Wärme aus Abwasser

Die von den Großwärmepumpen erzeugte Wärme reicht aus, um den historischen Stadtkern von Lemgo weitestgehend mit kohlenstoffarmer Wärme zu versorgen. Das sind rund 18 Mio. kWh Wärme pro Jahr, wodurch 3200 t CO₂-Emissionen eingespart werden. Allein die Wärme aus dem Ablauf des Klärwerks kann zwei Drittel des Altstadt-Wärmebedarfs oder zwölf Prozent des Gesamtbedarfs des Fernwärmnetzes decken. Die Betriebsstrategie stellt sicher, dass die Wärmepumpen bis zu 7500 h pro Jahr mit konstanter Leistung arbeiten können.

Malmö-Projekt inspiriert zu individueller Lösung

Die Stadtwerke Lemgo wurden durch das Wärmepumpenprojekt „Malmö“ auf GEA aufmerksam. Auch hier wurde aus dem Abwasser einer städtischen Kläranlage Wärme gewonnen.

Bei einem ersten Treffen vor Ort in Lemgo schlug GEA vor, die zunächst geplante Niederdruck-Wärmepumpe und Hochdruck-Wärmepumpe durch eine zweistufige Wärmepumpe ohne verlustbehafteten Zwischenkreis zu ersetzten. Dies wurde von allen Beteiligten energetisch und wirtschaftlich als die deutlich vorteilhaftere Variante erkannt.

Das geklärte Abwasser ist durchschnittlich 13 Grad warm – ideal für eine Wärmepumpe.

Gewinnung von Wärme aus Abwasser

Die Gewinnung von Wärme aus dem Abwasser der städtischen Zentralkläranlage Lemgo bildet einen bedeutenden Bestandteil der städtischen Fernwärmeerzeugung. Das saubere Wasser am Klärwerksauslauf ist dazu gut geeignet, denn das geklärte Abwasser weist im Jahresdurchschnitt eine mittlere Temperatur von ca. 13 °C auf.

Wegen des Mischwassersystems stehen große Wasser- und damit Wärmemengen zur Verfügung, konkret fast 8000 h pro Jahr mehr als 1,5 MW Quellenleistung. Ferner sind die Infrastruktur wie Blockheizkraftwerk und Fernwärmeanschluss am Klärwerk bereits vorhanden. Die Wärmeauskopplung erfolgt dabei erst hinter den Klärstufen im Auslauf der Kläranlage. So lässt sich eine möglichst hohe Wärmemenge mit relativ geringem technischem Aufwand erzielen. Auch der Reinigungsprozess des Abwassers wird durch die Wärmeentnahme nicht beeinflusst.

Herausforderungen gemeistert

Mit Inbetriebnahme der Wärmepumpen wurde festgestellt, dass die Wasserqualität der Wärmequelle aus dem Klärwerk nicht den ursprünglichen Reinheitserwartungen entsprach. Die dadurch entstandene Verschmutzung der Verdampfer ließen den Weiterbetrieb der „Reinwasser-Wärmepumpe“ nicht mehr zu.

Nun galt es eine nachhaltige Lösung zu finden. Von den betrachteten Varianten wurden in gemeinsamen Überlegungen die Möglichkeit eines zusätzlichen Trennwärmeübertragers oder der Umbau der Wärmepumpe und Rohrbündelverdampfer mit aufwendigen Selbstreinigungssystem verworfen. Die Entscheidung fiel zugunsten einer zusätzlichen Filtrationsanlage, die dann auch realisiert wurde.

Natürliches Kältemittel Ammoniak

Dass die GEA-Wärmepumpen dazu mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak betrieben werden, sind weitere Pluspunkte im Sinne des Umweltschutzes. Ammoniak ist eine anorganische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, leichter als Luft und leicht in Wasser löslich. Der COP (Coefficient of Performance) einer Ammoniak-Wärmepumpe, die unter typischen Bedingungen für ein Fernwärmenetz oder für Prozesswärme unter 100 °C betrieben wird, ist im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln beispielsweise 40 Prozent höher, was im gleichen Umfang weniger Emissionen, weniger Energie und weniger Kosten bedeutet.

Der Weg führt weiter

Die Stadtwerke Lemgo geben sich mit dem Erreichten noch nicht zufrieden. Hier werden bereits die nächsten Schritte für die CO₂-neutrale Strom- und Wärmeversorgung der Stadt geplant: Bis 2028 soll mehr als 55 Prozent der benötigten Fernwärme erneuerbar erzeugt werden. Das Lemgoer Team setzt dabei auf eine großflächige Solarthermieanlage, einen weiteren Großwärmespeicher mit integrierter PtH- und Luftwärmepumpe. Diese werden per Direktkabel an eine ebenfalls in Planung befindliche Windkraftanlage angeschlossen, um Windwärme zu erzeugen.

Außerdem soll eine Windkraftanlage zur Wasserstoffproduktion beitragen. Weitere Investitionen sind in einen Biomassekessel und eine Holzvergasungsanlage für Straßenbegleitholz geplant, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen.

Wärmepumpen für das Lemgo-Projekt

GEA stellte für die Stadt Lemgo eine BHKW-Wärmepumpe RedAstrum HE mit einer Heizleistung Senke von 785 kW bei 82°C Vorlauftemperatur und einer Quell-Leistung von 560 kW bei 63°C bereit. Der COPline-Wert (COP am Netz) liegt bei 3,2, als Kältemittel wird R 717 (Ammoniak) verwendet.

Die Reinwasser Wärmepumpe MX SP 2 VE 6 B (RP) erreicht eine Heizleistung Senke von 2372 kW bei 82 °C Vorlauftemperatur und einer Quell-Leistung von 1600 kW bei 15 °C. Der COPline-Wert liegt bei 2,7 und als Kältemittel dient auch hier Ammoniak.

Bei der Wärmepumpe RedAstrum stehen sieben Schraubenverdichter-Typen zur Wahl.

Merkmale der Wärmepumpen

Die Schraubenverdichter-Wärmepumpen RedAstrum 2.0 haben einen neuen Ammoniak-Kaskaden-Verdampfer (Option) erhalten; die Modellbaureihe wurde erweitert. Die Geräte sind mit sieben Schraubenverdichter-Typen zu haben, basierend auf der Grasso M- und Grasso LT- Reihe in einem spezifischen Hochdruck-Design. Angelehnt an das BluAstrum-Konzept mit projektspezifisch konfigurierten Wärmeübertragern, steht die RedAstrum für Zuverlässigkeit, geringe Ammoniak-Füllmengen, einen großen Temperaturhub und wenig Platzbedarf. Sie ist für verschiedene Heizzwecke einsetzbar.

Die Wärmepumpe RedAstrum überträgt ihre Wärmeleistung auf einen flüssigen Wärmeträger und liefert Vorlauftemperaturen zwischen + 55 und + 80 °C für beliebige Anwendungen, bei denen ein Bedarf an Prozesswärme besteht oder Nahversorgungs- oder Fernwärmenetze bedient werden sollen.

Wegen des großen verfügbaren Temperaturbereich auf der kalten Seite zwischen - 10 und + 50 °C kann die Wärmepumpe viele Wärmequellen nutzen – ob Abwasser, Grundwasser, Fluss- oder Seewasser oder ein sekundäres Kältemittel (Kälteträger) im Falle kombinierter Kühl- und Heizanwendungen. Alternativ ist als Verdampfer auch ein Kaskaden-Wärmeübertrager möglich, mit dem heißes Ammoniakgas direkt aus einer Kälteanlage zugeführt und so Abwärme effizient genutzt werden kann. ■

www.gea.com

Bild: GEA / Tim Luhmann