Leistungsstarke Wärmepumpen treiben Dekarbonisierung voran

Die neue Anlage für die Faulschlammbehandlung im Klärwerk Erlangen zeigt, wie sich durch die Nutzung von Wärmepumpen für die kombinierte Kalt- und Heizwassererzeugung hocheffiziente und umweltfreundliche thermische Energiemanagementsysteme realisieren lassen. Die Hochtemperaturwärmepumpen (WP 1 bis WP 4) im Klärwerk sind als Kaltwassersätze mit Wärmerückgewinnung der gesamten Verflüssigerwärme konzipiert. Ihre Regelung erfolgt über die Kaltwasseraustrittstemperatur. Das erzeugte Kaltwasser wird dabei für wesentliche Prozessschritte im Rahmen der Faulschlammbehandlung benötigt. Gleichzeitig stellt die Wärmerückgewinnung die Heizenergie für den industriellen Prozess der Klärschlammtrocknung (Bandtrocknung) auf einem hohen Temperaturniveau zur Verfügung.

Mit getrocknetem Faulschlamm CO₂-Emissionen reduzieren
Die neue Anlage für die Faulschlammbehandlung mit dem Bandtrockner als Kernelement nahm im Juli 2023 ihren Betrieb im Klärwerk Erlangen auf. Bis zu 15.700 t Faulschlamm fallen im Einzugsgebiet des Klärwerks jährlich im Abwasserreinigungsprozess an. Die Ausbaugröße des Klärwerks umfasst 350.000 Einwohnerwerte, also sowohl menschliche Einwohner als auch äquivalente Industrie- und Gewerbeabwässer. Faulschlämme sind durch Ausfaulen stabilisierte Klärschlämme mit einem hohen Wassergehalt. Nach der Entwässerung und Trocknung sind sie auch als Brennstoff geeignet. Mithilfe des neuen Bandtrockners kann die jährlich anfallende Menge an Faulschlamm auf einen Trockenrückstand von 90 Prozent und das Volumen um rund 70 Prozent verringert werden. Somit reduzieren sich nicht nur die Kosten für Entsorgung und Transport, sondern auch die CO₂-Emissionen aufgrund wesentlich weniger benötigter LKW-Transporte.

Wärmepumpen-Know-how im großen Leistungsbereich gefragt
Maßgeblich für die Planung der Gesamtanlage zur Faulschlammbehandlung unter Verantwortung des Nürnberger Ingenieurbüros Miller war die Einhaltung der Energieneutralität des Klärwerks. Das kontinuierlich zur Verfügung stehende, aufbereitete Abwasser bietet dabei die optimale Wärmequelle für den Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen als Lieferant thermischer Energie. Mit dem Angebot der Hochtemperaturwärmepumpen konnten das Ingenieurbüro Miller und die Betreiber von der Fachkompetenz der Firmen Smardt OPK (Hersteller) und Grötsch Energietechnik (Gesamtanlagenbau Heizung) überzeugt werden.

Die Wärmepumpen im Klärwerk werden für größtmögliche Energieeffizienz sowohl für die Kaltwasser- als auch für die Heizwassererzeugung genutzt. „Eine Besonderheit ist, dass die Wärmepumpen bei einer Kaltwasseraustrittstemperatur von +20°C die geforderte Heizwasseraustrittstemperatur von +90°C nur in einem zweistufigen Verdichtungsprozess (Kaskade) erreichen können“, sagt Uwe Lotzmann, Projektierung und Vertrieb bei Smardt OPK. Der Betrieb des Bandtrockners wird in Kombination mit der bestehenden Kraftwärmekopplung des Klärwerks und einer PV-Anlage zu einem integrierten Gesamtsystem ergänzt.

Bei der Konzeption und Ausführung der Wärmepumpen arbeitete Smardt OPK eng mit seinem langjährigen Partner BITZER, dem Spezialisten für Kälte- und Klimatechnik sowie Wärmepumpentechnologie, zusammen. BITZER bietet für Industriewärmepumpen mit einem Nutztemperaturbereich bis +95°C ein umfangreiches Produktportfolio – von Verdichtern über Wärmetauscher bis hin zu elektronischen Komponenten. „Großwärmepumpen sind ein wesentlicher Baustein für eine umweltfreundliche, zukunftssichere Energiewirtschaft, weswegen wir bei BITZER seit vielen Jahren Entwicklungsarbeit in diesem Bereich leisten“, so Dirk Schlehuber, Produktmanager Schraubenverdichter bei BITZER.

Wärmepumpe: Kühlen und Heizen hocheffizient miteinander kombiniert
Die baugleichen Wärmepumpen WP 1 und WP 2 im neuen Maschinenhaus des Klärwerks sind als thermische Kaskadensysteme mit jeweils zwei gekoppelten Kältekreisläufen konzipiert. In beiden Wärmepumpen sorgen in der Niedertemperaturstufe (NT-Stufe) jeweils ein CSH7593-90Y-40P Kompaktschraubenverdichter von BITZER sowie in der Hochtemperaturstufe (HT-Stufe) jeweils ein CSH8583-125Y-40P Kompaktschraubenverdichter für die erforderliche Kühl- und Heizleistung. Dank der kompakten Maße aufgrund der konstruktiv integrierten Ölabscheider eignen sich Verdichter der CSH Serie optimal für eine platzsparende Anlagenkonstruktion. Die gemeinsame Kälteleistung von insgesamt 470 kW beider Wärmepumpen wird für die Kaltwassererzeugung mit einer Vorlauftemperatur von +20°C für den Betrieb eines Kühlwasser-Abluftwäschers im Rahmen der Faulschlammbehandlung benötigt.

Auf der Verflüssigerseite der Wärmepumpen wird Heizwasser mit einer Vorlauftemperatur von +90°C erzeugt und in acht wärmegedämmten Pufferspeichern mit jeweils 107 m3 Fassungsvermögen gespeichert, die von Grötsch Energietechnik geliefert wurden. Aus der Pufferspeicherbatterie mit insgesamt 856 m3 Speicherinhalt wird das Heizwasser mit einer Temperatur von +90°C für die thermische Versorgung des Bandtrockners bereitgestellt. Die Gesamtheizleistung der beiden Wärmepumpen WP 1 und WP 2 beträgt 760 kW. Bei Nennbedingungen ergibt sich damit ein Gesamtwirkungsgrad aus Kälte- und Heizleistung von 4,24 im kombinierten stationären Betrieb.

Die einstufige Wärmepumpe WP 3 befindet sich unmittelbar neben den beiden Kaskadensystemen im neuen Maschinenhaus. Der halbhermetische Kompaktschraubenverdichter CSH8583-125Y-40P sorgt für eine Kälteleistung von 117 kW sowie eine Heizleistung von 181 kW. Unter Nennbedingungen erzielt WP 3 einen Gesamtwirkungsgrad von 4,1 im kombinierten stationären Betrieb. Sie stellt einerseits Kaltwasser mit +30°C für die Faulschlammhydrolyse, also die Zerkleinerung organischer Substanzen durch Einwirkung von Mikroorganismen, und andererseits Heizwasser mit +90°C für die Faulschlammtrocknung mittels Bandtrockner über die Pufferspeicherbatterie bereit.

Die vierte Wärmepumpe von Smardt OPK ist wie WP 1 und WP 2 eine Kaskadenwärmepumpe, die sich zwar in einem separaten Gebäude befindet, jedoch ebenfalls Heizwasser über die Wärmespeicher für das Bandtrocknungsverfahren zur Verfügung stellt. Auf der Kälteseite erzeugt WP 4 193 kW Kälteleistung für Kaltwasser mit +4°C. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage beträgt hier 3,7. Der hohe Temperaturhub von +4°C auf +90°C wird in der NT-Stufe der Kaskade durch einen CSH8573-110Y-40P sowie in der HT-Stufe durch einen CSH8583-125Y-40P Kompaktschraubenverdichter bewältigt.

Abgestimmtes Systemdesign mit präziser Leistungsregelung
„Neben den Verdichtern haben wir uns auch bei der Auswahl der weiteren Komponenten für die vier Wärmepumpen auf unseren Partner BITZER verlassen“, sagt Sascha Holder, Projektleiter bei Smardt OPK. So kommen in den Anlagen auch BITZER Rohrbündelverdampfer der PC-Serie sowie Rohrbündelverflüssiger der CRF Serie zum Einsatz. Da die Wärmepumpen im Klärwerk mit aufbereitetem Abwasser arbeiten, eignen sich Rohrbündelapparate hier besonders gut: Aufgrund der großen Strömungsquerschnitte sind sie schmutzunempfindlich, lassen sich bei Bedarf reinigen und sind außerdem robust bei thermischem Stress. In allen Kältemittelkreisläufen sorgen kreislaufinterne Wärmetauscher zudem für eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels. So gewährleisten sie das Ansaugen von sicher überhitztem Sauggas durch die Verdichter und erhöhen damit die Betriebssicherheit. Gleichzeitig wird die Systemleistung durch hohe Unterkühlung des Kältemittels erhöht.

Um einen energieeffizienten Anlagenbetrieb sicherzustellen, entschieden sich die Experten von Smardt OPK außerdem für die Ausstattung der Wärmepumpen mit BITZER VARIPACK Frequenzumrichtern. Diese sind exakt auf die Motorkennlinien der eingesetzten BITZER Kompaktschraubenverdichter abgestimmt. Das führt zu einem Anlagenbetrieb mit optimalen cos-φ-Werten, minimaler Verlustleistung sowie einer präzisen Leistungsanpassung der Verdichter an den jeweiligen Wärme- beziehungsweise Kältebedarf – sowohl in Voll- als auch in Teillast. Bei der Inbetriebnahme der drei Kaskadenwärmepumpen im Klärwerk erleichterten die Frequenzumrichter zudem das Lastmanagement im Anfahrbetrieb: Die Frequenzumrichter starten die Verdichter mit einem geringen Anlaufstrom (Softstartfunktion), sodass höhere Anlaufströme wie beim Stern-Dreieck-Start vermieden werden.

„Wir haben uns gemeinsam mit unserem Kunden Smardt OPK bei diesem speziellen Einsatz für das SE-i1 Verdichterschutzgerät entschieden. Dieses überwacht alle wesentlichen Betriebsparameter der Schraubenverdichter wie die Druckgas- und Öltemperatur sowie die PTC-Widerstände im Motor und ermöglicht den Zugang zum BITZER Digital Network (BDN)“, erklärt Benjamin Vornweg, Technischer Berater bei BITZER. Über die Online-Plattform myBITZER kann Smardt OPK so jederzeit die Betriebsdaten der Verdichter einsehen und auswerten und gegebenenfalls optimieren.

Klärwerk mit Vorbildcharakter
Mit dem zukunftsweisenden Anlagenkonzept und einem CO₂-Einsparpotenzial von 18.000 t pro Jahr mit der Faulschlammtrocknung geht das Klärwerk Erlangen mit gutem Beispiel voran in Richtung Dekarbonisierung der Abwasserwirtschaft. Dank gleichzeitiger Nutzung von Hochtemperaturwärmepumpen für die Kalt- und Heizwassererzeugung können hohe Jahresarbeitszahlen erzielt und so effiziente sowie umweltfreundliche Industrieanlagen realisiert werden. „Wir freuen uns, dass wir zusammen mit BITZER und dem Anlagenbauer Grötsch Energietechnik das Ingenieurbüro und den Betreiber mit unseren Produkten und Leistungen überzeugen konnten“, sagt Uwe Lotzmann.

Weitere Informationen zu den beteiligten Unternehmen

• Smardt OPK Chillers Website besuchen
• Grötsch Energietechnik Website besuchen
• Ingenieurbüro Miller Website besuchen