Kaskadierte Flusswasser-Wärmepumpen ergänzen Blockheizkraftwerk

Die Stadtwerke Wittenberge GmbH hat ein Fernwärmenetz in Betrieb genommen, das unter anderem über ein Blockheizkraftwerk versorgt wird. Dieses nutzt Erdgas, um Wärme und Strom zu erzeugen. Um sich Schritt für Schritt unabhängiger von fossilen Energieträgern zu machen, hatten die Stadtwerke im Dezember 2020 den Zuschlag für die iKWK-Ausschreibungsrunde erhalten und mit den Planungen für ein iKWK-Projekt begonnen. Aufgrund der Heizhausnähe zur Stepenitz von nur 300 Metern sah dieses vor, die Energie des Flusswassers der Stepenitz zu nutzen und darüber zusätzliche Grundlast-Heizenergie bereitzustellen.

iKWK steht hierbei für innovative Kraft-Wärme-Kopplung, bei der ein konventionelles Blockheizkraftwerk mit erneuerbaren Wärmequellen und einem elektrischen Wärmeerzeuger (Power‑to‑Heat) gekoppelt wird, um so minimale CO₂-Emissionen bei optimaler Energienutzung zu erreichen.

Ausgangslage

Ziel war es, durch eine geeignete Anlage dem Fluss der Stepenitz Wärme über einen Wärmeübertrager zu entziehen und mittels Wärmepumpen auf eine Temperatur von 85 °C zu bringen, die sich für die Grundlastversorgung der Stadtwerke nutzen lässt. Die Planung hatte ergeben, dass sich mit der Anlage circa 1.300 kW an Leistung erzeugen lassen. Diese Menge reicht aus, um genügend Wärme für circa 200 bis 300 Haushalte zu erzeugen.

Wichtig war eine Lösung, die möglichst wartungsarm funktioniert und auch mit niedrigen Flusswassertemperaturen effizient zu betreiben ist. Sie sollte sich außerdem gut in das Konzept „iKWK“ integrieren lassen.

Konzeption und Umsetzung

Die Anlage wurde so konzipiert, dass sie ab 10 °C Flusswassertemperatur arbeiten kann. Dazu wird über ein Einlaufbauwerk nach einem Gefälle der Stepenitz über zwei Tauchpumpen das Wasser entnommen und in die Heizzentrale gepumpt. In der Heizzentrale übernimmt ein selbstreinigender Wärmeübertrager von der Huber SE die Energieübertragung hin zu den Heizkreisläufen der Wärmepumpen. Die Selbstreinigung stellt einen nahezu wartungsfreien Betrieb sowie eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicher. Nach der Wärmeentnahme wird das abgekühlte Wasser über einen Rücklaufbehälter im Kellergeschoss und zwei Flusswasserpumpen wieder in die Stepenitz zurückgeführt.

Wärmepumpenkaskade steigert Temperatur auf 85 °C

Die erste Stufe der Wärmepumpenkaskade ist auf der Kaltwasserseite an den Flusswasser-Wärmeübertrager angebunden. Sie entzieht dem Flusswasser thermische Energie und erwärmt auf der Warmwasserseite einen Zwischenkreislauf von 31 °C auf rund 36 °C. Die zweite Wärmepumpenstufe nutzt diesen Zwischenkreislauf als Wärmequelle, hebt das Temperaturniveau weiter an und speist die gewonnene Energie in das Fernwärmenetz ein, wobei die Vorlauftemperatur von 70 °C auf 85 °C erhöht wird.

Die komplette Regelung des Gesamtsystems wurde durch Temperatur- und Drucksensoren sowie dazu passende Steuereinheiten realisiert. Dies umfasst die übergeordnete Anlagenregelung, die Abstimmung der beiden Wärmepumpenstufen sowie die Einbindung der Flusswassertechnik und der Fernwärmeübergabe.

Abgesicherter Betrieb

Zahlreiche Sicherungssysteme sorgen dafür, dass die Anlage auf kritische Systemzustände wie beispielsweise Niedrigwasser im Einlaufbauwerk automatisch reagieren kann und entsprechende Alarmzustände annimmt. Die Messung des Wasserstandes übernimmt ein moderner Radarsensor. Bei Ausfall einer Wasserpumpe kann die zweite Pumpe sofort übernehmen. Mehrere Gassensoren kontrollieren außerdem permanent, dass kein Kältemittel aus den Wärmepumpen austritt.

Eine weitere Automatik sorgt dafür, dass die Lufttemperatur in der Wärmepumpen-Einhausung in einem definierten Temperaturbereich zwischen 20 °C und 30 °C gehalten wird. Im Winter wird dazu Abwärme aus dem Kesselhaus des BHKW genutzt.

Effiziente Nutzung des Flusswassers

Im Projekt kommen zwei Carrier Wasser‑­Wasser‑Wärmepumpen mit dem Kältemittel R1234ze(E) zum Einsatz. Beide Maschinen sind mit Schraubenverdichtern mit stufenloser Leistungsregelung über einen Schieberegler ausgestattet, was einen effizienten und lastangepassten Betrieb ermöglicht. Die Wärmepumpen sind kaskadiert ausgeführt und übernehmen gemeinsam den erneuerbaren Grundlastanteil der Fernwärmeversorgung.

Maschine 1 – „Carrier 30XWPZE801B“

Die erste Wärmepumpe nutzt das Flusswasser als Wärmequelle. In Abhängigkeit von der Flusswassertemperatur (beispielsweise 11 °C) wird Heizwasser mit einer Temperatur von etwa 36°C erzeugt. Unter diesen Bedingungen stellt die Anlage eine Quellenleistung von etwa 847 kW bereit. Der COP der Maschine liegt unter den genannten Temperaturbedingungen bei 5,0.

Das vorgewärmte Wasser mit ca. 36 °C dient anschließend als Wärmequelle für die zweite Wärmepumpe.

Maschine 2 – „Carrier 61XWHZE10“

Die zweite Anlage ist eine Hochtemperatur‑Wasser‑Wasser‑Wärmepumpe, ebenfalls mit Schraubenverdichter und stufenloser Leistungsregelung über Schieberegler. Sie nutzt das Wasser mit der Eintrittstemperatur von ca. 36 °C, um daraus auf der Verbraucherseite Wasser mit einer Vorlauftemperatur von bis zu 85 °C zur Einspeisung in das Fernwärmenetz zu erzeugen. Die resultierende Heizleistung beträgt ca. 1.230 kW, abhängig von der jeweiligen Quellentemperatur, insbesondere der Flusswassertemperatur. Der COP dieser Wärmepumpe liegt unter den beschriebenen Betriebsbedingungen bei etwa 3.

Die Kombination der beiden Wärmepumpen erzeugt aus der eingesetzten elektrischen Leistung ein Vielfaches an nutzbarer Wärme, wodurch das System einen wesentlichen Beitrag zur effizienten und klimafreundlichen Fernwärmeversorgung leistet.

Schnelle und umweltverträgliche Projektumsetzung

Die Projektplanung erfolgte durch die Zusammenarbeit von Carrier mit dem Planungsbüro Born Ermel Ingenieure. Der Erstkontakt sowie die Aufgabenstellung, Wärmepumpen für den Betrieb mit Flusswasser einzusetzen, erfolgten im Jahr 2021. Nach einer intensiven und umfassenden Vorbereitungszeit wurde das Projekt im Jahr 2022 ausgeschrieben. Der Berliner Anlagenbauer SES Energiesysteme erhielt den Zuschlag für die Umsetzung des Projekts und verantwortete die Integration der Wärmepumpentechnik in die bestehende Heizzentrale sowie die Abstimmung der Schnittstellen. Nach Bestellung und Lieferung der Wärmepumpen 2023 konnte die Anlage nach zehn Monaten im Juli 2024 in Betrieb gehen.

Maßgeblich zum Erfolg der zügigen Projektumsetzung hat die enge und kontinuierliche Kommunikation während der Planung und Ausführung beigetragen. Eine besondere Herausforderung war dabei die effiziente Regelung der Wärmequelle, also der Menge des Flusswassers, die im Einlaufbauwerk entnommen und im Auslaufbauwerk wieder rückgeführt wurde. Die Steuerung der gesamten Anlagentechnik übernimmt hierbei „Carrier Controls“.

Auch die Projektvorbereitung stellte besondere Anforderungen: Aufgrund der Lage im Bereich des Stepenitz-Naturschutzgebiets war eine enge Abstimmung mit den zuständigen Behörden erforderlich. Für die Errichtung des Entnahme- und Einleitbauwerks war zudem eine landschafts- und naturschutzrechtliche Genehmigung der Unteren Naturschutzbehörde einzuholen. Bestandteil der behördlichen Vorgaben war unter anderem der Einbau eines Trommelrechen mit 5 mm Maschenweite im Einlaufbauwerk zur Grobreinigung des Flusswassers. Dieser schützt den Primärkreislauf vor Verschmutzungen und dient zugleich dem Schutz der aquatischen Tierwelt. Auch die verschwenkte Fließrichtung wurde als genehmigungsrechtliche Auflage berücksichtigt.

Aufbau einer regenerativen ­Wärmeversorgung

„Die neue Anlage ist Teil unserer Bemühungen, die CO₂-Emissionen bei der Fernwärmeversorgung durch Einsatz regenerativer Energie deutlich zu senken“, erläutert Stadtwerke-Geschäftsführer Lutz Kähler. „Das setzen wir schrittweise um. So entstand an der Stepenitz ein kleines Einlaufbauwerk, mit dessen Hilfe Wasser aus dem Fluss abgezogen wird. Durch den Einsatz zweier kaskadierter Wärmepumpen lässt sich viel zusätzliche Wärme gewinnen.“

Der damalige brandenburgische Wirtschaftsminister Daniel Keller empfiehlt das Projekt auch anderen Stadtwerken: „Das Projekt in Wittenberge ist ein Vorbild für die gesamte Region – es verbindet Innovation mit Verantwortung für Umwelt und Klimaschutz. Die Stadtwerke stärken mit dieser Investition in moderne Wärmeversorgung die lokale Infrastruktur und leisten einen wichtigen Beitrag zur zukunftsfähigen Entwicklung Wittenberges.“