Rheinfelden (ARA) als Wärmequelle für den bestehenden Nahwärmeverbund nutzt. Damit konnten die Kälteexperten einen wesentlichen Beitrag für die Verknüpfung der ökologisch wertvollen Abwasserenergie mit der Energienachfrage in Rheinfelden leisten.
Im Mittelpunkt der Anlage stehen zwei von Johnson Controls gelieferte Wärmepumpen mit einer Leistung von jeweils 1250 kW, die am Ende des Nachklärbeckens der ARA platziert wurden. Es handelt sich dabei um zweistufige Anlagen, die als Kältemittel Ammoniak nutzen. Auf diese Weise kann eine höhere Energieeffizienz erreicht werden. Die Warmwasserversorgung der Wohnungen erfolgt mittels Fernwärmeleitungen. Hierfür wurde zwischen der Wärmepumpenanlage in der ARA und der Energiezentrale Augarten eine rund 500 m lange Fernwärmeleitung verlegt und an den bestehenden Nahwärmeverbund angeschlossen. Für die Erschließung der neuen Wohneinheiten in Weiherfeld wurden weitere knapp 1500 m Fernwärmeleitungen verlegt. Entsprechend des Wärmeleistungsbedarfs stehen zwei unterschiedliche Betriebsarten zur Verfügung: Im Sommerbetrieb versorgen die Wärmepumpen das gesamte Netz auf direktem Weg mit 67 °C warmem Wasser für die Brauchwarmwassererzeugung. Um die morgendlichen Wärmebedarfsspitzen abzudecken, verfügt die Wärmepumpenanlage der ARA darüber hinaus über einen Warmwasserspeicher mit einem Volumen von 50 m³. Beim gesteigerten Wärmebedarf im Winter wird der Vorlauf der Wärmepumpen zusätzlich durch drei bestehende Erdgas-Kessel geführt und nachgewärmt. Insgesamt bietet die neue Wärmepumpenanlage eine Produktion an Nutzwärme von ca. 14 000 MWh pro Jahr und deckt damit rund zwei Drittel des jährlichen Wärmeenergiebedarfs der Wohnsiedlungen Augarten und Weiherfeld in Höhe von rund 22 000 MWh. Dadurch werden jährlich 1,25 Mio. m³ Erdgas eingespart und der CO₂-Ausstoß um 2650 t reduziert. Eine Erweiterung des Fernwärmesystems ist bereits geplant: Das nahe gelegene Kuba-Freizeitcenter soll nicht nur beheizt, sondern mit den zwei vorhandenen Wärmepumpenanlagen gleichzeitig auch gekühlt werden. Zudem wird die Abwärmenutzung der Kälteanlagen der ebenfalls nahe gelegenen Eiskunstbahn erwogen. Deren zurzeit an die Luft abgegebene Wärme könnte vor allem den winterlichen Spitzenbedarf decken helfen.

 
Größtes kommunales Ammoniak-Wärmepumpensystem weltweit

Rund 40 km südwestlich von Oslo liegt die 60 000-Einwohnerstadt Drammen. Auch sie setzt zukünftig bei der Wärmegewinnung auf das natürliche Kältemittel Ammoniak. Hierfür installiert derzeit das britische Unternehmen Star Refrigeration gemeinsam mit seinem norwegischen Partner Norsk Kulde eines der weltweit größten kommunalen, mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak betriebenen, Wärmepumpensysteme. Kernstück der komplexen Anlage ist die von Star Refrigeration (www.star-ref.co.uk) entwickelte Wärmepumpe „Neatpump“. Sie nutzt zur Wärmegewinnung die Abwärme von Großkältesystemen und Klimaanlagen sowie von industriellen Prozessen und Abwässern. Dabei erzeugt die Wärmepumpe bis zu 90 °C heißes Wasser, das anschließend zum Heizen großer Gebäude genutzt wird. Insgesamt wird die Anlage nach ihrer Fertigstellung im Januar 2011 bis zu 15 MW Heizleistung liefern und mehr als 6000 Einwohner sowie Unternehmen in Drammen mit umweltfreundlicher Wärme versorgen. Der für den Betrieb der Wärmepumpe benötigte Strom wird umweltfreundlich durch Wasserkraft bereitgestellt.

Natürliche Kältemittel auf dem Vormarsch

Die Fallbeispiele zeigen, dass die Hersteller bereit sind, verstärkt auf natürliche Kältemittel zu setzen. „Bereits heute arbeiten die Unternehmen intensiv an der Umsetzung zukunftsfähiger Konzepte für Wärmepumpen und realisieren eine Vielzahl großartiger Projekte mit Vorzeigecharakter“, so Monika Witt, Vorstandsvorsitzende von eurammon (www.eurammon.com), der europäischen Initiative für natürliche Kältemittel. „Dem kommt gerade vor dem Hintergrund der weltweiten Klimaschutzziele eine zunehmende Bedeutung zu.“