Nutzung industrieller Abwärme
in der Fernwärme
Innovative Lösung mit bidirektionaler Wärmelieferung umgesetzt
„Wir trennen die Netze, um sie zu verbinden“ – so steht es in der Pressemitteilung der Stadtwerke Herne AG (stwh) zur ersten großen Verbindung ihres Fernwärmenetzes mit industrieller Abwärme, die im März 2025 in Betrieb gegangen ist.
Bei diesem Projekt, für das ich die initiale Planung und Konzeption im Auftrag der stwh durchführen konnte, galt es einige technische Herausforderungen zu lösen.
Neben unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus war es vor allem die Anforderung, einen Wärmeaustausch in beiden Richtungen zu ermöglichen, denn üblicherweise liefert eine (Ab-)Wärmequelle nur in eine Richtung ihre Wärme. Welchen Vorteil dieser Wärmetausch bringt und wie ich die Herausforderungen lösen konnte, liest du im folgenden Blogbeitrag.
Ausgangslage
Im Besitz der stwh befinden sich das durch uniper mit Wärme versorgte Innenstadtnetz sowie weitere, kleinere Inselnetze. Eines dieser Netze im Herner Süden (hier: Netz 2) wird aus industrieller Abwärme eingespeist. Dieses Netz nutzte in der Vergangenheit zur Absicherung in Produktionspausen sehr teure, aus Dampfkesseln bereitgestellte Wärme.
Ziel war nun einerseits, das verfügbare und noch nicht vollständig genutzte Abwärmepotential des Industriebetriebes auch für das große Innenstadtnetz (Primärnetz) verfügbar zu machen. Andererseits sollte sichergestellt werden, dass das Netz 2 auch während Produktionsunterbrechungen durch das Primärnetz abgesichert ist. Schließlich sollen auch noch die Kunden, die auf einer ca. 500m langen Verbindungsleitung liegen, in jedem Betriebsfall sicher mit Wärme versorgt werden.
Herausforderung 1: Bidirektionaler Wärmetransport
Die erste große Herausforderung war es, einen Wärmefluss in beide Richtungen zu ermöglichen. Neben einer Umkehr der Strömungsrichtung in der Verbindungsleitung mussten hierfür auch die Wärmetauscher in der Lage sein, sowohl im Gegenstrom- als auch im Gleichstrombetrieb eine ausreichende Wärmeübertagung zu gewährleisten. Dies hatte wiederum Einfluss auf die Dimensionierung der Anlage.
Ist keine industrielle Abwärme verfügbar, wird Netz 2 aus dem Primärnetz mit Wärme versorgt und ist quasi als ein großer Kunde zu sehen. Die Wärmetauscherstation fungiert als „große Hausstation“ und überträgt die Wärme in Netz 2.
Ist ausreichend industrielle Abwärme verfügbar, kann die Wärme in das Primärnetz zurückgespeist werden. Netz 2 wird gleichzeitig weiter versorgt. Während andere Lösungen eine Anhebung der Rücklauftemperatur im Bestandsnetz praktizieren, habe ich hier eine Änderung der Strömungsrichtung in der Verbindungsleitung und somit eine Einspeisung in den Vorlauf des Primärnetzes vorgeschlagen. So ist eine vollwertige sekundäre Wärmeeinspeisung ohne Leistungsbegrenzung möglich. Der Umschaltprozess berücksichtigt dabei einen kurzen Stillstand und begrenzt durch definierte Rampen den Lastgradienten. Besonderes Augenmerk gilt hier dem Temperaturverlauf im Primärnetz, der insbesondere im Winter durch die Beimischung etwas abgesenkt wird. Durch eine Optimierung des Netzes und der Hausstationen kann so bereits ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung (Optimierung der Netztemperaturen) geleistet werden. Grundlage hierfür ist eine hydraulische Simulation des Gesamtsystems, die für jeden Betriebsfall die kritischen Netzparameter zeigen kann. Je niedriger die Rücklauftemperatur der Stationen im Primärnetz ist, desto mehr Wärme kann ausgekoppelt werden.
Im Ergebnis könnten technisch bis zu 4 MW Wärme, die bisher ungenutzt waren, für den Betrieb des Primärnetzes bereitgestellt werden. Die Maßnahme wird begleitet durch einen massiven Ausbau der Fernwärmeanschlüsse seitens stwh, um das zusätzliche, umweltfreundliche Wärmepotential möglichst vielen Kunden anbieten zu können.
Herausforderung 2: Unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus
Während das große Innenstadtnetz (Druckstufe PN 25) gleitend gefahren wird (Vorlauftemperatur 80-130°C), wird Netz 2 bei konstant 80°C Vorlauftemperatur gefahren. Netz 2 ist zudem ein direkt gefahrenes Netz, d.h. es gibt keine hydraulische Trennung in den Hausstationen, der Betriebsdruck liegt bei etwa 3 bar.
Für die Lösung habe ich hier groß dimensionierte Plattenwärmetauscher vorgeschlagen. So kann eine geringe Grädigkeit und folglich eine bestmögliche Nutzung des verfügbaren Temperaturniveaus erreicht werden. Diese Konstellation ermöglicht eine sichere Trennung der Druckstufen. Die im Winter hohen Vorlauftemperaturen im Primärnetz werden durch eine entsprechende Regelung vor dem Wärmetauscher so begrenzt und abgesichert, dass zu keiner Zeit diese Temperaturen in das Netz 2 gelangen können. So kann der bisher teure Dampfeinsatz während Produktionsunterbrechungen durch preiswertere Wärme aus dem Primärnetz ersetzt werden.
Herausforderung 3: Wärmelieferung auf der Verbindungstrasse
Eine neue, etwa 500m lange Trasse verbindet das Primärnetz mit Netz 2. Die unterwegs angeschlossenen Kunden müssen in jedem Betriebsfall mit Wärme versorgt werden können. Während im Falle der Wärmelieferung an Netz 2 hohe Temperaturen von bis zu 130°C im Vorlauf verfügbar sind, muss im Falle der Wärmelieferung an das Primärnetz die gleiche Station mit nur 80°C Vorlauf eine ausreichende Versorgung des Objektes sicherstellen. Dieser Umstand war bei der Dimensionierung der Stationen zu berücksichtigen. Außerdem wird genügend Leistungsreserve für die Kunden an der Verbindungsleitung benötigt, bevor die Umschaltung gestartet wird. Da die Umschaltung vollständig automatisiert durchgeführt wird, sind sämtliche Parameter nach eingehender Testung in den Systemen hinterlegt.
Fazit
Die in Herne durchgeführte Verbindung zweier Fernwärmenetze zeigt die vielfältigen Möglichkeiten zur effizienten Nutzung von Abwärmepotentialen. Durch die intelligente Steuerung der Anlagen können sowohl unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus, als auch verschiedene Transportrichtungen der Wärme ermöglicht werden. Die Umschaltung zwischen den Betriebsfällen erfolgt abhängig vom jeweiligen Wärmeangebot vollständig automatisiert.
Die jederzeit konstruktive Umsetzungsmentalität der Kollegen vor Ort hat im Zusammenwirken mit den beteiligten Partnern trotz zum Teil langer Komponenten- Lieferzeiten und notwendiger Sonderlösungen ein gutes Gesamtergebnis möglich gemacht. Dabei haben sich meine im Vorfeld durchgeführten Überlegungen in Verbindung mit den gemeinsamen Simulationen und Konkretisierungen als absolut praxistauglich erwiesen. Weitere vergleichbare Projekte sind bereits in der Umsetzung.
Steckbrief
- Auftraggeber: Stadtwerke Herne AG
- Initiale Planung und Konzept: CL Beratung, Christoph Langel
- Hydraulische Simulation: RZVN Wehr GmbH, Düsseldorf
- Detail- und Ausführungsplanung: bft Planung GmbH, Aachen
- Steuerungstechnik, Automatisierung: KSB Service GmbH, Frankenthal
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