Wie funktionieren Großwärmepumpen?
Das Funktionsprinzip einer Großwärmepumpe ähnelt dem einer Haushalts-Wärmepumpe und basiert auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, der dem eines Kühlschranks ähnelt – nur mit umgekehrter Zielrichtung. Während ein Kühlschrank dem Innenraum Wärme entzieht und nach außen abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme und gibt sie gezielt an ein Heizsystem ab.
Zunächst nimmt ein flüssiges Kältemittel im sogenannten Verdampfer Wärme aus einer externen Quelle auf. Diese Quelle kann Fluss- oder Seewasser, Abwasser aus Kläranlagen, industrielle Abwärme oder das Erdreich sein. Obwohl diese Medien oft nur Temperaturen zwischen fünf und zwanzig Grad Celsius aufweisen, enthalten sie enorme Mengen an thermischer Energie. Durch die aufgenommene Wärme verdampft das Kältemittel und geht in einen gasförmigen Zustand über.
Anschließend wird dieses Gas in einem leistungsstarken Verdichter komprimiert. Durch die Druckerhöhung steigt gleichzeitig die Temperatur stark an – häufig auf Werte zwischen 70 und 120 Grad Celsius oder sogar darüber. An dieser Stelle wird elektrische Energie eingesetzt, um das Temperaturniveau anzuheben.
Im nächsten Schritt strömt das heiße Kältemittel in den Verflüssiger. Dort gibt es seine Wärme an das Wasser des Fernwärmenetzes oder an industrielle Prozesse ab. Während dieser Wärmeübertragung kondensiert das Kältemittel wieder zu einer Flüssigkeit. Die gewonnene Wärme kann nun direkt für Raumheizung, Warmwasser oder Produktionsprozesse genutzt werden.
Über ein Expansionsventil wird der Druck anschließend wieder abgesenkt, das Kältemittel kühlt ab und fließt zurück in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem und läuft kontinuierlich – oft rund um die Uhr.
Funktionsweise einer Flusswasserwärmepumpe im Speziellen
Das Grundprinzip einer Wärmepumpe haben wir bereits beschrieben. Bei einer Flusswasser-Großwärmepumpe wird die Umweltwärme direkt dem Fluss entnommen.
Zunächst wird über Einlaufbauwerke Flusswasser entnommen und durch Wärmetauscher geleitet. Das Wasser kommt dabei nicht mit dem Kältemittel der Wärmepumpe in Berührung – die Wärmeübertragung erfolgt ausschließlich indirekt über Metallflächen.
Anschließend wird das nur geringfügig abgekühlte Wasser wieder in den Fluss zurückgeführt. Die im Wärmetauscher aufgenommene Energie lässt das Kältemittel in der Anlage verdampfen.
Das entstehende Gas wird anschließend in leistungsstarken Verdichtern komprimiert, wodurch Druck und Temperatur stark ansteigen. So entstehen Vorlauftemperaturen, die für Fernwärmenetze geeignet sind – häufig zwischen 80 und 120 °C.
Im nächsten Schritt gibt das erhitzte Kältemittel seine Energie an das Fernwärmewasser ab und kondensiert wieder zu Flüssigkeit. Über ein Expansionsventil entspannt sich das Kältemittel erneut, kühlt ab und beginnt den Kreislauf von vorn.
Der große Vorteil dieses Systems liegt in seiner Effizienz. Aus einer Kilowattstunde Strom entstehen mehrere Kilowattstunden nutzbare Wärme. In Verbindung mit zunehmend erneuerbarem Strom senken wir so die CO₂-Emissionen der Wärmeversorgung.
Unser Projekt: Eine Flusswasser-Großwärmepumpe für Düsseldorf
Im Rahmen unserer Arbeit an neuen Formen der Energiegewinnung planen wir von den Stadtwerken Düsseldorf – unter Einhaltung der Anforderungen gemäß der Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) – den Bau einer Flusswasser-Großwärmepumpe am Standort unseres Kraftwerks Lausward. Dieser Standort bietet einen wesentlichen Vorteil: Die bestehende Infrastruktur zur Entnahme und Rückführung von Flusswasser ist bereits vorhanden und könnte die technische Umsetzung einer Flusswasser-Wärmepumpe maßgeblich erleichtern.
Eine erste Machbarkeitsstudie zur Nutzung des Rheins als Wärmequelle haben wir bereits durchgeführt. Ziel dieser Untersuchung war es zu prüfen, inwieweit der Einsatz von Großwärmepumpen technisch realisierbar und wirtschaftlich sinnvoll ist. Dabei wurden die nutzbaren Wärmepotenziale aus dem Rheinwasser bewertet, insbesondere im Hinblick auf die Einspeisung in das Fernwärmenetz.
Der Beitrag der Flusswasserwärmepumpe zum Wärmeplan der Stadt Düsseldorf
Mit der Flusswasserwärmepumpe am Rhein schaffen wir einen zentralen Baustein für eine CO2-arme Wärmeversorgung unserer Stadt. Sie ergänzt weitere Maßnahmen wie die Abwärmenutzung oder die geplante Geothermie. Gemeinsam formen diese Technologien ein zukunftsfähiges Energiesystem für Düsseldorf.
Unser Anspruch ist klar: Wir wollen die Wärmeversorgung sicher, bezahlbar und gleichzeitig klimafreundlich gestalten. Die Flusswasser-Großwärmepumpe steht dabei sinnbildlich für den Wandel – weg von fossilen Brennstoffen, hin zu intelligent genutzter Umweltenergie direkt vor unserer Haustür.
Der Einsatz einer Flusswasser-Großwärmepumpe leistet einen wichtigen Beitrag zur Wärmewende: Die durch sie erzeugte Fernwärme senkt die CO₂-Emissionen in Düsseldorf pro Jahr deutlich.
Ein weiterer großer Vorteil einer Flusswasser-Großwärmpumpe ist die Nutzung des Kraftwerksstandortes an der Lausward. Duch die Nutzung bestehender Infrastruktur und Netzanbindung kann eine kostengünstige, reibungslose Einbindung ins Fernwärmenetz der Innenstadt erfolgen und unsere Wärme mit geringstmöglichem Aufwand dekarbonisiert werden.
Häufige Fragen zu Großwärmepumpen
Der große Vorteil dieses Systems liegt in seiner außergewöhnlichen Effizienz. Da die Wärmepumpe vorhandene Energie lediglich bündelt statt sie neu zu erzeugen, entstehen aus einer Kilowattstunde Strom häufig drei bis sechs Kilowattstunden nutzbare Wärme. Diese Effizienz wird durch den sogenannten COP-Wert beschrieben, der bei Großwärmepumpen deutlich höher liegt als bei den meisten anderen Heiztechnologien.
Eine Flusswasser-Großwärmepumpe kann einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung unserer Fernwärme leisten. Für den geplanten Ausbau der Fernwärme brauchen wir Lösungen für eine CO2-arme Erzeugung der Wärme, neben anderen Möglichkeiten wie die Nutzung von Abwärme und grünen Gasen ist die Elektrifizierung ein zentraler Treiber der Dekarbonisierung unserer Wärmeerzeugung.
Der Schutz des Gewässers ist uns besonders wichtig. Die Auslegung der Anlage erfolgt so, dass nur minimale Temperaturveränderungen im Rhein auftreten und alle ökologischen Vorgaben eingehalten werden. Moderne Filtersysteme, kontrollierte Entnahme und Rückführung sowie enge Abstimmung mit Umweltbehörden sorgen dafür, dass Flora und Fauna nicht beeinträchtigt werden. Genehmigungen berücksichtigen dabei streng ökologische Grenzwerte, etwa zum Schutz von Fischbeständen und Gewässerökologie.
Ja, denn auch kaltes Flusswasser (4–8 °C) enthält ausreichend thermische Energie. Durch leistungsstarke Verdichter erreichen Großwärmepumpen selbst im Winter hohe Wirkungsgrade und liefern zuverlässig Heizwärme.
Die Großwärmepumpe soll eine Gesamtleistung von bis zu 120 Megawatt thermisch erreichen. Dies reicht aus, um den Wärmebedarf von bis zu 40.000 Haushalten zu decken und verdeutlicht die Dimension des Projekts. Damit wird ein relevanter Anteil der Düsseldorfer Fernwärme künftig aus einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt.
Finanziert durch die Europäischen Union – NextGenerationEU.
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