Mit GEA-Technologie Wärme aus Abwasser gewinnen und Wärmewende der Stadt Lemgo gestalten

Mit der Lieferung von zwei Wärmepumpen unterstützt GEA die Stadt Lemgo auf dem Weg zur Klimaneutralität bis 2035. Mit der GEA-Technologie wird Wärme aus dem Ablauf der städtischen Kläranlage, Abwärme einer großen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (BHKW-KWK) sowie aus dem Fluss Bega gewonnen.

Die von den Großwärmepumpen erzeugte Wärme reicht aus, um den historischen Stadtkern von Lemgo weitestgehend mit kohlenstoffarmer Wärme zu versorgen. Das sind rund 18 Millionen Kilowattstunden Wärme pro Jahr, wodurch 3.200 Tonnen CO₂-Emissionen pro Jahr eingespart werden. Allein die Wärme aus dem Ablauf des Klärwerks kann zwei Drittel des Altstadt-Wärmebedarfs oder zwölf Prozent des Gesamtbedarfs des Fernwärmnetzes decken. Die Betriebsstrategie stellt sicher, dass die Wärmepumpen bis zu 7.500 Stunden pro Jahr konstant arbeiten kann, um den Nutzen der Wärmepumpen zu maximieren.

Malmö-Projekt von GEA erregte Aufmerksamkeit – in Abstimmung individuelle Lösung für Stadtwerke GEA entwickelt

Die Stadtwerke Lemgo wurden durch das Wärmepumpenprojekt „Malmö“ auf GEA aufmerksam. Auch hier wurde mit GEA Technologie aus dem Abwasser einer städtischen Kläranlage in der schwedischen Metropole Wärme gewonnen.
Bei einem ersten Treffen vor Ort in Lemgo schlug GEA dem Kunden vor, die zunächst geplante Niederdruck-Wärmepumpe und Hochdruck-Wärmepumpe durch eine zweistufige Wärmepumpe ohne verlustbehafteten Zwischenkreis zu ersetzten. Dies wurde von allen Beteiligten schnell energetisch und wirtschaftlich als die deutlich vorteilhaftere Variante erkannt. So wurde nur diese Variante weiterverfolgt. Von Marktbegleitern gab es seinerzeit noch keine vergleichbare Lösung

Gewinnung von Wärme aus dem Abwasser der städtischen Kläranlage Lemgo

Die Gewinnung von Wärme aus dem Abwasser der städtischen Zentralkläranlage Lemgo bildet einen bedeutenden Bestandteil der städtischen Fernwärmeerzeugung. Das saubere Wasser am Klärwerksauslauf ist gut geeignet. Das geklärte Abwasser weist im Jahresdurchschnitt eine mittlere Temperatur von circa 13° C auf. Wegen des Mischwassersystems stehen große Wassermengen (gleich Wärmemengen!) zur Verfügung. Fast 8.000 h/a stehen mehr als 1,5 MW Quellenleistung zur Verfügung. Ferner sind die Infrastruktur wie Blockheizkraftwerk und Fernwärmeanschluss am Klärwerk vorhanden. Die Wärmeauskopplung erfolgt dabei erst hinter den Klärstufen im Auslauf der Kläranlage. So lässt sich eine möglichst hohe Wärmemenge mit relativ geringem technischem Aufwand erzielen. Auch der Reinigungsprozess des Abwassers wird durch die Wärmeentnahme nicht beeinflusst.

Die größten Herausforderungen für die Stadtwerke Lemgo und GEA – und wie sie gemeistert wurden

Mit Inbetriebnahme wurde festgestellt, dass die Wasserqualität der Wärmequelle aus dem Klärwerk nicht den ursprünglichen Reinheitserwartungen entsprach. Die dadurch entstandene Verschmutzung der Verdampfer ließen den Weiterbetrieb der „Reinwasser-Wärmepupe“ nicht mehr zu. Nun galt es eine nachhaltige Lösung zu finden. Von den betrachteten Varianten wurden in gemeinsamen Überlegungen der Stadtwerke Lemgo und GEA die Möglichkeit eines zusätzlichen Trennwärmetauschers oder der Umbau der Wärmepumpe und Rohrbündelverdampfer mit aufwendigen Selbstreinigungssystem verworfen. Die Entscheidung fiel zugunsten einer zusätzlichen Filtrationsanlage, die dann auch realisiert wurde.

Natürliches Kältemittel Ammoniak ein weiterer Pluspunkt für den Umweltschutz

Dass die GEA-Wärmepumpen dazu mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak betrieben werden, sind weitere Pluspunkte im Sinne des Umweltschutzes. Ammoniak ist eine anorganische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, leichter als Luft und leicht in Wasser löslich. GEA ist führend bei der Entwicklung von Technologielösungen für natürliche Kältemittel wie Ammoniak, um die Umweltziele für den schrittweisen Ausstieg aus der Verwendung von fluorierten Gasen (F-Gasen) zu erreichen und die in die Atmosphäre abgegebenen Emissionen zu reduzieren. Der COP (Coefficient of Performance) einer Ammoniak-Wärmepumpe, die unter typischen Bedingungen für ein Fernwärmenetz oder für Prozesswärme unter 100 °C betrieben wird, ist im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln beispielsweise 40 % höher, was 40 % weniger Emissionen, 40 % weniger Energie und 40 % weniger Kosten bedeutet.

Erreichter Meilenstein – aber noch längst nicht „Ende der Fahnenstange“

Die Stadtwerke Lemgo geben sich mit dem Erreichten noch nicht zufrieden. Hier werden bereits die nächsten Schritte für die CO₂-neutrale Strom- und Wärmeversorgung der Stadt geplant: Bis 2028 soll mehr als 55 Prozent der benötigten Fernwärme erneuerbar erzeugt werden. Das Lemgoer Team setzt dabei auf eine großflächige Solarthermieanlage, einen weiteren Großwärmespeicher mit integrierter PtH- und Luftwärmepumpe. Diese werden per Direktkabel an eine ebenfalls in Planung befindliche Windkraftanlage angeschlossen, um Windwärme zu erzeugen. Außerdem soll eine Windkraftanlage zur Wasserstoffproduktion beitragen − weitere Investitionen sind in einen Biomassekessel und eine Holzvergasungsanlage für Straßenbegleitholz geplant, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen.

Hintergrund-Informationen:

Was genau hat GEA beim Lemgo-Projekt geliefert?

• Eine BHKW-Wärmepumpe
  GEA REDASTRUM HE, Heizleistung Senke 785KW bei 82°C Vorlauf und Quelle 560 kW bei 63°C, COPline 3,2, KM R717 (Ammoniak)
• Eine Reinwasser Wärmepumpe
  GEA MX SP2VE6B(RP), Heizleistung Senke 2372 KW bei 82°C Vorlauf und Quelle 1600 kW bei 15°C, COPline 2,7, KM R717 (Ammoniak)

Was zeichnet die GEA Wärmepumpe RedAstrum aus?

GEA RedAstrum 2.0: Diese zweite Generation der Schraubenverdichter-Wärmepumpen bietet neben dem optimierten Design einen neuen Ammoniak-Kaskaden-Verdampfer (Option) sowie eine erweiterte Modellbaureihe. Die Serie ist ab sofort mit sieben Schraubenverdichter-Typen basierend auf der erfolgreichen GEA Grasso M und GEA Grasso LT Reihe in einem spezifischen Hochdruckdesign verfügbar. Angelehnt an das erfolgreiche GEA BluAstrum Konzept mit projektspezifisch konfigurierten und optimierten Wärmetauschern, steht die GEA RedAstrum für Zuverlässigkeit, geringe Ammoniak-Füllmengen und niedrigsten Platzverbrauch. Durch ihre Flexibilität und Effizienz wird sie verschiedensten Heizzwecken gerecht.

Die GEA RedAstrum Wärmepumpe überträgt ihre Wärmeleistung auf einen flüssigen Wärmeträger und liefert Vorlauftemperaturen zwischen +55 und +80 °C für beliebige industrielle Anwendungen, bei denen ein Bedarf an Prozesswärme besteht oder Nahversorgungs- oder Fernwärmenetze bedient werden.

Dank des großen verfügbaren Temperaturbereich auf der kalten Seite zwischen -10 und +50 °C kann der GEA RedAstrum alle möglichen Wärmequellen nutzen – ob Abwasser, Grundwasser, Fluss- oder Seewasser oder ein sekundäres Kältemittel (Kälteträger) im Falle kombinierter Kühl- und Heizanwendungen. Alternativ ist als Verdampfer auch ein Kaskaden-Wärmetauscher verfügbar, mit dem heißes Ammoniakgas direkt aus einer Kälteanlage zugeführt und so Abwärme besonders effizient genutzt werden kann.