Karl-Heinz Hochhaus
1. Einführung
In Esbjerg, einer Stadt an der Westküste Dänemarks, wurde die größte CO2-basierte Meerwasser-Wärmepumpe der Welt errichtet. Ab Oktober 2023 wird diese Wärmepumpe, die Großwärmepumpe leistet rund 70 Megawatt, um 100.000 Menschen in der Region mit Wärme zu versorgen. Das bisherige Kohlekraftwerk, wurde stillgelegt. Dies bedeutet, dass dank der Großwärmepumpe tausende Haushalte gleichzeitig auf erneuerbare Wärme umgestellt werden können, ohne dass ein einziger Heizungsaustausch erforderlich ist. Der Strom für die Wärmepumpe wird von Offshore- Windkraftanlagen erzeugt.
Abbildung 1: Der ölfreie, hermetisch abgedichtete HOFIM® elektrisch angetriebene Kompressor steht im Zentrum des industriellen Wärmepumpensystems von MAN Energy Solutions in Esbjerg. (Foto: © MAN Energy Solutions)
Auch im Hafenquartier von Neustadt in Holstein ist 2023 mit einer Meerwasser-Wärmepumpe eine klimafreundliche Wärmeversorgung entstanden. Die Stadtwerke Neustadt in Holstein setzen auf eine leistungsstarke Meerwasser-Wärmepumpe, die die natürliche Wärme der Ostsee nutzt, um sie wie in Esbjerg in das neue, quartierseigene Nahwärmenetz einzuspeisen. Sie gilt als erste Meerwasser-Wärmepumpe in einem größeren deutschen Wärmenetz und besitzt damit besonderen Modell- und Vorbildcharakter. Die Meerwasser-Wärmepumpe in Esbjerg (Abb. 1) stammt aus Deutschland, die Meerwasser-Wärmepumpe in Neustadt (Abb. 2) stammt aus Dänemark.
Abbildung 2: Blick auf das Wärmepumpen Aggregat aus Dänemark (Quelle: Johnson Controls)
Das Prinzip der Mehrwasser-Wärmepumpe ist für Küstenstädte zukunftsweisend, um zentrale Wärmenetze oder größere Fernheizsysteme zu entwickeln. Dies ist besonders interessant, wenn die Speisung der elektrisch angetriebenen Wärmepumpen durch Windkraft oder auch Solarkraft erfolgt.
2. Meerwasser-Wärmepumpe Neustadt
Aus der Neustädter Bucht wird Meerwasser über eine Entnahmestation im Hafen zum Wärmetauscher der Energiezentrale geführt. Dort wird dem Ostseewasser Wärme entzogen und mithilfe der Wärmepumpe auf ein für die Wärmeversorgung nutzbares Temperaturniveau um 70 °C angehoben. Die gewonnene Wärme wird anschließend in das neu errichtete Wärmenetz des Hafenquartiers eingespeist. Selbst bei niedrigen Wassertemperaturen bis 4 °C kann die Anlage die vorhandene Umweltwärme effizient nutzen.
Hersteller der Wärmepumpe ist Johnson Controls. Die Anlage wurde im Werk des Unternehmens in Højbjerg, Dänemark gefertigt. Zum Einsatz kommt eine Sabroe DualPAC-Wärmepumpe. Dabei handelt es sich um eine zweistufige Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit dem Kältemittel Ammoniak (NH3) mit zwei Verdichtern, die speziell für Anwendungen mit hohem Temperaturhub und damit auch für Nah- und Fernwärmenetze geeignet ist. Die zweistufige Wärmepumpe verfügt über eine Heizleistung von rund 700 kW und stellt Heizwasser mit einer Vorlauftemperatur von bis zu 72 °C bereit. Ergänzt wird das System durch weitere Wärmequellen. Dazu gehören ein Pufferspeicher und die Nutzung von Abwärme aus dem nahegelegenen Müllheizkraftwerk. So entsteht ein flexibles Wärmesystem, das verschiedene Energiequellen miteinander verbindet.
Abbildung 3: Einbau der Wärmepumpe (Quelle: Johnson Controls)
In Spitzenzeiten, wenn die Heizleistung der Wärmepumpe nicht ausreicht, wird sie schrittweise erst durch einen Pufferspeicher und danach durch die Abwärme der benachbarten Müllverbrennungsanlage unterstützt. Der Pufferspeicher mit einem Volumen von rund 25 m³ dient dazu, Erzeugung und Wärmebedarf zeitlich zu entkoppeln. Er kann beispielsweise bei kurzfristig sinkender Nachfrage Wärme speichern und bei einer vorübergehend höheren Nachfrage wieder an das Wärmenetz abgeben. Der Speicher ist als vertikaler Behälter ausgeführt und erreicht eine Höhe von etwa 15 Metern. Er befindet sich auf dem Dach der Energiezentrale. Damit besitzt der Speicher bei einer nutzbaren Temperaturdifferenz von rund 72 °C auf 40 °C theoretisch eine Speicherkapazität von rund 930 kWh thermisch. Die jeweilig nutzbare Kapazität hängt allerdings von der konkreten Betriebsweise, den zulässigen Temperaturbereichen und der hydraulisch en Einbindung ab.
Abbildung 4: Prinzip einer Fluss- oder Meerwasser-Wärmepumpe (Quelle Rheinenergie)
Für die Stromversorgung der Wärmepumpe wird ein bestehendes Blockheizkraftwerk (BHKW) eingesetzt. Außerdem werden Spitzenlastkessel und der Wärmespeicher in Betrieb genommen.
3. Planung, Bau und Inbetriebnahme
Die Planung begann 2012 und 2016 erfolgte der Beschluss zur Umsetzung des Projekts „städtebaulichen Hafenquartiers mit maritimen Gewerbe–, Wohn–, Kultur– und Tourismusangeboten an der Hafenwestseite“. Die Fertigstellung einer Machbarkeitsstudie nach dem Förderprogramm „Wärmenetze 4.0“ für ein Wärmenetz im Hafenquartier auf Basis eines hohen Anteils an erneuerbaren Energien erfolgte 2019. Ein Jahr später wurde der Antrag zum Fördermittelaufruf „Kommunale Klimaschutz Modellprojekte“ im Rahmen der Nationalen Klimaschutz–Initiative (NKI) eingereicht, der den Zuschlag erhielt. 2023 begann die Errichtung der Energiezentrale, der Abschluss von Lieferverträgen und die Lieferung und Einbau der Meerwasser-Wärmepumpe. Danach begann der Ausbau des Wärmenetzes und 2025 konnte die Erstversorgung mit Wärme erfolgen. Anfang 2026 meldeten die Stadtwerke die Inbetriebnahme und die erfolgreiche Versorgung der ersten Kundinnen und Kunden mit Wärme aus der Meerwasser-Wärmepumpe. Derzeit wird die Anlage weiter feinjustiert und optimiert.
Ein besonderer Vorteil liegt in der Nutzung der lokal verfügbaren, erneuerbaren Energiequelle. Statt ausschließlich auf fossile Energieträger wie Erdgas oder Öl zurückzugreifen, wird die Wärme aus dem Meer und dem Müll für die Versorgung von Gebäuden nutzbar gemacht. Dadurch können die CO₂-Emissionen der Wärmeversorgung deutlich reduziert werden. Gleichzeitig zeigt das Projekt, wie erneuerbare Wärme auch in dicht bebauten innerstädtischen Bereichen und in Küstenstädten im größeren Maßstab eingesetzt werden kann.
4. Zusammenfassung
Die innovativen Projekte der Städte Esbjerg und Neustadt werden angesprochen und dokumentiert. Das Wärmenetz der Stadtwerke Neustadt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 1,18 Mio. Euro gefördert. Die Meerwasser-Wärmepumpe ist hier Dreh- und Angelpunkt in dem klimaschonenden Konzept zur Wärmeversorgung. Damit steht die Meerwasser-Wärmepumpe in Neustadt in Holstein beispielhaft für eine neue Form der kommunalen Wärmeversorgung: Die Ostsee wird zur natürlichen Energiequelle und unterstützt gemeinsam mit Abwärme und Speicher und weiteren Wärmeerzeugern eine nachhaltige Wärmeversorgung des neuen Hafenquartiers. Das Projekt zeigt anschaulich, welches Potenzial in der Verbindung von moderner Wärmepumpentechnik und regional verfügbaren Energiequellen steckt.
Literatur und Quellen:
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/fernwaerme-groesste-waermepumpe-der-welt-heizt-100-000-daenen-ein
- https://www.magazin-forum.de/de/renaissance-am-flussufer
- https://www.swnh.de/waerme/meerwasserwaermepumpe/
