Hochtemperatur-Wärmepumpen für urbane Fernwärme

Das Berliner Projekt Qwark³ zeigt, wie industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen Abwärme aus der Fernkälte in nutzbare Fernwärme umwandeln können. Im Fokus stehen dicht bebaute urbane Umgebungen, in denen begrenzter Platz und hohe Vorlauftemperaturen entscheidende technische Randbedingungen sind.

Sektorkopplung in einem dicht bebauten urbanen Energiesystem
Seit den späten 1990er-Jahren versorgt das Fernkältenetz rund um den Potsdamer Platz Bürogebäude, Wohnhäuser, Hotels sowie kulturelle Einrichtungen mit lokal erzeugter Kälte. Mit einer installierten Kälteleistung von 45 MW und einem ganzjährigen Betrieb entsteht ein großer, kontinuierlicher Strom an niedrigtemperierter Abwärme. Diese wurde bislang über Kühltürme an die Umgebung abgegeben.

Im Jahr 2018 initiierte BEW gemeinsam mit Siemens Energy das Projekt Qwark³ (Quartiers-Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung), um eine industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe in das bestehende Kältezentrum zu integrieren. Ziel war es, die zurückgewonnene Wärme in das Berliner Fernwärmenetz einzuspeisen und durch die Kopplung von Kälte, Wärme und Strom den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren.

Kompakte Wärmeübertragung als Schlüsseltechnologie
Eine wesentliche technische Herausforderung stellte der begrenzte Platz im bestehenden Anlagengebäude dar. Konventionelle Rohrbündelwärmeübertrager wurden aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts ausgeschlossen. Stattdessen kamen kompakte Plattenwärmeübertrager von Alfa Laval als zentrale Komponenten der Wärmepumpe zum Einsatz.

Im Vergleich zu Rohrbündelwärmeübertragern benötigen Plattenwärmeübertrager nur etwa ein Drittel des Installationsvolumens bei gleicher Wärmeübertragungsleistung. Dadurch lassen sich die statischen Lasten reduzieren und die Integration in die beengte Anlagenstruktur vereinfachen.

Für die Verdampfung wird ein teilverschweißter Plattenwärmeübertrager eingesetzt, der einen geringen Temperaturansatz zwischen Wärmequelle und Kältemittel ermöglicht und damit einen höheren Leistungskoeffizienten (COP) unterstützt. Kondensation und Unterkühlung erfolgen über mehrere gelötete Plattenwärmeübertrager, die für Drücke bis 28 bar ausgelegt sind und dank dichtungsloser Bauweise einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Temperaturen erlauben.

Sicherheit, Effizienz und Betriebsparameter
Die kompakte Bauweise der Wärmeübertrager reduziert die Kältemittelfüllmenge im Vergleich zu alternativen Technologien um rund 80 %. Dies ist insbesondere für das eingesetzte Kältemittel R1233zd(E) relevant, das zwar nicht brennbar und nicht toxisch ist, jedoch Kosten- und Handhabungsaspekte aufweist. Geringere Kältemittelmengen senken sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten.

Die Hochtemperatur-Wärmepumpe stellt eine maximale thermische Leistung von 9 MW bereit und liefert jährlich rund 55 GWh Wärme. Die Vorlauftemperaturen liegen zwischen 85 °C und 117 °C und erfüllen damit die Anforderungen der Fernwärmeversorgung ohne zusätzliche Temperaturerhöhung. Der gesamte elektrische Energiebedarf für die Verdichtung des Kältemittels wird aus erneuerbaren Stromquellen gedeckt.

Messbare Effekte auf Emissionen und Ressourcen
Seit der Inbetriebnahme im Jahr 2024 wird die zurückgewonnene Wärme direkt in das Fernwärmenetz eingespeist. Sie versorgt im Sommer rund 30.000 Haushalte mit Warmwasser und beheizt im Winter etwa 3.000 Wohnungen. Durch die Nutzung von Abwärme, die zuvor ungenutzt blieb, werden die Wärmeverluste um schätzungsweise 36 GWh pro Jahr reduziert.

Dies entspricht einer jährlichen Einsparung von rund 6.500 Tonnen CO₂. Zusätzlich sinkt der Frischwasserbedarf der Kühltürme um etwa 120.000 Kubikmeter pro Jahr. Das Projekt verdeutlicht, wie eine digitale Lieferkette von Energieflüssen – die Fernkälte, Fernwärme und erneuerbaren Strom miteinander verknüpft – die Gesamteffizienz von Energiesystemen auf Quartiersebene deutlich steigern kann.

www.alfalaval.com