"Es braucht Referenz-Objekte"

Großwärmepumpen gelten als Schlüsseltechnologie, um die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung voranzubringen. Das hat eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Systemanalyse (IEE) herausgearbeitet. Demnach bieten sich Großwärmepumpen insbesondere in städtischen Arealen an. Auch der Energieeffizienzverband AGFW misst den Großwärmepumpen Potenzial zu.

Denn sie ermöglichen es, Umwelt- und Abwärmequellen sinnvoll und vor allem effizient in die Wärmeversorgung zu integrieren. Zudem gelten sie als effiziente Wärmeerzeuger. Allerdings sind Großwärmepumpenprojekte noch nicht häufig anzutreffen. „Es ist daher sehr wichtig, dass Referenzobjekte vorgestellt werden“, sagte Paul Wanning, Vorstandsvorsitzender vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP), bei einer Pressefahrt Ende Juni. Es wurden einige Beispiele gezeigt, darunter Projekte aus Rosenheim und München.

Großwärmepumpen − also Anlagen ab etwa 100 kW − sind in der Lage, Gebäude- und Industriekomplexe mit Wärme und Kälte zu versorgen. Aber auch als Teil von Wärmenetzen können sie Stadtteile und Quartiere mit versorgen. Bei einem klassischen Nahwärmenetz wird die gewonnene Wärme mittels Großwärmepumpe zentral auf das benötigte Temperaturniveau gehoben. Ebenfalls können Großwärmepumpen Abwärme von bestehenden Blockheizkraftwerken nutzen oder die Wärme aus Abwässern ziehen.

Ein kommunaler Versorger, der sich nun an das Thema Großwärmepumpe für die städtische Versorgung gewagt hat, sind die Stadtwerke Rosenheim. Diese haben 2021 und 2022 insgesamt drei Großwärmepumpen in die Fernwärmeerzeugung des Müllheizkraftwerks (MHKW) in Rosenheim integriert und nutzen dabei die Temperatur des benachbarten Mühlbaches. Jede einzelne Pumpe stellt 1,5 MW Heizleistung bereit. Installiert wurden spezielle Geräte der Firma Johnson Controls: zweistufige Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit Schrauben- und Hubkolbenverdichter. Die Pumpen entnehmen dem Bachlauf Wasser und nutzen so dessen Umweltwärme. Die gewonnene Energie wird über das MHKW dem Fernwärmenetz zugeführt.

Rosenheim installierte drei Großwärmepumpen

In Rosenheim sind die Wärmepumpen ein Teil von insgesamt drei innovativen KWK-Systemen. Der Versorger hat 2018 und 2019 drei Zuschläge bei iKWK-Ausschreibungen erhalten. Am 2. Juni 2022 ging die erste der drei Anlagen in Betrieb. Bei der iKWK wird ein Blockheizkraftwerk mit einer erneuerbaren Wärmequelle − Solarthermie, Geothermie oder eben einer Wärmepumpe − und einem elektrischen Wärmeerzeuger zu einem System verbunden. Als elektrischer Wärmeerzeuger kommt etwa eine Power-to-Heat-Anlage in Betracht. Alle Komponenten müssen zwingend in dasselbe Wärme- oder Kältenetz einspeisen und über eine gemeinsame Steuerungs- und Regelungstechnik verfügen.

Die Stadtwerke Rosenheim wollen damit die Versorgungssicherheit und den Erneuerbaren-Anteil erhöhen. Durch den flexiblen Einsatz der Anlagen je nach Markt- und Versorgungssituation würde sich die bedarfsgerechte Wärmeerzeugung künftig nicht nur am Verbraucher orientieren, sondern auch an der Belastungssituation des aktuellen Stromnetzes.

Die Bayernwerke nutzen bereits seit Jahren Wärmepumpen, zum Beispiel für ihre eigenen Liegenschaften oder Gewerbekunden. Eine besondere Anlage wurde 2022 im Münchner Osten realisiert. Am früheren Standort der Pfanni-Werke, im neuen Werksviertel, hat die „werkkraft Gmbh“, eine gemeinsame Gesellschaft der Bayernwerk Natur und der Immobiliengesellschaft OTEC, unter anderem das Energiekonzept für das Quartier entwickelt, das sich noch im Aufbau befindet. Bereits 13 Gebäude werden mit Energie, Wärme und Kälte versorgt.

Zum Energiekonzept gehören zwei erdgasbasierte Blockheizkraftwerke mit einer Leistung von jeweils 850 kW elektrisch und 1.050 kW thermisch, zwei Hochtemperaturwärmepumpen und eine Absorptionskältemaschine. Zudem entsteht ein Wärme-, ein Kälte- und ein eigenes Stromnetz. Die Besonderheit liegt bei den Wärmepumpen: Diese nutzen die Abwärme der fast ganzjährig laufenden Absorptionskältemaschine. „Das Viertel wächst und braucht immer mehr Energie. Wir haben die Wärmelücke gesehen und überlegt, wie wir sie decken können, indem wir hier die Möglichkeit der Wärmerückgewinnung nutzen“, erklärt Franz Völkl, Geschäftsführer von Werkkraft.

Es wurden dafür Wasser-Wasser-Wärmepumpen installiert. Sie steuern zur Wärmeversorgung eine Mittellastwärme bis maximal 80 Grad Celsius bei und unterstützen auch im Sommer die Kälteversorgung, indem sie die Spitzenlastkälte übernehmen. Die Anlage stammt von Carrier und weist einen weiteren technischen Kniff auf. Die Verflüssiger der beiden Wärmepumpen sind in Reihe miteinander verrohrt. Die erste hebt die Temperatur von 40 auf etwa 60 Grad Celsius an, die zweite erledigt den Rest der Temperaturdifferenz. Der Hersteller Carrier entwickelte dafür extra eine eigene Regelung. In dieser gewählten Anordnung erreichen die Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von 4, das heißt aus 1 kW elektrischer Energie werden 4 kW Wärme erzeugt.

Stadtwerke München verbinden Wärmepumpen mit Kältenetz

Ein weiteres Beispiel wurde ebenfalls in der bayerischen Landeshauptstadt realisiert, allerdings von den Stadtwerken München (SWM). Der kommunale Versorger hat im Herzen München in der Nähe seiner Firmenzentrale 2021 eine Werkswohnungsanlage fertiggestellt. Auf knapp 8.000 Quadratmetern sind 114 Wohnungen entstanden: vom Ein-Zimmer-Apartment bis zur Fünf-Zimmer-Wohnung. Im Erdgeschoss befindet sich außerdem eine Kindertagesstätte. Der Wärmebedarf für Warmwasser und Heizung wird über zwei Wärmepumpen des Herstellers Viessmann erzeugt, die in das Fernkältenetz Moosach der SWM eingebunden sind.

Seit 2014 gibt es das Fernkältenetz Moosach, das das IT-Rathaus München (Dienstleistungszentrum und Rechenzentrum), das Dantebad und den Busbetriebshof Moosach versorgt. Das Netz nutzt dazu Grundwasserkälte. Die neuen Wärmepumpen entziehen dem erwärmten Rücklaufwasser des Kältenetzes die Energie und sind auf diese Weise Teil eines Wärmerückgewinnungssystems der SWM. In der Wohnanlage wurden im Keller eine Niedertemperaturwärmepumpe mit 345 kW sowie eine Hochtemperaturwärmepumpe mit 285 kW installiert.

Zusätzlich baute man auf das begrünte Flachdach eine Photovoltaikanlage mit 80 kW, die unter anderem die Pumpen größtenteils mit Strom versorgt. Die Stadtwerke München sehen in Wärmepumpen eine Alternative, wenn es keine Möglichkeit gibt, die Gebäude an die Fernwärme anzuschließen. Für ein solches Objekt haben die SWM erstmals Großwärmepumpen genutzt, um Erfahrungen sammeln zu können. Weitere Projekte sollen folgen.

Großwärmepumpen haben aktuell einen hohen Stellenwert in der Forschung und Entwicklung, was nicht nur Beispiele von Versorgern zeigen, sondern auch Projekte wie das Reallabor „Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen (GWP)“. Das AGFW-Konsortium aus fünf Versorgungsunternehmen und zwei Forschungsinstituten möchte im Rahmen des Projekts, das im April 2021 startete, unter anderem den Betrieb von Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen an realen Anlagen weiter untersuchen. Getestet wird der Einsatz von Großwärmepumpen an Kraftwerksstandorten in Berlin, Stuttgart, Mannheim und Rosenheim. Die Liegenschaftspartner planen die Anlagen nah an bestehenden Wärmeerzeugerstandorten und wollen die gewonnene Wärme in die dort vorhandenen Fernwärmesysteme einbinden.