12. Juli 2022
9 Min.

Das Maximum aus Abwärme herausholen

Christian Hüttl

Noch vor Ende 2022 wird am Potsdamer Platz in Berlin eine neuartige industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe das Fernwärmenetz der Stadt mit Netto-Null-Wärme versorgen – ein Pionierprojekt auf dem Weg zur Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung.

Zweifellos hat es einen eigenartigen Namen: „Qwark3“. Der Begriff ist die Abkürzung für „Quartiers-Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung“. Auch wenn es kompliziert klingt, ist Qwark ein sehr reales Pilotprojekt zur Dekarbonisierung von Wärme im Herzen Berlins. 

Als Gemeinschaftsprojekt der Vattenfall Wärme Berlin AG und Siemens Energy will Qwark3 beweisen, dass der Einsatz von Großwärmepumpen für die städtische Fernwärmeversorgung nicht nur dazu beiträgt, Berlins Netto-Null-Ziel bis 2050 zu erreichen, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll sein kann. Wie das geht? Im Wesentlichen durch die effiziente Nutzung von Abwärme, die sonst ungenutzt bliebe, zusammen mit Strom aus 100% erneuerbaren Energien. Die Anlage wird CO2-freie Wärme für die städtische Infrastruktur erzeugen, in die sie eingebettet ist. Könnte Qwark3 eine Blaupause für andere Städte sein? Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz versucht, diese Frage zu beantworten und fördert deshalb das Pilotprojekt. 

Erfahren Sie, wie eine Großwärmepumpe für die Fernwärmeversorgung in Berlin eingesetzt wird. 

Verbesserung der Effizienz und Verringerung der Emissionen

Sicherlich ist es nur ein kleiner Baustein, der seinen Beitrag zu den ehrgeizigen Dekarbonisierungszielen der Welt leisten soll. Heute streben die meisten Länder bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen an, während gleichzeitig die Energienachfrage erheblich steigen dürfte. In der EU besteht das Ziel, die Energieeffizienz bis 2030 um 32% zu steigern und gleichzeitig die Emissionen um 40% zu senken. 

Aber so klein das Projekt in Berlin auf den ersten Blick auch erscheinen mag, es führt auch zu größeren Dingen, von denen die Dekarbonisierung der Wärme entscheidend für das Erreichen von Netto-Null ist. Heute macht Wärme etwa die Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs in der EU aus. Zwei Drittel dieser Wärme wird immer noch mit fossilen Brennstoffen erzeugt. Gleichzeitig werden immer mehr fossil befeuerte Kraftwerke zur Wärmeerzeugung vom Netz genommen. Die Dekarbonisierung des Wärmesektors wird also ungewollt ein zentraler Bestandteil der Energiewende sein. 

Die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung ist eine wichtige Aufgabe für die deutsche Hauptstadt.

Treibende Kraft bei der Dekarbonisierung der Fernwärme in Berlin: Gerhard Plambeck und Ersan Topcu von Vattenfall Wärme Berlin und Thorsten Fippel von Siemens Energy (von links).

Anhebung der Temperatur von einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle

Daher ist es nicht überraschend, dass hierbei die Industrie – und folglich damit Wärmepumpen im industriellen Maßstab – im Fokus stehen. In der EU ist die Industrie für ein Viertel des Energieverbrauchs und 20% der direkten Emissionen verantwortlich. Wärme ist der wichtigste Energieträger, da etwa zwei Drittel davon in der Glas-, Stahl-, Chemie- oder Papierindustrie eingesetzt werden. 

Wärmepumpen arbeiten nach einem einfachen Prinzip: Mit einer bestimmten Menge zusätzlicher Energie, in den meisten Fällen Strom, heben sie die Temperatur von einer Wärmequelle mit niedriger Temperatur auf ein nutzbares Niveau an der Wärmesenke oder am Verbraucher an. Dadurch erzeugen sie viel mehr Wärme als eine direkte Umwandlung von elektrischem Strom in Wärme. 

Die Hochtemperatur-Wärmepumpe für die Vattenfall-Kältezentrale am Potsdamer Platz in Berlin ist eine maßgeschneiderte Lösung, die aufgrund der beengten Platzverhältnisse am Aufstellungsort realisiert wurde.

Wärmepumpen machen sich verschiedene Wärmequellen zunutze

Dies zeigt auch, wie Wärmepumpen die Dekarbonisierung fördern können. Das ist ein zweistufiger Prozess. Erstens wird die Wärmeversorgung grüner, indem erneuerbarer Strom verwendet wird, anstatt ihn mit fossilen Brennstoffen zu erzeugen. Zweitens ist diese Sektorenkopplung von Ökostrom mit Wärme viel effizienter als die direkte elektrische Heizung. 

Die Technologie kann in allen möglichen Umgebungen eingesetzt werden, da Wärmepumpen verschiedene Wärmequellen nutzen können, beispielsweise industrielle Abwärme, die in einem Chemiewerk oder einem Rechenzentrum erzeugt wird, geothermische Wärmequellen, Umgebungsluft oder sogar Flüsse oder das Meer. Sie können in verschiedenen Kontexten eingesetzt werden, etwa in der Industrie, in der Fernwärme oder in einzelnen Gebäuden.

Bereitstellung von Dampf für die Prozesswärme

Es ist daher nicht überraschend, dass Wärmepumpen in den kommenden Jahren in großem Umfang eingesetzt werden und den Weg für die Elektrifizierung des Wärmesektors ebnen werden. Derzeit werden Wärmepumpen in Europa hauptsächlich in kleineren Einheiten zum Heizen und Kühlen von Gebäuden eingesetzt. Sie sind meist auf einen Temperaturbereich unter 90 °C beschränkt und werden voraussichtlich in viel größerem Umfang als heute eingesetzt werden. So rechnet das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz in Deutschland bis 2030 mit rund 5,5 Millionen installierten Wärmepumpen vor allem in Einzelgebäuden mit einer Leistung von rund 33 TW, verglichen mit 7 TW heute. 

Jüngste Entwicklungen, insbesondere neue Kältemittel, haben jedoch neue Wärmepumpenanwendungen mit Temperaturen von bis zu 150 °C ermöglicht. Diese werden als Hochtemperatur-Wärmepumpen bezeichnet. Sie können der Industrie dabei helfen, Abwärme aufzufangen und wiederzuverwenden, um Heißwasser oder Dampf für die Prozesswärme bereitzustellen. Bei der Dampferzeugung kann diese Temperaturgrenze sogar noch weiter hinausgeschoben werden, z. B. durch die Anwendung von Dampfkompression. Diese Wärmepumpen können auch für die Fernwärmeversorgung eingesetzt werden oder das niedrige Temperaturniveau verfügbarer Wärmequellen effektiv auf das Niveau der Fernwärme anheben. 

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Deckung des Fernwärmenetzbedarfs

Hier kommt Qwark3 ins Spiel. Die Großwärmepumpe von Siemens Energy am Potsdamer Platz nutzt künftig sehr effizient die Abwärme, indem sie diese aufbereitet und in das Fernwärmenetz der Stadt einspeist. Doch woher kommt die Abwärme in Berlin, wo es keine klassischen Industrieanlagen gibt? 

Seit 1997 versorgt eine Kälteanlage der Vattenfall Wärme Berlin in der Nähe des Potsdamer Platzes rund 12.000 Büros, 1.000 Wohnungen und zahlreiche Kultureinrichtungen in der Umgebung mit Kälte. Dabei entstehen erhebliche Mengen an Abwärme, die bisher über Kühltürme in die Luft abgeführt wurden. Durch die Installation einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von bis zu 8 MW wird diese Abwärme nun nutzbar gemacht. Die Großwärmepumpe wird flexibel Vorlauftemperaturen zwischen 85 und 120 °C liefern, je nach Bedarf im Fernwärmenetz.

Umfassende schlüsselfertige Lösungen

Die Wärme dürfte sich auf etwa 55 GWh pro Jahr belaufen, mit einer geschätzten jährlichen Einsparung von etwa 6.500 t CO2-Emissionen und 120.000 m3 Kühlwasser. Es handelt sich um eine Win-Win-Situation, da die Effizienz der Kühlstation verbessert und Berlin mit grüner Wärme aus erneuerbarem Strom versorgt wird. Außerdem handelt es sich um einen der ersten Versuche mit solchen großtechnischen Hochtemperatur-Wärmepumpen unter realen Bedingungen. 

Und Siemens Energy ist in einer guten Position, um diese Art von Lösung zu liefern. Im Bereich der industriellen Wärmepumpen bietet das Unternehmen Lösungen mit Wärmeleistungen von bis zu 70 MW aus einer Einheit an. Das Unternehmen kann auch auf zahlreiche große Wärmepumpen zurückblicken, die in den 1980er und 1990er Jahren vor allem in skandinavischen Ländern installiert wurden. Dabei geht der Beitrag über die reine Hardwarelieferung hinaus, denn Siemens Energy bietet mit seinem eigenen Portfolio an Verdichtern umfassende schlüsselfertige Lösungen von der Konzeption bis zur Installation, Inbetriebnahme und Wartung von Großwärmepumpen.

Nettoeinsparung von CO2-Emissionen

Berlin mag das erste Pilotprojekt dieser Art sein, aber es ist nicht das einzige, das auf großtechnische Hochtemperaturwärmepumpen für die Fernwärmeversorgung setzt. In Deutschland gibt es heute mehrere große Wärmepumpenprojekte, die aktiv auf Fernwärmetemperaturen unter 100 °C hinarbeiten. Außerdem bilden sich starke Partnerschaften mit dem Ziel, über die Fernwärme hinauszugehen. Der Chemieriese BASF arbeitet beispielsweise mit Siemens Energy zusammen, um zu untersuchen, wie Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Dekarbonisierung der Prozesswärmeerzeugung an seinem Hauptsitz in Ludwigshafen eingesetzt werden können. 

Wenn man all dies bedenkt, wird klar, dass dieses Modell der Nutzung großer Hochtemperatur-Wärmepumpen auf breiter Basis angenommen werden kann und sollte. Wie bei jeder Umstellung gibt es natürlich auch hier Vorbehalte. Es überrascht nicht, dass die Nachfrage nach Fernwärme im Winter höher und im Sommer niedriger ist. Um dies auszugleichen, sind verschiedene Lösungen denkbar. So kann man beispielsweise die Fernwärme mit dem gleichmäßigeren Wärmebedarf der Industrie verbinden (was dank der Hochtemperatur-Wärmepumpen möglich ist) oder die Speicherung nutzen, um das Wärmeangebot an die Nachfrage anzupassen. Unabhängig von diesen Faktoren ist die Nettoeinsparung von CO2-Emissionen im Fall von Berlin und anderen Pilotprojekten immer noch hoch genug, um den Aufwand zu rechtfertigen. Und den Berechnungen zufolge wird sich das Projekt innerhalb weniger Jahre auch rechnen.    

Wärmepumpen amortisieren sich innerhalb weniger Jahre

Ein weiteres wichtiges Anliegen: Wenn, wie erwartet, mehr große und kleine Wärmepumpen installiert werden, wird der Gesamtstrombedarf steigen. Dies würde sicherlich eine dreifache Herausforderung darstellen. Erstens: Die Energie sollte aus erneuerbaren Quellen stammen, um den notwendigen Übergang zur Dekarbonisierung der Wärme zu gewährleisten. Zweitens: Da es sich bei den erneuerbaren Energien um eine schwankende Energiequelle handelt, müssen Lösungen für die Energiespeicherung sowie Kraftwerke, die mit sauberen Brennstoffen befeuert werden und die Grundlast sichern, vorhanden sein. Drittens: Da immer mehr Strom verbraucht wird, müssen Netzstabilitätsdienste vorhanden sein, unabhängig davon, ob es sich um rotierende Netzstabilisatoren oder um intelligente Steuerungen für die Energieverteilung handelt. 

Schließlich sind große Hochtemperatur-Wärmepumpen heute noch wirtschaftlich im Nachteil gegenüber herkömmlichen gasbefeuerten Systemen. Dies dürfte sich jedoch ändern, insbesondere angesichts der steigenden CO2-Preise. Aber das ist nicht das einzige Instrument, das zur Verfügung steht. In Deutschland zum Beispiel muss der Zuschlag für Stromverbraucher abgeschafft werden. Obwohl der Zuschlag ursprünglich zur Finanzierung der Erzeugung erneuerbarer Energien eingeführt wurde, könnte er bald obsolet werden, da sich Wärmepumpen voraussichtlich innerhalb weniger Jahre amortisieren werden. 

Auf dem Weg in eine dekarbonisierte Zukunft

Im Grunde genommen hat Qwark3 eine ganze Menge zu bieten. Als Zukunftsmodell zeigt es, wie Großwärmepumpen die Wärmeabgabe an die Umwelt minimieren und damit letztlich die Gesamteffizienz eines Gesamtsystems steigern können. Außerdem ermöglichen sie, wie am Potsdamer Platz zu sehen sein wird, die intelligente Integration von Heizung und Kühlung. Und das Beste daran: Dies ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie industrielle Wärmepumpen auf dem Weg in eine kohlenstofffreie Zukunft helfen können. 

12. Juli, 2022 

Dr. Christian Hüttl ist Business Owner für industrielle Wärmepumpenlösungen bei Siemens Energy Global GmbH & Co. KG in Deutschland. 

Kombinierter Bild- und Videonachweis: Siemens Energy und Vattenfall Wärme Berlin.