Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 1

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1 Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 1 Fernwärme Kriegacker Muttenz Mehr Effizienz und deutlich weniger CO 2 -Ausstoss Rund 20 Jahre standen in der Energiezentrale des Fernwärmenetzes Kriegacker in Muttenz die mit Erdgas betriebenen Wärmepumpen im Einsatz. Mit der Erneuerung durch eine Elektro-Wärmepumpe und ein modernes Automatisierungssystem kann nicht nur die Effizienz erhöht, sondern auch der Ausstoss an CO 2 markant vermindert werden. Die kürzlich abgeschlossenen Erneuerungsarbeiten bilden die Grundlage für eine verbesserte Leistung und weiterhin sichere Wärmeversorgung der verschiedenen Nutzer. Das Fernwärmenetz Kriegacker in Muttenz versorgt öffentliche und private Bezüger mit Wärme für Heizung und Brauchwasser. Angeschlossen sind beispielsweise das Schulhaus Gründen, das Gymnasium Muttenz, die Gewerbeschule und die Fachhochschule Nordwestschweiz. Zu den privaten Wärmebezügern gehören die Woertz AG, die Kiosk AG, Iveco usw. In den vergangenen Monaten wurde die Energiezentrale dieses Fernwärmenetzes erneuert, indem man die bisherige, mit Erdgas betriebene Wärmepumpenanlage durch eine moderne Elektro-Wärmepumpe ersetzt hat und zusammen mit einem ebenfalls erneuerten Automatisierungssystem zu wesentlich mehr Effizienz und deutlich reduzierter CO 2 -Emission gelangen konnte. Abwärme als Grundlage für die Fernwärmeversorgung In der Energiezentrale beim Laborgebäude der Fachhochschule waren 20 Jahre lang die zwei Grosswärmepumpen mit einer thermischen Leistung von insgesamt 2.5 MW im Einsatz. Zusätzlich standen ein Blockheizkraftwerk für Wärme und Strom sowie zwei fossil befeuerte Warmwasserkessel zur Verfügung. Die gesamte thermische Leistung betrug 9.3 MW. Für die Betreiberin der Fernwärme Kriegacker, das Amt für Industrielle Betriebe (AIB) in Liestal, bedeutete der Ausgangspunkt des Konzepts, die Nutzung von Abwärme des benachbarten grössten Speiseölproduzenten der Schweiz, der Florin AG an der Hofackerstrasse, einen wesentlichen Pluspunkt. Hier wird Prozesswärme erzeugt und gleichzeitig steht eine Grundwasserfassung für energetische Zwecke zur Verfügung, welche neben dem betriebsinternen Einsatz auch im nahe gelegenen Fernwärmenetz Kriegacker sinnvoll genutzt werden kann. Allerdings verursachten die bestehenden Wärmepumpen in der Energiezentrale in den letzten Jahren immer höhere Instandhaltungskosten und eingeschränkte Verfügbarkeit, die einen wirtschaftlichen und sicheren Betrieb nicht mehr länger gewährleisten konnten. Eine Lösung musste gefunden werden. Im Rahmen einer Untersuchung möglicher Varianten zur Erneuerung der Installationen der Energiezentrale, welche rund 10'000 MWh Wärme ans Fernwärmenetz abgibt, wurde die Dr. Eicher+Pauli AG in Liestal, Planer für Energie- und Gebäudetechnik, involviert. Kosten und Effizienz als Entscheidungskriterien Eine umfassende Revision der beiden bestehenden Gasmotor-Wärmepumpen wurde wegen der hohen Kosten einer solchen Erneuerung und der geringen Effizienzsteigerung verworfen. Klar war hingegen, dass man weiterhin das vorhandene Abwärmepotenzial nutzen wollte. Denn es besteht im Kanton Baselland Konsens darüber, der ortsgebundenen Niedertempe-

2 Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 2 ratur-abwärme für die Energieversorgung Vorrang zu geben und solche Abwärmequellen somit effizient zu nutzen. Als Wärmequelle für die Wärmepumpe steht während 7'000 Stunden im Jahr das Kühlwasser der Florin AG mit einer Temperatur von 19 C und einer maximalen Menge von 170 m 3 /h zur Verfügung. Das Kühlwasser ist ursprünglich Grundwasser, welches durch die Kühlprozesse im Produktionsbetrieb von 12 auf 19 C erwärmt wird. Sofern die Florin keine Abwärme liefern kann, steht das Grundwasser direkt zur Verfügung. Somit wird während den übrigen 1'760 Stunden pro Jahr dieses 12 C aufweisende Wasser genutzt. Das durch die Wärmepumpe genutzte Kühlwasser wird der Florin AG mit einer Temperatur von 8 12 C zurückgegeben und kann so im Kreislaufsystem wieder verwendet werden. Das Abwärmeangebot der Florin AG ist sehr stabil und mittelfristig gesichert. Durch Anpassungen bei der Florin AG könnte das Abwärmeangebot möglicherweise noch erhöht werden. Elektro-Wärmepumpe bietet Vorzüge Heute hat sich bei Energieplanern die Erkenntnis durchgesetzt, dass für eine Nutzung von Abwärme die elektrisch betriebene Wärmepumpe besser eignet ist. Gasmotor- Wärmepumpen ergeben im Allgemeinen komplexere Anlagenkonfigurationen und weisen im Teillastbetrieb keinen optimalen Wirkungsgrad auf. Mit einer Elektro-Wärmepumpe kann deutlich mehr Abwärme verwendet werden. Die Variantenstudie der Dr. Eicher+Pauli AG kam somit zu einem eindeutigen Schluss: Eine Elektro-Wärmepumpe ersetzt die beiden bisherigen Gas-Wärmepumpen. Die Energiezentrale wurde ab Mitte 2009 in wenigen Monaten erneuert und mit einer Elektro- Wärmepumpe mit 2 MW Leistung ausgestattet. Gleichzeitig konnte das ursprüngliche Steuersystem durch ein modernes Automatisierungssystem mit Visualisierungsebene sowie Fernsteuerung und -diagnose ersetzt werden; auf Managementebene ist damit das heute dem Stand der Technik entsprechende Konzept verwirklicht. Dazu mussten auch neue, systemkonforme Messsensoren eingebaut werden. Mit diesem neuen System wurde zudem die betriebliche Trennung der Energiezentrale von der Fachhochschule ermöglicht. Die Gesamtinvestition, inkl. notwendiger baulicher Anpassungen lag bei CHF 2.2 Mio. Natürliches Arbeitsmittel für mehr Leistung Als Arbeitsmittel wird neu Ammoniak anstelle eines synthetischen Stoffs eingesetzt; eine der Voraussetzungen für eine Steigerung des Wirkungsgrads. Im Gegensatz zum bisherigen, konventionellen Arbeitsmittel, von dem über 1.7 Tonnen im Umlauf waren, sind bei der neuen Anlage nur noch 220 kg nötig. Alle erforderlichen Sicherheitsmassnahmen für den Einsatz von Ammoniak sind getroffen, wie z.b. die Bedingung, dass ammoniakführende Teile innerhalb eines separaten Maschinenraums platziert werden müssen und eine Raumüberwachung mit Gasmeldeanlage vorhanden sein muss. Das natürliche Kältemittel Ammoniak erfordert zwar höhere Sicherheitsmassnahmen und Investitionen, dafür ist die Energieeffizienz besser. Innerhalb von 12 Jahren können die Mehrinvestitionen mit den Energieeinsparungen amortisiert werden. Ein grosser Vorteil ist auch, dass Ammoniak nicht klimaschädlich ist. Hoher Deckungsgrad für das Netz Die neue Elektro-Wärmepumpe deckt 80 Prozent des Jahreswärmebedarfs des Fernwärmenetzes und erreicht einen durchschnittlichen Jahresnutzungswert von 4.0, also eine überzeugende Kennziffer für diese Konfiguration. Der Anteil der fossilen Energieträger und die Emissionen an Kohlendioxid konnten mit der neuen Anlage auf 25 Prozent gesenkt werden.

3 Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 3 Neu werden als Primärenergie rund 60 Prozent Abwärme, 20 Prozent Strom und 20 Prozent fossile Energieträger eingesetzt. Im Jahresmittel werden MWh Raumwärme und 900 MWh Brauchwarmwasser geliefert. Die Verteilverluste betragen 600 MWh. Die maximal zu liefernde Leistung, definiert als dreistündige Aufheizspitze, beträgt 5.5 bis 6.0 MW. Bewährte Komponenten und Partner Die Wärmepumpe wurde in der Schweiz von der Firma Johnson Controls ausgelegt und geplant. Die Verdichter der Elektro-Wärmepumpe installiert wurden Sabroe-Kompressoren wurden von der dänischen Produktionsstätte der Firma Johnson Controls bezogen. Das neue Automatisierungssystem, die hydraulischen Komponenten und die Baumeisterarbeiten sind von regionalen Betrieben geliefert und ausgeführt worden. Das Fernwärmenetz Kriegacker ist erneuert und reduziert mit dem Systemwechsel von Erdgas auf Elektro-Wärmepumpe den CO 2 -Ausstoss, erhöht die Energieeffizienz und nutzt vermehrt die wertvolle Abwärme des Industriebetriebs. Dank der umsichtigen Planung vor Jahrzehnten und der nun erfolgten Realisierung modernster Technik können die öffentlichen und privaten Gebäude in der Umgebung weiterhin optimal mit Wärme versorgt werden. Und ein weiterer Ausbau ist möglich. Die Zukunft wird zeigen, ob man mit diesem wegweisenden Konzept neue öffentliche und private Kunden gewinnen und damit noch mehr Abwärme genutzt werden kann. (Kasten) Kontakte Bernhard Schmocker Amt für Industrielle Betriebe (AIB) Gerberstrasse 5 Postfach 4410 Liestal bernhard.schmocker@bl.ch (> Bau, Umwelt > Industrielle-Betriebe) Werner Müller Dr. Eicher+Pauli AG Gräubernstrasse Liestal werner.mueller@eicher-pauli.ch

4 Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 4 Bild 1 Mit der Erneuerung der Energiezentrale des Fernwärmenetzes Kriegacker in Muttenz konnte der bisherige CO 2 -Ausstoss um 75 Prozent vermindert werden. Bild 2 Die Verdichter der neuen Elektro-Wärmepumpe arbeiten zweistufig mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak und erreichen einen hohen Jahresnutzungsgrad. Bild 3 Das System nutzt Abwärme eines nahen Produktionsbetriebs und deckt mit der neuen Elektro- Wärmepumpe den jährlichen Wärmebedarf des Fernwärmenetzes zu 80 Prozent ab. Bild 4 Vergleich der Endenergieverbräuche der neuen und alten Anlage. Die fossilen Energieträger werden um rund 75 Prozent reduziert. Bild 5 Die Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs; gezeigt wird auch die im Projekt gewählte Wärmepumpe mit einer Leistung von 2.0 MW.

5 Fachartikel Wärmepumpe; Fernwärme Kriegacker Muttenz, Mai 2010 Seite 5 Bild 6 Anlagenkonzeption der Energiezentrale mit der neuen Elektro-Wärmepumpe und den beiden bestehenden Wärmespeicher sowie Feuerungskessel. (Bilder: Amt für Industrielle Betriebe / Dr. Eicher+Pauli AG)