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Modell der drei entstehenden iKWK-Anlagen: Rechts die Lufttürme der drei Luft-Wasser-Wärmepumpen, über die reine, aber abgekühlte Luft entlassen wird, links der gemeinsame Schornstein der Blockheizkraftwerke. (Grafik: Stadtwerke Heidelberg)

Heidelberger Luftheizwerk: Luftwärmepumpen und BHKW machen Fernwärme klimafreundlicher

Im Mittelpunkt des Heidelberger iKWK-projekts stehen Luftwärmepumpen, die in Kombination mit Blockheizkraftwerken das Fernwärmenetz in Heidelberg unterstützen. Jede Luftwärmepumpe erhält einen Luftturm mit einer Höhe von 15 Metern und einem Durchmesser von vier Metern und wälzt 500.000 Kubikmeter Luft pro Stunde um. Rechnet man alle drei Luftwärmepumpen zusammen, entspricht das dem Volumen von 60 großen Sporthallen mit jeweils drei Sportfeldern. Zu Recht sprechen die Stadtwerke Heidelberg daher von einem „Luftheizwerk“!

1,5 MW Luftwärmepumpe wälzt 500.000 m³ Luft pro Stunde um

Das Heidelberger Konzept einer iKWK-Anlage umfasst ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit je zwei Megawatt elektrischer und thermischer Leistung und einer kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung von jährlich 7.000 Megawattstunden. Hinzu kommt eine große Luft-Wasser-Wärmepumpe, die den geforderten regenerativen Wärmeanteil abdeckt. Ihre thermische Leistung beträgt 1,5 Megawatt, ihre Wärmeerzeugung mindestens 2.600 Megawattstunden. Eines dieser „Luftheizwerke“ wälzt 500.000 Kubikmeter Luft pro Stunde um.

Die Anlage besteht aus drei Systemkomponenten:

3 Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) mit einer Gesamtleistung von 6.000 kWel 6.000 kWth und einer Erzeugung von 21.000 MWh Wärme sowie 21.000 MWh Strom
3 große Luft-Wasser-Wärmepumpen als innovative erneuerbare Wärmeerzeuger mit einer Gesamtleistung von 4.500 kW und einer Gesamterzeugung von 7.800 MWh Wärme,
eine Power-to-Heat-Anlage als elektrischer Wärmeerzeuger, der die anderen Wärmeerzeugungsanlagen ergänzt. Ihre Leistung beträgt 1.800 kW.

Im Sommer ist die Grundlast bei der Fernwärme in Heidelberg bereits durch das Holz-Heizkraftwerk abgedeckt. Die KWK-Anlagen erhöhen den Eigenerzeugungsanteil im Winter, während die iKWK-Anlagen vor allem im Frühjahr und im Herbst die Eigenerzeugung erhöhen und insbesondere in der Übergangszeit laufen werden. Die Luft-Wasser-Wärmepumpen sind daher als Niedertemperaturanlagen ausgelegt.

Wenn zum Beispiel so viel grüner Strom im Netz ist, dass die Stromkosten niedrig oder sogar negativ sind, kommt im Heidelberger Konzept eine Power-to-Heat-Anlage zum Einsatz, um Strom in Wärme umzuwandeln. So trägt sie nicht nur dazu bei, mehr Wärme aus erneuerbaren Energien zu erzeugen, sondern erhöht zusätzlich noch die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage.

Stadtwerke Heidelberg haben als erstes Stadtwerk drei iKWK-Zuschläge hintereinander erhalten

iKWK steht für innovative Kraft-Wärme-Kopplung und beschreibt ein Anlagenkonzept, das aus einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, einer erneuerbaren Wärmequelle sowie einem elektrischen Wärmeerzeuger besteht. Die Stadtwerke Heidelberg haben sich im Dezember 2020 bereits zum dritten Mal bei einer Ausschreibung für innovative Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (iKWK) beworben und den dritten Zuschlag in Folge erhalten.

Alle drei Anlagen wurden aus Effizienz- und Kostengründen gemeinsam gebaut. So teilen sich alle drei Anlagen auch eine Power-to-Heat-Anlage mit einer Leistung von zwei Megawatt zur flexiblen Umwandlung von Strom in Wärme.

Im Jahr 2021 wurden zunächst die verschiedenen Ausschreibungen für das 1.400 Quadratmeter große Technikgebäude, das die drei iKWK-Anlagen beherbergen wird, sowie für die verschiedenen Anlagenkomponenten auf den Weg gebracht.

Auf dem Markt gibt es kaum Luft-Wasser-Wärmepumpen in der benötigten Größe

Eine Herausforderung war es dabei, geeignete Luft-Wasser-Wärmepumpen in der erforderlichen Größe und für die gewünschte Bandbreite an Außentemperaturen zu finden. Denn bundesweit betreten die Stadtwerke Heidelberg mit diesen Anlagen Neuland: Luft-Wasser-Wärmepumpen werden sonst im Bereich von Immobilien eingesetzt – oder gleich im ganz großen Maßstab. Es gibt daher auf dem Markt kaum Luft-Wasser-Wärmepumpen in der benötigten mittleren Größe.

Zunächst hatten die Stadtwerke Heidelberg daher überlegt, mehrere kleinere Wärmepumpen zu kombinieren. Als Anforderung kam hinzu, dass Pumpen erforderlich sind, die auch bei niedrigeren Außentemperaturen in den Übergangszeiten zwischen Sommer und Winter noch gut funktionieren. Im Rahmen einer Marktanalyse wurden die Stadtwerke Heidelberg schließlich fündig: bei einem Hersteller, der auch im nordeuropäischen Markt aktiv ist, in dem schon mehr Erfahrung mit diesen Modellen besteht.

Im Herbst 2021 startete der Rohbau für die drei Anlagen. Ende März 2022 wurde er abgeschlossen. Der Stahlfassadenbau steht seit Ende Mai. Die Anlagenkomponenten werden seit Juni/ Juli 2022 nach und nach angeliefert, so dass die Montage starten konnte. Die BHKW wurden bereits angeliefert, ebenso der Schornstein für diese Anlagen aufgestellt.

Im Laufe des Julis 2022 wurden weitere Komponenten angeliefert. Am Dienstag, den 4. Juli 2023, haben die Stadtwerke Heidelberg die innovativen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in ihrem ENERGIEpark Pfaffengrund feierlich eingeweiht.

Darum setzen die Stadtwerke Heidelberg auf große Luftwärmepumpen

iKWK-Anlagen kombinieren erneuerbare Wärmeenergien mit Kraft-Wärmekopplung und einer Technik zur Umwandlung von Strom in Wärme. Nun sind in städtischen Gebieten Flächen knappe Ressourcen. Die Stadtwerke Heidelberg ordnen derzeit ihr Gelände im Werk Heidelberg-Pfaffengrund neu und haben das Glück, dass sie somit neue Flächen für die Energiewende schaffen konnten.

Doch wenn man sich den ENERGIEpark im Werk Pfaffengrund einmal von oben anschaut, wird schnell klar: Inzwischen ist dort nur noch wenig Platz. Solarthermie oder oberflächennahe Geothermie benötigen aber einiges an Fläche und entfielen damit als Variante. Eine Flusswasser-Wärmepumpe war ebenfalls ungeeignet, denn die Entfernung zum Neckar ist zu weit bis zu diesem Standort. Luft ist dagegen überall verfügbar, und eine Luftwärmepumpe braucht vergleichsweise wenig Platz.

Die Planung einer Flusswärmepumpe ist damit jedoch nicht aufgehoben: Zur Standortsuche für eine Flusswärmepumpe gab es bereits im Mai eine erste Bürgerbeteiligung. Auch der Ausbau von Niedertemperaturnetzen sowie eines wechselwarmen Netzes, mit dem die Stadtwerke Heidelberg in neuen Stadtteilen neben Wärme auch Kühlung bereitstellen können, verbunden mit oberflächennaher Geothermie, stehen auf der Agenda.

Steckbrief
Projektnummer: 3142
Objekt: Fernwärmenetz
Ort: Heidelberg
Beteiligte Unternehmen: Engie
Hersteller: Johnson Controls
Thermisch Heizleistung: 4.500,00 kW
Produzierte kWh thermisch pro Jahr: 7.800.000,00 kWh
Baujahr: 2022

Bilder

Blick auf den Bau des Technikgebäudes im Februar 2022

Aufstellung des BHKW-Kamins im Juni 2022

Anlieferung der BHKW-Module im Juni 2022

Am Abend von Dienstag, dem 4. Juli 2023, haben die Stadtwerke Heidelberg die innovativen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in ihrem ENERGIEpark Pfaffengrund feierlich eingeweiht. Damit ist ein weiterer Baustein für eine klimaneutrale Wärmeversorgung umgesetzt. (v.l.): Tobias Enders, Leiter Wärmetransformation, Prof. DR. Rudolf Irmscher, Geschäftsführer der Stadtwerke Heidelberg, Michael Teigeler, Geschäftsführer der Stadtwerke Heidelberg Energie, Heiko Faulhammer und Peter Erb, technischer bzw. kaufmännischer Geschäftsführer der Stadtwerke Heidelberg Umwelt, Raoul Schmidt-Lamontain, Bürgermister für Klimaschutz, Umwelt und Mobilität der Stadt Heidelberg. (Foto: Stadtwerke Heidelberg GmbH)

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