Think big! Großwärmepumpen für klimaneutrale Fernwärmenetze

Wärmepumpe – was für viele so etwas wie das Unwort des Jahres 2023 war - ist, frei von Emotionen, ein geeignetes Mittel der effizienten Energienutzung. Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich genau?

Bei Siemens Energy werden nach diesem Prinzip bereits seit den 1980er Jahren im schwedischen Finspang Großwärmepumpen gebaut. Sie sind vor allem in Skandinavien im Einsatz. 50 Anlagen wurden bislang ausgeliefert, diese kommen zusammen auf mehr als sechs Millionen kumulierte Betriebsstunden. Die Weiterentwicklung der eingesetzten Komponenten sowie moderne Kältemittel haben dafür gesorgt, dass die Effizienz der Wärmepumpen in den letzten Jahren nochmals deutlich gesteigert werden konnte. Heute nehmen Großwärmepumpen eine zunehmend wichtigere Rolle bei der Dekarbonisierung der Fernwärmenetze, also der CO₂-freien Wärmeerzeugung, ein.

Die ersten Fernwärmenetze wurden bereits in den 1870er Jahren in den USA, unter anderem in New York, errichtet. Auch in Deutschland setzte man bereits ab Anfang des 20. Jahrhunderts auf eine zentrale Versorgung von Haushalten mit Warmwasser und Heizwärme. Die Verteilung des teils über 100 Grad Celsius heißen Wassers erfolgt dabei über ein unterirdisches Rohrleitungssystem. Mit Fernwärme versorgte Wohngebäude verfügen daher über keine eigene Heizungsanlage. In Deutschland gibt es heute rund 1.400 Fernwärmenetze, diese machen etwa neun Prozent der Wärmebereitstellung aus.

Auch global gesehen liegt der Anteil, den Fernwärmenetze für die Versorgung leisten, bei unter zehn Prozent . In Europa findet man dabei ein sehr heterogenes Bild: der Anteil von Fernwärme schwankt zwischen unter einem Prozent, etwa in Belgien, Spanien, Irland, und bis zu 50 Prozent in den skandinavischen und baltischen Ländern.

In der Bundesrepublik sind zum 1. Januar 2024 Änderungen des Gebäudeenergiegesetzes („Heizungsgesetz“) in Kraft getreten, die neue Vorgaben für die künftige klimaneutrale Wärmeversorgung von Wohngebäuden machen. Fernwärmenetze werden dort als ein wichtiger Baustein für die „Wärmewende“ genannt. Das ist jedoch nur zutreffend, wenn das zentrale Erzeugen der Wärme auch wirklich CO₂-frei erfolgt. Großwärmepumpen machen das möglich.

Zur „Befeuerung“ der Fernwärmenetze kommen aktuell in den EU-Ländern zu rund zwei Dritteln Kraftwerke zum Einsatz, die sowohl Strom als auch Wärme erzeugen (sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung, KWK). Entsprechend hoch ist noch der Anteil fossiler Brennstoffe, die zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie eingesetzt werden: Erdgas ist mit ca. 30 bis 40 Prozent dominierender Energieträger, auch Kohle ist noch in mehr als einem Viertel der Anlagen im Einsatz. Weitere Brennstoffe sind Biomasse oder Biokraftstoffe, aber auch Müllverbrennungsanlagen liefern heute mancherorts thermische Energie für die Fernwärmenetze.

Als Alternative oder Ergänzung hierzu können moderne Großwärmepumpen mit geringem Einsatz von grün erzeugtem Strom große Mengen an Wärme zur Einspeisung in die Netze bereitstellen. Siemens Energy ist derzeit an drei ganz unterschiedlichen Projekten beteiligt.

Gleich vier Großwärmepumpen werden in den nächsten Jahren auf dem Gelände eines ehemaligen Kohlekraftwerks in Berlin-Spandau zum Einsatz kommen. Die Vattenfall Wärme wird an dem Standort gemeinsam mit den Berliner Wasserbetrieben (BWB) und der Berliner Stadtreinigung (BSR) über 200 Millionen Euro in die nachhaltige Energie- und Wärmeerzeugung investieren.

Die Großwärmepumpenanlage von Siemens Energy mit einer mittleren thermischen Leistung von 75 Megawatt wird die Reinigungsstufe des Klärwerks Ruhleben als Wärmequelle nutzen. Je nach Witterungsbedingungen liegt die Wassertemperatur dort zwischen 13 und 27 Grad Celsius, die Wärmepumpe kühlt das Abwasser um bis zu 15°C herunter und liefert mit der so gewonnenen thermischen Energie Fernwärme im Temperaturbereich von 80-95°C. Rund 45.000 Haushalte können nach Inbetriebnahme mit klimafreundlicher Fernwärme versorgt werden. Bei Vattenfall rechnet man mit jährlichen Einsparungen von etwa 50.000 Tonnen CO2-Emissionen, was in etwa dem durchschnittlichen Ausstoß von 36.000 Mittelklasse-PKWs im gleichen Zeitraum entspricht.

Im Oktober 2023 hat die MVV Energy AG in Mannheim die größte Flusswärmepumpe Europas in Betrieb genommen. Der kommunale Energie- und Wärmversorger nutzt das Flusswasser des Rheins als Quelle, um klimaneutrale Fernwärme für umgerechnet rund 3.500 Haushalte zu erzeugen. Die thermische Energie aus Deutschlands größtem Fluss reicht selbst im Winter bei Wassertemperaturen im einstelligen Bereich aus, um Energie für das Mannheimer Fernwärmenetz zu gewinnen.

Das benötigte Flusswasser wird dafür unterirdisch zur Wärmepumpenanlage geleitet. Über den Wärmetauscher wird dort thermische Energie entzogen und dem geschlossenen Kältemittelkreislauf zugeführt. Wasser aus dem Rücklauf des Fernwärmenetzes kann so von 60 Grad Celsius auf bis zu 99 Grad Celsius aufgeheizt werden. Anschließend wird es dann entweder direkt ins Netz zurückgeleitet oder in einem Wärmespeicher mit rund 1.500 Megawattstunden Kapazität zwischengespeichert.

Eine Großwärmepumpe von Siemens Energy kommt bei Vattenfall künftig auch in der Kältezentrale am Potsdamer Platz zum Einsatz. Dort wird die Abwärme einer Kälteanlage mit Hilfe einer Hochtemperaturwärmepumpe nutzbar gemacht und ebenfalls ins städtische Wärmenetz eingespeist.