Industriewärmepumpen verbessern die Effizienz eines Gaskessels am Flughafen Kopenhagen
Die Sanierung alter Gaskessel wuchs zu einem Projekt zur gezielten Energienutzung der Abgase mit einer industriellen Wärmepumpe. Das Resultat ist eine Effizienz der Gasverbrennung von mehr als einhundert Prozent.
Im westlichen Abschnitt des Kopenhagener Flughafens Maglebylille (besser bekannt als CPH) gibt es ein internes Heizungsnetz. Anfang 2018 wurde beschlossen, die alten und wenig effizienten Gaskessel, die aus den 1960er Jahren stammten, zu ersetzen. Jetzt besteht das System aus einem 3-Megawatt- (3 MW) und einem 2-MW-Erdgaskessel zusammen mit einer 600-Kilowatt- (kW) Industriewärmepumpe.
Abgase werden mittels Wärmepumpe kondensiert
„Als wir mit der Renovierung der Heizungsanlage begannen, wollten wir das Ganze von einem neuen Blickwinkel aus betrachten“, sagt Klaus Borge, Projektleiter am Flughafen Kopenhagen. „Der Energieberater, der an der Planung beteiligt war, schlug die Rückgewinnung der Abgastemperatur mit einer Wärmepumpe vor, so dass wir die Effektivität des Kessels erheblich verbessern können. Gleichzeitig haben wir den Schwerpunkt der Energienutzung von Gas auf erneuerbaren Strom verlagert, was auch unsere Zielsetzung ist.“
Laut Borge sind viele der Anlagen in dem Gebiet relativ alt und die Temperatur des zurückfließenden Wassers aus dem Heizungsnetz ist recht hoch. Das liegt daran, dass man früher versucht hat, so kostengünstig wie möglich zu bauen und die Wärmetauscher daher entsprechend klein sind.
Die Temperatur des Vorlaufwassers beträgt im Winter 85-90 Grad Celsius (°C) und der Rücklauf etwa 60°C. Im Sommer beträgt der Vorlauf 70°C und der Rücklauf 50-55°C. Bei einem so warmen Rücklauf wäre es nicht möglich, das Rauchgas stark abzukühlen und die Energie im Rauchgas würde größtenteils ungenutzt bleiben. Mit der Wärmepumpe ist es möglich, das Gas auf eine niedrigere Temperatur abzukühlen, wobei die Pumpe mit hoher Effizienz arbeitet.
„Die Temperatur des Rauchgases aus dem Kessel beträgt etwa 150°C“, fährt Borge fort. „Es läuft durch den Kondensator, wo durch die Wärmepumpe die Temperatur auf etwa 30-35°C gesenkt wird. Aufgrund der niedrigen Temperatur kondensiert die Feuchtigkeit des Gases zu Wasser, wodurch sich die gewonnene Energiemenge erhöht und die Leistungsfähigkeit des Systems erheblich verbessert.“
Hohe Temperatur und optimale Kontrolle
„Zu Beginn des Projekts haben wir eine Wärmepumpe eines anderen Herstellers in Betracht gezogen, allerdings gab es in deren Auswahl keine Pumpe in der richtigen Größe“, sagt Borge. „Dann haben wir mit Søren Gram, dem Geschäftsführer von Svedan Industri Køleanlæg A/S, dem Vertriebspartner von Oilon, gesprochen. Søren präsentierte uns die Wärmepumpen der Oilon ChillHeat P 300-Serie, die genau die richtigen Spezifikationen für uns hatten.“
„Die Oilon-Wärmepumpe kann eine sehr hohe Temperatur erzeugen, die problemlos für die Wasserversorgung in der Fernwärme ausreicht. Durch die vier Kompressoren und die Invertersteuerung lässt sich die Pumpe auch bei Teillasten sehr effizient steuern und ihr umweltfreundliches Kältemittel HFO ist auch in Dänemark zugelassen. Der Stromverbrauch der Pumpe beträgt unter den Konstruktionsbedingungen dieses Projekts 155 kW und COP 4,0.“
„Wir haben hervorragende Erfahrungen mit der Qualität der Oilon-Wärmepumpe und dem gesamten Betriebsablauf des Werkes gemacht. Bei der Installation und Inbetriebnahme erhielten wir kompetente und qualitativ hochwertige Unterstützung vom Hersteller, so dass wir das System ohne größere Probleme in Betrieb nehmen konnten. Ebenso war der Kundendienst von Svedan Industry leistungsstark und gut.“
Wärmepumpe verwertet die Abgaswärme
Die Heizzentrale des Flughafens verfügt nun über zwei Kessel, einen 3-MW-Erdgaskessel und einen 2-MW-Kessel. Der 3-MW-Kessel ist an einen Kondensator angeschlossen, der das Rauchgas abkühlt. Der zweite Kessel dient als Reserve für die besonders kalten Tage. Sobald die Temperatur eine Woche lang unter -10°C lag, läuft er an. Der Ersatzkessel stößt die heißen Abgase in den Himmel.
Weltweit werden Wärmepumpen derzeit nur selten zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgasen eingesetzt.
Der Taupunkt von Rauchgas aus einem Erdgaskessel liegt bei ca. 55°C. Durch die Kondensation des Rauchgases ist es möglich, im besten Fall ca. 10% mehr Leistung zu erzeugen. Es bilden sich bis zu 180 Liter Kondenswasser pro Stunde. Die Wasserkondensation absorbiert auch Verunreinigungen aus dem Rauchgas und reinigt so das Rauchgas. Neutralisiertes Kondensat wird in die Kanalisation abgeleitet.
Das Heizwerk produziert jährlich etwa 10.000 Megawattstunden (MWh) Wärme, was dem Verbrauch von etwa 500 Privathaushalten entspricht. Zur Wärmeerzeugung werden ca. eine Million Kubikmeter Erdgas und 400 MWh Strom eingesetzt. Mit der Wärmepumpe wird eine Ersparnis von ca. 1.000 MWh pro Jahr erwartet.
Elektrizität und Energieeffizienz statt Erdgas
„Es herrscht enormer Handlungsdruck, unsere Treibhausgasemissionen zu reduzieren und zu zeigen, dass die CPH im Jahr 2030 ein emissionsfreier Flughafen sein wird“, sagt Klaus Borge. „Die Oilon-Wärmepumpe mit ihren 600 kW Heizleistung verfügt über einen gewissen Leistungsüberschuss zur Kühlung unserer Abgase. Wir beabsichtigen jedoch, das System mit Glykol-Umlaufwärmetauschern im Außenbereich auszustatten, die von Frühjahr bis Herbst Energie aus der Außenluft zurückgewinnen und dann können wir den Gaskessel für die Sommerperiode stilllegen.“
„Auf dem Hausdach neben uns befinden sich jetzt 125 kW Solarpaneele und weitere 250 kW werden gerade installiert. Wir haben sogar überlegt, Akkus anzuschaffen, damit die Wärmepumpe auch nachts mit Solarenergie betrieben werden kann.“
Nach Angaben von Borge beträgt der Strompreis für CPH etwa eine dänische Krone pro Kilowattstunde (1 DKK/kWh). Der Preis für Erdgas beträgt etwa 5 DKK/m3 , d.h. 0,50 DKK/kWh. Die Wärmepumpe produziert jedoch viermal mehr Wärme im Vergleich zu ihrem Stromverbrauch, so dass das Heizen mit der Pumpe im Vergleich zu Gas nur halb so viel kostet. Dänemark hat einige Gasfelder in der Nordsee, aber die derzeitige Regierung beabsichtigt, diese stillzulegen. Andererseits wird in Dänemark immer mehr Biogas produziert.
„CPH konnte seinen Energieverbrauch Jahr für Jahr deutlich senken, aber es gibt noch viel zu tun“, sagt Borge. „Es ist offensichtlich, dass wir mehr erneuerbaren Strom anstelle von Gas verwenden werden. Der gesamte überschüssige Strom wird derzeit zum Laden von Elektroautos verwendet und es braucht Zeit, um das Stromnetz auszubauen. Der Anteil der Sonnenenergie wird stark zunehmen.“
„Wir investieren in hohem Maße in die Energieeinsparung und dabei spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle. Eine Wärmepumpe zahlt sich innerhalb von vier Jahren aus, ist also auch eine sehr rentable Investition.“