Reallabor der Energiewende GWP
Großwärmepumpen in deutschen Fernwärmenetzen

Auf fünf über Deutschland verteilten Liegenschaften werden zahlreiche Projektpartner (siehe rechts unter "Kontakte") unter Koordination der AGFW-Projekt GmbH in den nächsten Jahren Großwärmepumpen in bestehende Fernwärmesysteme integrieren. Neben technischen Erkenntnissen möchten sie in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen herausfinden, wie regulatorische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen angepasst werden könnten, um Großwärmepumpen im Fernwärmemarkt zu etablieren. Außerdem erproben die Teams vor Ort eine effiziente Integration der Großwärmepumpen unter zu optimierenden Betriebskonzepten. Dadurch soll ein nachhaltiger und wirtschaftlich effektiver Beitrag zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung in Deutschland geleistet werden. 

Innovative Technologien in die Anwendung bringen

Mit GWP ist das dritte Reallabor der Energiewende im Forschungsbereich Gebäude und Quartiere.  Allgemein werden in diesem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Format innovative Technologien in der praktischen Anwendung unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab getestet. Die in den Projekten gesammelten Erfahrungen können Fachleute anschließend nutzen, um den tiefgreifenden Umbau des Energiesystems in Deutschland entscheidend Richtung Klimaneutralität voranzubringen.Die „Reallabore der Energiewende“ bringen innovative Technologien in die Anwendung und erproben sie im industriellen Maßstab und unter realen Bedingungen.

Herausforderung: Großwärmepumpen optimal in das deutsche Energiesystem einbinden

Aktuell können Großwärmepumpen in Deutschland ohne Förderung nicht wirtschaftlich betrieben werden. Grund dafür sind die gesetzlichen Rahmenbedingungen, speziell die hohen Entgelte und Umlagen für Endverbraucher auf Strom. Außerdem fehlt es bislang an klaren Anleitungen und Erfahrungen, wie Großwärmepumpen optimal in das deutsche Energiesystem eingebunden werden können. Im Reallabor GWP werden hierfür Lösungen entwickelt.

Die Projektbeteiligten werden Großwärmepumpen an Kraftwerksstandorten in Berlin, Stuttgart, Mannheim und Rosenheim errichten. Die Liegenschaftspartner planen die Anlagen nah an bestehenden Wärmeerzeugerstandorten. Damit die Anschlusskosten für die neuen Technologien möglichst niedrig bleiben, sollen vor Ort jeweils ausreichend hohe Wärmequellenleistungen, zum Beispiel aus Flusswasser oder Niedertemperaturabwärme, zur Verfügung stehen.

Großwärmepumpen können im Vergleich zu dezentralen Wärmepumpen große natürliche Wärmequellen und industrielle Abwärmequellen mit hohem Energiepotenzial auf niedrigem Temperaturniveau nutzen. Oft liegen diese nicht in direkter Nähe der Wärmeverbraucher oder können von Einzelverbrauchern aufgrund ihrer Größe nicht erschlossen werden. Insbesondere in Gebieten mit hohem spezifischem Wärmebedarf, die mit Fernwärme versorgt werden können oder bereits versorgt sind, wird durch Großwärmepumpen eine effiziente strombasierte Wärmeversorgung ermöglicht.

Ergebnisse auf andere Standorte übertragbar

Wesentliche Unterschiede zwischen den Liegenschaften des Reallabors GWP finden sich in der Leistung der einzubindenden Wärmepumpen von 1,12 bis 22 Megawatt und in der Art der Wärmequellen. Weitere Kriterien sind die zu ergänzende, bestehende Erzeugerstruktur und die Lage im Stromnetz. Ob sich diese in Nord- oder Süddeutschland befindet, hat erheblichen Einfluss auf die Betriebsweise der Anlage. Den Bedarfen der regionalen Wärmenetze entsprechend werden die Betriebsparameter der Wärmepumpen angepasst. So können die Einflussgrößen besser untersucht werden. Darüber hinaus ist die Struktur der Wärmekunden, von Wohnungswirtschaft bis zu industriellen Wärmeverbrauchern, verschieden. Die Unterschiedlichkeit der Liegenschaften stellt sicher, dass die Ergebnisse auch auf andere Gebiete in Deutschland übertragen werden können.

Die am Projekt beteiligten Fernwärmeversorger planen und errichten die Großwärmepumpen und nehmen diese in Betrieb. Anschließend analysieren und optimieren sie in Zusammenarbeit mit den wissenschaftlichen Projektpartnern über einen längeren Zeitraum deren Funktion.

Die fünf Liegenschaften im Profil

Kraftwerksstandort Berlin-Neukölln

Am Standort des Heizwerkes befinden sich sieben Großkesselanlagen und sieben Blockheizkraftwerke. Die eingesetzten Brennstoffe sind Erdgas, Holzpellets, Steinkohle, Biomethan und Heizöl. Am Standort stehen für die zu installierenden Großwärmepumpen neben der geplanten BHKW-Ladeluftkühlung zusätzliche potenzielle Wärmequellen wie Flusswasserwärme oder Geothermie zur Verfügung.

• Erzeugerpark vor Projektbeginn: 7 Großkesselanlagen und 8 BHKW
• Elektrische Leistung vor Projektbeginn: 11,4 MW
• Thermische Leistung vor Projektbeginn: 192 MW
• Genutzte Energieträger vor Projektbeginn: Erdgas, Steinkohle, Holzpellets, Biomethan und Heizöl
• Geplante thermische Leistung der Großwärmepumpe: 1,3 MW
• Wärmequelle: BHKW Ladeluftkühlung
• Besonderheiten: 300 MWh Wärmespeicher und 10 MW Power-to-Heat-Anlage

Am Standort des Heizwerkes Berlin-Neukölln befinden sich sieben Großkesselanlagen und sieben Blockheizkraftwerke. © Fernheizwerk Neukölln AG | Am Standort des Heizwerkes Berlin-Neukölln befinden sich sieben Großkesselanlagen und sieben Blockheizkraftwerke.

Kraftwerksstandort Stuttgart

Die Umsetzung erfolgt am Erzeugungsstandort des Restmüllheizkraftwerks Stuttgart-Münster. Das Restmüllkraftwerk ist eine Sammelschienenanlage mit drei Müll- und drei Kohlekesseln sowie weiteren Gasturbinen. Die Fernwärmeauskopplung aus den Dampfsammelschienen erfolgt derzeit über eine Gegendruck- und zwei Entnahme-Kondensationsdampfturbinen sowie mehrere hydraulisch getrennte Fernwärmenetze. Die angestrebte Leistung der Großwärmepumpe soll bei rund 22 MW_th liegen. Der Antrieb wird über am Standort erzeugten „Grünstrom“ aus der thermischen Abfallverwertung erfolgen.

• Erzeugerpark vor Projektbeginn: 3 Müllkessel, 3 Kohlekessel
• Elektrische Leistung vor Projektbeginn: 183 MW
• Thermische Leistung vor Projektbeginn: 450 MW
• Geplante thermische Leistung der Großwärmepumpe: 23 MW
• Wärmequelle: Kühlwasser 
• Besonderheiten: Standort mit sehr engen Platzverhältnissen unter Beibehaltung der Versorgungsleistung

Am Standort des Müllheizkraftwerkes Stuttgart-Münster soll die Leistung der Großwärmepumpe über 20 MW_thermisch liegen. © EnBW AG | Am Standort des Müllheizkraftwerkes Stuttgart-Münster soll die Leistung der Großwärmepumpe über 20 MW_thermisch liegen.

Kraftwerksstandort Mannheim

Die Grosskraftwerk Mannheim AG (GKM) betreibt an seinem Standort am Rhein mehrere Kraftwerksblöcke und einen Fernwärmespeicher für MVV, um seine Kunden entsprechend ihrem Bedarf flexibel mit Strom, KWK-Wärme und Dampf zu versorgen. Im Rahmen des Reallabors soll am Standort eine große Flusswärmepumpe mit circa 20 MW_th errichtet und in ein komplexes Fernwärmesystem integriert werden. Sie nutzt über vorhandene leistungsfähige Wasserentnahmeeinrichtungen den Rhein als Wärmequelle und produziert Wärme für eines der größten Fernwärmenetze in Deutschland. Drei Dampferzeuger sind in dem Kraftwerk über eine Dampfsammelschiene miteinander verbunden und können so flexibel alle nachgeschalteten Kondensationsturbinen, Bahnstromturbinen und Gegendruck-Heizturbinen entsprechend des Bedarfs mit Dampf versorgen.

• Erzeugerpark vor Projektbeginn: 4 Heizkraftwerksblöcke
• Elektrische Leistung vor Projektbeginn: 1.958 MW
• Thermische Leistung vor Projektbeginn: 1.500 MW
• Genutzte Energieträger vor Projektbeginn: Steinkohle
• Geplante thermische Leistung der Großwärmepumpe: 20 MW
• Wärmequelle: Rheinwasser / Kühlwasser
• Besonderheiten: Kurze Leitungswege, sehr gute Infrastruktur am Standort vorhanden, 43.000 m³ Fernwärmespeicher

In Berlin-Köpenick soll eine Großwärmepumpe unter anderem Wärme aus einer bestehenden Solarthermieanlage besser nutzbar machen. © Vattenfall Wärme Berlin AG | In Berlin-Köpenick soll eine Großwärmepumpe unter anderem Wärme aus einer bestehenden Solarthermieanlage besser nutzbar machen.

Großwärmepumpen leisten Beitrag zur Sektorkopplung

Die installierten Anlagen haben das Potenzial, erneuerbaren Strom mit hoher Effizienz in neue sowie bestehende Fernwärmesysteme einzuspeisen. Im Vergleich zu Elektroboilern haben sie einen vielfach geringeren Stromverbrauch pro erzeugter Wärmeeinheit. In Zusammenarbeit mit Fernwärmespeichern sorgen sie für eine zeitweise Entkopplung von Stromerzeugung und Strombedarf und können somit einen Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen. So tragen sie maßgeblich zur Sektorkopplung und -flexibilisierung der Energiewende im Stromsektor bei.

Größere Anlagen in Skandinavien bereits in Betrieb

Im Reallabor GWP sind Großwärmepumpen in einer Größenordnung von bis zu 22 MW_th pro Projekt geplant. Auch größere Anlagen, mit einer Systemleistung durch mehrere Aggregate von bis zu 180 MW_th sind bereits in Skandinavien in Betrieb. In das Fernwärmesystem von Stockholm werden insgesamt schon 420 MW an Wärme aus Großwärmpumpen eingespeist.

„Diese Anlagen können allerdings vorrangig als Inspiration und weniger als direkte Vorbilder angesehen werden, da der deutsche regulatorische Rahmen sich wesentlich vom skandinavischen unterscheidet und auch die Fernwärmenetze historisch bedingt anders aufgebaut sind“, erklärt Dr. Andrej Jentsch, Projektleiter des Reallabors GWP. Er ergänzt: „Grundsätzlich kann ein Blick nach Skandinavien jedoch helfen, vielversprechende Lösungen zu identifizieren und diese als Grundlage für Weiterentwicklung von Großwärmepumpen in Deutschland zugrunde zu legen“. (bs/kka)