Die Stadt Heidelberg hat sich zum Ziel gesetzt, klimaneutral zu werden. Eine der wichtigsten und herausforderndsten Sektoren ist hier die Wärmeversorgung. Die Stadtwerke Heidelberg arbeiten seit dem Jahr 2011 daran, die grüne Fernwärme auszubauen. Ein wichtiger Baustein ist dabei die innovative Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (iKWK) in ihrem Energiepark Pfaffengrund, die aus insgesamt drei Ausbaustufen besteht und im Juli 2023 offiziell eingeweiht wurde.
Bei einer iKWK wird eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer neuartigen erneuerbaren Wärmequelle und einem elektrischen Wärmeerzeuger zu einem System verbunden. Die Heidelberger iKWK besteht aus:
Drei BHKW-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 6.000 KW elektrisch und einer Erzeugung von 21.000 MWh Wärme sowie 21.000 MWh Strom,
drei großen Luft-Wasser-Wärmepumpen als erneuerbare Wärmeerzeuger mit einer Gesamtleistung von 4.500 KW und einer Gesamterzeugung von 7.800 MWh Wärme,
einer Power-to-Heat-Anlage als elektrischer Wärmeerzeuger, der die anderen Wärmeerzeugungsanlagen ergänzt. Ihre Leistung beträgt mehr als 1.800 KW.
Die EEB Enerko aus dem nordrhein-westfälischen Aldenhoven war als Planer der Wärmepumpenanlage sowie der BHKW-Anlagen und des Elektrokessels an dem Projekt beteiligt. Ben Kochs ist Planer bei Enerko für den Fachbereich Elektrotechnik und war in Heidelberg für die elektrische Einbindung der Erzeugungsanlagen für Strom und Wärme zuständig. Er erläutert den innovativen Aspekt des Konzepts: „Man hat es hier nicht mit einer reinen KWK-Anlage zu tun, sondern kann zusammen mit der Wärmepumpenanlage und dem Elektrokessel alle Lastfälle abdecken. Durch die intelligente Verschaltung der verschiedenen Wärmeerzeuger kann die iKWK-Anlage flexibel auf Schwankungen im Stromnetz reagieren und zu seiner Stabilisierung beitragen.“
In Heidelberg ist die erneuerbare Wärmequelle damit die Luft: Die drei großen Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft die Wärme und übertragen sie auf das Medium Wasser. Jede der drei Pumpen wälzt circa 500.000 m3 Luft pro Stunde um. Als Niedertemperaturanlagen können sie auch kalter Luft noch Wärme entziehen. In der Einsatzplanung der Erzeugerparks der Stadtwerke Heidelberg ist der Einsatz der Wärmepumpen hauptsächlich für die Übergangsjahreszeiten zwischen Sommer und Winter vorgesehen.
Ultra-Low Harmonic Drives für die Wärmepumpenanlage
22 Ultra-Low Harmonic Drives von ABB regeln die Motoren von diversen Komponenten der Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage. Marco Unger ist bei den Stadtwerken Heidelberg Projektingenieur im Bereich der Wärmetransformation: „Seit einigen Jahren verwenden wir in diesem Projekt bei größeren Frequenzumrichtern Ultra-Low Harmonic Drives von ABB und schreiben diese auch aus.“ Zum Einsatz kommen Schrankgeräte ACS880-37 sowie Single Drives ACS880-31 als Schrankeinbaugeräte. „Unser Augenmerk gilt bei Frequenzumrichtern der Funktion, Haltbarkeit und Langlebigkeit. Wir setzen in den Anlagen der Stadtwerke Heidelberg des Öfteren ABB-Frequenzumrichter ein“, erklärt er.
Thomas Lösch ist bei den Stadtwerken Heidelberg Sachgebietsleiter im Bereich Instandhaltung Fernwärmeanlagen mit Zuständigkeit für die Elektrotechnik. Er hat langjährige Erfahrung u. a. mit ABB-Frequenzumrichtern. Neben der Bedienfreundlichkeit der Geräte lobt er den Service von ABB: „Durch die räumliche Nähe zu ABB haben wir bei Problemen einen guten Zugang zu Technikern. 2024 ist in einer anderen Anlage ein Umrichter ausgefallen. Da ist recht schnell ein Techniker gekommen, der den Schaden behoben hat.“
Drehzahlregelung für Heißkreispumpen und Solekreispumpe
Vier ACS880-31 mit einer Leistung von je 45 KW regeln die Netzpumpen, die die gesammelte erzeugte Wärme ins Fernwärmenetz der Stadtwerke Heidelberg einspeisen. Zwölf ACS880-31 mit Leistungen zwischen 4 und 15 KW sind für die Drehzahlregelung der Heißkreispumpen, Solekreispumpe sowie weiterer Anwendungen zuständig.
Die drei Luft-Wasser-Wärmepumpen stehen bei dieser Anlage im besonderen Fokus, da sie die ersten ihrer Art und aktuell die leistungsstärksten in Deutschland sind. Der dazu nötige lüftungstechnische Aufbau wurde speziell für dieses Projekt entwickelt und ist derzeit einmalig. Jeder Wärmepumpe sind jeweils zwei ACS880-37 mit Leistungen von 250 KW und 355 KW zugeordnet, um die beiden Stufen der Wärmepumpe drehzahlvariabel zu regeln.
Oberwellengehalt niedrig halten
Die ABB-Frequenzumrichter sorgen dafür, dass es bei den Anwendungen zu keinen Problemen mit Oberwellen kommt. Ultra-Low Harmonic Drives reduzieren Oberschwingungen auf unter 3 Prozent ohne zusätzliche Komponenten wie externe Filter oder spezielle Ausrüstungen. Sie beinhalten eine Komponente zur Verringerung von Oberschwingungen, einschließlich einer aktiven Einspeiseeinheit und eines integrierten Oberschwingungsfilters.
Marco Unger erläutert die Gründe für den Einsatz der Ultra-Low Harmonic Drives: „Zu der Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage gehören 180 EC-Ventilatoren – je 60 Stück pro Wärmepumpe –, die die Außenluft ansaugen und in den Luftkühler drücken. Daraus resultiert bereits eine Oberwellenlast, die nicht weiter erhöht werden soll. Das ist die Aufgabe der Ultra-Low Harmonic Drives bei den anderen Anwendungen. In unserem Fernwärmespeicher mit ebenfalls recht großen Pumpen haben wir gute Erfahrungen mit den ABB-Geräten gemacht. Hinzu kommt, dass wir am Energiepark Pfaffengrund auch einen eigenen Mittelspannungsring haben und die Netzrückwirkung am Netzanschlusspunkt geringhalten wollen.“
SIGMATEK.jpg "Neue Steuerung mit Master für Safety-Protokoll FSoE")
