Einbindung von Wärmepumpen in Fernwärmenetze
Einbindung von Wärmepumpen in Fernwärmenetze
die Substitution fossiler Energieträger in der Wärmeversorgung ist ein wesentliches Ziel in der Energie- und Wärmewende in Deutschland. Eine entscheidende Rolle wird dabei die Integration elektrischer Wärmepumpen spielen. Diese Rolle wird auch mit Blick auf die bald zur Verfügung stehende Förderung BEW (siehe unseren Newsletter, Ausgabe 15) gefestigt. Elektrische Wärmepumpen nutzen Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, um diese Energie mittels des Einsatzes von elektrischem Strom auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen. Dabei erreichen elektrischen Wärmepumpen eine Leistungszahl (Coefficient of Performance – COP) von 3 bis 8, d. h. mit einer Einheit elektrischer Energie können 3 bis 8 Einheiten thermische Energie bereitgestellt werden. Wärmepumpen zeichnen sich außerdem durch einen sehr flexiblen Einsatz in Bezug auf die Quellen- und Senken-Temperatur aus und eröffnen somit eine breite Anwendung zur Bereitstellung von Wärme in Gebäuden und vielen industriellen Prozessen.
Auch Wärmenetze bieten großes Potenzial zur Einbindung von Wärmepumpen. In unseren vorherigen Newslettern berichteten wir bereits einige Male über die Einbindung von Wärmepumpen in Gebäuden (Temperaturreglung in Wärmenetzen der 5. Generation, Wärmenetze der 4. und 5. Generation). Eine kompakte Übersicht über die unterschiedlichen Integrationsmöglichkeiten von Wärmepumpen in Wärmenetzen liefert der kürzlich erschienene Artikel review on the integration of high-temperature heat pumps in district heating and cooling networks von J. Barco-Burgos et al. von der Universitat Rovira i Virgili in Spanien. Der Artikel listet insgesamt 12 unterschiedliche Konfigurationen zur Integration von Wärmepumpen in thermischen Netzen auf. Dabei klassifizieren die Autoren die Einbindung anhand der Wärmenetzgeneration (3., 4. und 5. Generation), der Verortung im Wärmenetz (zentral oder dezentral), der technischen Integration sowie dem Temperaturhub zwischen Verdampfer und Kondensator und der damit verbundenen Effizienz der Wärmepumpe.
Zentrale Wärmepumpen in Wärmenetzen
Barco-Burgos et al. unterscheiden drei unterschiedliche Orte zur Einbindung von Wärmepumpen. Die erste Variante ist die zentrale Einbindung von Wärmepumpen. Hierbei wird an einem Punkt im Netz (der Energiezentrale) erneuerbare Wärme oder Abwärme auf einem niedrigen Temperaturniveau genutzt, um ganzjährig den Wärmebedarf des thermischen Netzes zu decken. Diese Konfiguration ist vergleichbar mit konventionellen Wärmenetzen, bei denen der primäre Energieträger durch Wärmepumpen ausgetauscht wird. Diese Systeme benötigen zum einen eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator, aber auch hohe Leistungen von mehreren Megawatt thermischer Leistung. Zentral eingebundene Wärmepumpen können mehrere Quellen nutzen und sowohl parallel als auch in Serie betrieben werden. Als Spitzenlast sind weitere Erzeuger auch unter Verwendung fossiler Energien denkbar, um Investitionen zu reduzieren. Sie sind aufgrund der Vorlauftemperaturen im System besonders für Wärmenetze der 4. oder 5. Generation geeignet und erreichen je nach Wärmequelle und Vorlauftemperatur COP-Werte von 2 bis 6.
Lokal eingebundene Wärmepumpen
Die zweite Möglichkeit zur Einbindung von Wärmepumpen beschreiben Barco-Burgos et al. als lokale Einbindung. Die lokale Einbindung unterscheidet sich laut Barco-Burgos dadurch, dass die Wärmepumpen im Gegensatz zur oben beschriebenen Einbindung direkt den Vor- oder Rücklauf des Wärmenetzes als Quelle und/oder Senke verwenden. Alle lokal eingebundenen Wärmepumpen nach Barco-Burgos et al. benötigen eine weitere zentral eingebundene Wärmequelle (zum Beispiel BHKWs). Lokal eingebundene Wärmepumpen werden somit als Booster-Wärmepumpen eingesetzt, um die Vorlauftemperatur des Wärmenetzes zu erhöhen. Eine Option nutzt den Rücklauf als Quelle und den Vorlauf als Senke. Diese Option kann besonders gut genutzt werden, wenn die Effizienz des Gesamtsystems niedrige Rücklauftemperaturen und hohe Vorlauftemperaturen verlangen. Abgewandelte Optionen sind die Verwendung des Vorlaufs als Wärmesenke und Wärmequelle. Hierbei wird die Temperatur des Vorlaufs zwar erhöht, aber es ist eine sehr hohe Temperaturspreizung im Verdampfer notwendig. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Nutzung des Rücklaufs als Quelle und Erwärmung des Rücklaufs auf das Temperaturniveau des Vorlaufes mithilfe einer Beimischung aus dem Kondensator. Lokal eingebundene Wärmepumpen sind laut Barco-Burgos et al. für die 3., 4. und 5. Generation von Wärmenetzen einsetzbar, jedoch sind die angewendeten Leistungen geringer und bewegen sich im Bereich einiger 100 kW bis weniger Megawatt thermischer Leistung. Auch hier sind COP-Werte von 2 bis 6 erreichbar.
Individuell eingebundene Wärmepumpen
Weitere Optionen zur Einbindung fassen Barco-Burgos et al. unter „individuell eingebundenen Wärmepumpen“ zusammen. Wie auch die lokal eingebundenen Wärmepumpen muss zusätzlich zu den Wärmepumpen eine weitere Energiequelle im Wärmenetz vorhanden sein. Je nach Vorlauftemperatur im Netz (z. B. der 5. Generation) können dazu auch erneuerbare Energien eingesetzt werden. Diese Kategorie kann weiter in zwei Nutzungen unterteilt werden:
- Die Kondensatorleistung der Wärmepumpe wird zur direkten Nutzung im Gebäude oder industriellen Prozessen verwendet.
- Die Kondensatorleistung der Wärmepumpe wird (ähnlich zu den lokal eingebundenen Wärmepumpen) zur Vorlauftemperaturerhöhung oder (ähnlich zu den zentral eingebundenen Wärmepumpen) Einbringung weiterer Leistung auf gleichem Vorlauftemperaturniveau genutzt.
Zur Deckung des Bedarfs von Gebäuden oder Prozesswärme können Wärmepumpen sowohl in Wärmenetzen der 3., 4. und 5. Generation (in der 5. Generation zwingend notwendig) eingesetzt werden. Je nach Konfiguration nutzen die Wärmepumpen den Vorlauf- oder den Rücklauf des Wärmenetzes als Quelle. Unabhängig, ob Vor- oder Rücklauf als Quelle genutzt werden, wird das abgekühlte Medium aus dem Verdampfer in den Rücklauf des Wärmenetzes eingespeist. Der große Vorteil der individuellen Versorgung einzelner Verbraucher mit Wärmepumpen, welche das Netz als Quelle nutzen, ist die flexible Bereitstellung von unterschiedlichen Temperaturniveaus. In konventionellen Netzen richtet sich die Vorlauftemperatur nach den Anforderungen des schlechtesten Verbrauchers. Dies kann mit individuell eingebundenen Wärmepumpen umgangen werden. Die Leistungen der individuell eingebundenen Wärmepumpen zur direkten Nutzung im Gebäude oder industriellen Prozesse ist eher klein (wenige 100 kW) und erreicht laut Barco-Burgos et al. COP-Werte von 2 bis 8.
Insbesondere in Wärmenetzen wo dezentrale Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau (Abwärme, erneuerbare Wärme) nutzbar sind, können individuelle Wärmepumpen eingesetzt werden, um entweder die Temperatur im Vorlauf zu erhöhen, zusätzliche Leistung in das Wärmenetz einzubringen, in dem die Wärmepumpe zwischen Vor- und Rücklauf betrieben wird, oder eine Rücklauftemperaturanhebung durchzuführen. Die Rücklauftemperaturanhebung ist in Wärmenetzen der 3. Generation eine interessante Möglichkeit, um den Temperaturhub in der Wärmepumpe zu verringern. COP-Werte von 2 bis 6 sind für diese Einbindungsmöglichkeit realisierbar.
Der Artikel zeigt besonders gut auf, welche vielfältigen Möglichkeiten zur Einbindung von Wärmepumpen in neue und bestehende Wärmenetze existieren. Die Nutzung von Wärmepumpen kann enorme ökologische (Einsparung von CO2-Emissionen) und in Kombination mit Förderungen wie dem BEW wirtschaftliche Vorteile bringen. Darüber hinaus können unter dem Einsatz individueller Wärmepumpen bestehende Wärmenetze effizient transformiert werden.
Weitere Informationen zur Einbindung von Wärmepumpen in Fernwärmenetze
Insbesondere für die Konzepte zur hydraulischen Einbindung (Anlagenschemata) und die ausführliche Bewertung der Einbindungsmöglichkeiten empfehlen wir den Artikel von Barco-Burgos et al. in voller Länge. Weitere Informationen zur Förderung von Wärmepumpen finden Sie in unserem Newsletter, Ausgabe 15. Informationen zur individuellen Einbindung von Wärmepumpen in kalten Wärmenetzen haben wir in unserem Showcase Kalte Nahwärme für Sie zusammengestellt.
Die nächste Ausgabe unseres Newsletters erscheint am 6. April 2022. Bis dahin folgen Sie uns gerne auf LinkedIn wo wir kleinere Anwendungsbeispiele und Informationen mit Ihnen teilen.
