In der Heizzentrale übernimmt ein selbstreinigender Wärmeübertrager den Energieaustausch zu den Heizkreisläufen der Wärmepumpen.
Bild: Stadtwerke Wittenberge
Die Stadtwerke Wittenberge haben ein Fernwärmenetz in Betrieb genommen, das u. a. 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 innovative Kraft-Wärme-Kopplung-Ausschreibungsrunde (iKWK) erhalten und mit den Planungen für ein iKWK-Projekt begonnen.
iKWK steht hierbei für, 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. Aufgrund der kurzen Entfernung des Heizhauses zur Stepenitz von nur 300 m sah das Konzept vor, die Energie des Flusswassers der Stepenitz zu nutzen und darüber zusätzliche Grundlast-Heizenergie bereitzustellen.
Das Flusswasser wird in einem Ein- und Auslaufbauwerk über Tauchpumpen entnommen und in die Heizzentrale gepumpt.
Bild: SES Energiesysteme GmbH
Ziel war es, durch eine geeignete Anlage dem Fluss 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 ca. 200 bis 300 Haushalte zu erzeugen. Wichtig war eine Lösung, die möglichst wartungsarm funktioniert und auch mit niedrigen Flusstemperaturen effizient zu betreiben ist. Sie sollte sich außerdem gut in das Konzept „iKWK“ integrieren lassen.
Intelligente 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 2 Tauchpumpen das Wasser entnommen und in die Heizzentrale gepumpt. In der Heizzentrale übernimmt ein selbstreinigender Wärmeübertrager von der Huber SE den Energieaustausch hin zu den Heizkreisläufen der Wärmepumpen von Carrier. 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 erhöht Temperatur auf 85 °C
Nach Bestellung und Lieferung der Wärmepumpen konnte die Anlage im Juli 2024 in Betrieb gehen.
Bild: Stadtwerke Wittenberge
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.
Die Carrier „AquaForce PUREtec 61XWHZE10“ ist eine Hochtemperatur-Wasser/Wasser-Wärmepumpe, die Wasser mit einer Eintrittstemperatur von etwa 36 °C nutzt, um auf der Verbraucherseite eine Vorlauftemperatur von bis zu 85 °C für die Einspeisung in das Fernwärmenetz bereitzustellen.
Bild: Stadtwerke Wittenberge
„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 der Wärmepumpen-Kaskade lässt sich viel zusätzliche Wärme gewinnen.“
Redundanz sichert dauerhaften Anlagenbetrieb
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 Kühlmittel 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.
Die Carrier „AquaForce 30XWHPZE801B“ stellt eine Quellenleistung von etwa 847 kW bereit.
Bild: Stadtwerke Wittenberge
Bei dem Projekt kommen 2 Wasser/Wasser Wärmepumpen mit Schraubenverdichtern und dem Kältemittel R1234ze(E) des Herstellers Carrier 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.
Effiziente Nutzung des Flusswassers
Die erste Wärmepumpe vom Typ „Carrier 30XWPZE801B“ nutzt das Flusswasser als Wärmequelle. In Abhängigkeit von der Flusswassertemperatur (bspw. 11 °C) wird Heizwasser mit einer Temperatur von 36 °C erzeugt. Unter diesen Bedingungen stellt die Anlage eine Quellenleistung von etwa 847 kW bereit. Der COP (Coefficient of Performance) der Maschine beläuft sich unter den genannten Temperaturbedingungen auf 5,0. Das vorgewärmte Wasser mit ca. 36 °C dient anschließend als Wärmequelle für die zweite Wärmepumpe.
Die Heizleistung beträgt ca. 1.230 kW, abhängig von der jeweiligen Quellentemperatur, insbesondere der Flusswassertemperatur.
Bild: Stadtwerke Wittenberge
Die zweite Anlage ist eine Hochtemperatur Wasser/Wasser Wärmepumpe vom Typ „Carrier 61XWHZE10“, 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.
Gute Zusammenarbeit bei der 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 10 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 wird. Die Steuerung der gesamten Anlagentechnik erfolgt über 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.
