Die Transformation der Energieerzeugung und -bereitstellung steht heute vor einer dringenden Notwendigkeit, die sich aus einer Vielzahl von Einflussfaktoren ergibt. Zu diesen Einflussfaktoren zählen der unaufhaltsame Klimawandel, politische Vorgaben zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen, geopolitische Einflüsse auf die Energieversorgung, das wachsende Interesse der Bürger an nachhaltigen Energielösungen sowie die verstärkten Nachhaltigkeitsstrategien von Kommunen und Unternehmen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, arbeiten Kommunen eng mit den Energieversorgern zusammen, mit dem Ziel, umfassende Transformationspläne für die Dekarbonisierung zu entwickeln. Diese Pläne fungieren als Masterplan für die zukünftige Strom- und Wärmeversorgung von Städten und Gemeinden, die auf einer nachhaltigen Grundlage beruhen.
Die Erzeugung des zukünftigen Energiemix für Strom, Wärme, Kälte und Verkehr wird sich aus verschiedenen erneuerbaren Energiequellen zusammensetzen. Dazu gehören Solaranlagen, Windkraftanlagen, synthetische Gase, wie Wasserstoff sowie Geothermieanlagen. Zur Nutzung dieser vielfältigen Energiequellen werden Großwärmepumpen eine besonders wichtige Rolle spielen, da sie ein integraler Bestandteil der zukünftigen Wärmeversorgungslösungen sein werden. Diese hocheffizienten Geräte sind in der Lage, Wärme auf umweltfreundliche Weise zu erzeugen und zu übertragen, was sie zu einem Schlüsselfaktor zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung macht. Somit können in den Städten und Gemeinden die vorhandenen lokalen Energiequellen, wie Luft, Fluss- oder Seewasser, Erdwärme, aber auch Abwärme aus Kläranlagen, Industrie oder Rechenzentren ökologisch und wirtschaftlich wirkungsvoll, für die grüne Fernwärme oder moderne Nahwärmenetze, genutzt werden.
Die Aussichten für das Marktwachstum von Großwärmepumpen sind äußerst vielversprechend, und in den nächsten 10-15 Jahren wird ein jährliches Wachstum von mehr als 25% erwartet, mit einem starken Hochlauf ab 2025.
Bild: Johnson Controls
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Heizen und Kühlen – die Wärmepumpe als vielseitiges System
Eine Wärmepumpe ist ein thermodynamisches System, das seine Funktionalität aus dem Entzug von Wärmeenergie aus einer Umgebungsquelle wie der Außenluft, der Erde, dem Wasser oder Abwärme von vorgelagerten Prozessen, bezieht. Dieser erste Schritt bildet den Ausgangspunkt für den gesamten Prozess. Die gewonnene Wärmeenergie wird daraufhin von der Wärmepumpe intensiviert, indem sie durch den Einsatz von Energiequellen wie Strom oder Gas auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Dieser Vorgang stellt sicher, dass die erzeugte Wärme die erwünschte Zieltemperatur erreicht, sei es für Heizzwecke oder andere Anwendungen.
Die zweite wesentliche Funktion der Wärmepumpe besteht darin, die aufgewertete Wärmeenergie dorthin zu transportieren, wo sie benötigt wird. Dies kann beispielsweise in ein Fern- oder Nahwärmenetz erfolgen, um Haushalte und Unternehmen mit Heizwärme zu versorgen. Diese Fähigkeit zur gezielten Wärmeübertragung macht die Wärmepumpe zu einer äußerst effizienten Methode zur Wärmeversorgung in städtischen Umgebungen.
Darüber hinaus vermag die Wärmepumpe nicht nur Wärme in Gebäude zu liefern, sondern auch den umgekehrten Prozess auszuführen. Das bedeutet, dass sie in der Lage ist, Wärme aus einem Innenraum zu entziehen, um diesen kühl zu halten, was insbesondere in den wärmeren Monaten des Jahres von Vorteil ist. Dies unterstreicht die Vielseitigkeit der Wärmepumpe als System zur Temperaturregulierung und verdeutlicht ihre Bedeutung sowohl für die Beheizung als auch die Kühlung von Gebäuden und Anlagen.
Bild: Johnson Controls
Ein Praxisbeispiel: erfolgreicher Einsatz von Wärmepumpen bei den Stadtwerken Heidelberg
Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von Wärmepumpen ist das vorliegende IKWK-Projekt („innovative Kraft-Wärme-Kopplung“) bei den Stadtwerken Heidelberg. Nach eingehender Prüfung hat man sich für Luft als Wärmequelle entschieden und unterstützt in Kombination mit den Blockheizkraftwerken das Fernwärmenetz. Basis des Wärmepumpensystems sind zweistufige Wasser/Wasser-Geräte mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak. Die Wärmequelle ist ein vorgeschalteter Luft-Wasser-Wärmetauscher und die Wärmesenke ist der Rücklauf des Fernwärmesystems. Das Wärmepumpensystem wird vorwiegend in der Übergangszeit betrieben und hebt das Temperaturniveau der Luftwärme auf das Temperaturniveau der Fernwärme an.
Es gestaltete sich als herausfordernd, passende Luft-Wasser-Wärmepumpen in der erforderlichen Größe und für die gewünschte Bandbreite an Außentemperaturen zu finden. Die Stadtwerke Heidelberg betreten in diesem Bereich bundesweit Neuland, da Luft-Wasser-Wärmepumpen üblicherweise in kompakter Form in deutlich kleinerer Ausführung z. B. für Immobilien oder Gewerbe genutzt werden. Ebenfalls war das Temperaturniveau von 85° C bisher technisch kaum realisierbar. Dies führt dazu, dass es auf dem Markt kaum geeignete Luft-Wasser-Wärmepumpen in der benötigten Ausführung gab.
In diesem Beispiel geht es um drei Wärmepumpenmodule mit einer beeindruckenden Heizleistung von jeweils maximal 1350 kWth. Diese Module beziehen ihre Wärme aus der Außenluft, wobei pro Wärmepumpe etwa 500.000 m³/h Luft bewegt werden müssen. Nach intensiven Untersuchungen entschied man sich für jeweils einen Fortluftkamin je Wärmepumpe, um die ausgekühlte Außenluft abzuführen. Besonders diese Fortluftkamine prägen das Bild der Anlage.
Ein entscheidendes Element des Systems ist der Lamellenwärmetauscher, der dazu dient, die Luft, um etwa 5 K abzukühlen. Die gewonnene Wärme wird in das bestehende Fernwärmenetz mit 85° C eingespeist, was eine nachhaltige und effiziente Nutzung der erzeugten Energie ermöglicht. Für den Betrieb jeder einzelnen Wärmepumpe wird im Auslegungspunkt ein Strombedarf von ungefähr 489 kWel benötigt.

Sabroe DualPAC
Das DualPAC-Gerät ist eine modulare, standardisierte Industriewärmepumpe mit Ammoniak als Kältemittel. Ammoniak ist ein natürliches Kältemittel, es unterliegt nicht der F-Gas-Verordnung und ist damit uneingeschränkt zukunftsfähig. Durch die Sicherheitsklasse B2L nach der DIN EN378 ist der Betrieb dieser Anlagen in Maschinenräumen mit überschaubarem Aufwand möglich.
Das zweistufige System basiert auf einer Kombination der Kältemaschinenbaureihe ChillPAC und der Wärmepumpenbaureihe HeatPAC. Von diesen Baureihen liegen mit deutlich über 1.000 produzierten Geräten langjährige Betriebserfahrungen vor.
Der DualPAC zeichnet sich durch sehr kompakte Abmessungen bei hoher Effizienz und einer sehr geringen Kältemittelfüllmenge aus. In der Version mit Hubkolbenverdichtern liegt die maximale Heizleistung bei ca. 2.800 kW und der maximale Temperaturlift bei ca. 100 K. Die aktuellen maximalen Heißwassertemperaturen liegen bei 90 °C bzw. bei 95 °C.
Die untere Stufe ist mit der oberen Stufe durch einen offenen Mitteldruckbehälter verbunden, es gibt keinen effizienzmindernden Zwischenwärmetauscher. Zur Erreichung der kompakten Abmessungen hat der Verdampfer einen integrierten Ölabscheider und der Verflüssiger kann optional als 3in1 Version den Enthitzer und den Unterkühler enthalten. ■
AUSLEGUNGSDATEN JE WÄRMEPUMPE:
❙ Heizleistung: 1350 kW
❙ Elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe: 489 kW (ohne Nebenaggregate)
❙ COPH: 2,76
❙ Leistungsregelung: Niederdruckstufe und Hochdruckstufe über Drehzahlregelung
❙ Kältemittel: R717
❙ Kältemittelmenge: 115 kg
❙ Wassertemperatur Quelle: 10/5 °C mit 30 % Glykol ❙ Wassertemperatur Senke: 75/85 ° C
❙ Spannungsversorgung mit doppelter Einspeisung: 2 x 400/3/50 V/Ph/Hz
❙ Bewegter Luftvolumenstrom zur Erzeugung der Quellenleistung: 500.000 m3/h
Das Video zum Beitrag:
https://youtu.be/N9E5WmoYz4o?si=amL3khZ1oqA-5u1N
