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Abwärmenutzung eines Industriebetriebes

Das Freibad AquaMagis in Plettenberg mit einer Gesamtwasserfläche von 1.800 m² wurde von dem Generalplaner agn Paul Niederberghaus & Partner entwickelt. Aufgrund eines in der Nachbarschaft befindlichen Aluminiumwalzwerkes wurde dessen Abwärme unter Einbeziehung sämtlicher Förderungsmöglichkeiten zur optimalen energetischen Versorgungskonzept entwickelt und umgesetzt. Angesichts der finanziellen und ökologischen Vorteile sowie der Zusicherung eines ungestörten operativen Betriebes wurde eine Energie-Kooperation vereinbart, die eine Nutzung der überflüssigen Abwärme des Industriebetriebes mittels einer Gasmotor betriebenen Wärmepumpenanlage zur Beheizung des Freibades zusichert. Einer der wichtigsten Punkte des Energiekonzeptes besteht in der gegenseitigen Nicht-Verpflichtung zur Lieferung oder Abnahme der Abwärme. Das Aluminiumwerk ist also nicht zwingend auf eine Fremdkühlung seiner Anlagen angewiesen und auch das Freizeitbad wurde mit einer eigenständig arbeitenden, konventionellen Wärmeversorgung ausgerüstet, so dass die Unabhängigkeit beider Vertragspartner gewährleistet ist.

Haustechnik/Energiekonzept
In einem kontinuierlichen Volllastbetrieb erreicht der Energieverbund eine Gesamtleistung von 1,1 MW thermisch und 200 kW elektrisch. Das Energiekonzept sah vor, als Hauptenergieträger die Abwärme des Walzöls zu nutzen, das in der Vergangenheit von 55 °C auf 38 °C abgekühlt wurde. In der neuen energetische Abwärmenutzung hebt eine wärmegeführte gasmotorische Wärmepumpe die niedrige Abwärmetemperatur zur Beheizung des Freibades auf ein höheres Temperaturniveau. Das Walzöl heizt hierbei den Verdampfer innerhalb des Wärmepumpenkreislaufes auf und kühlt sich dabei gleichzeitig auf 25 °C ab. Die Leistung des Verdampfers beträgt 518 kW. Der Verflüssiger der Wärmepumpenanlage heizt mit einer Leistung von 700 kW das mit 45 °C vom Freizeitbad kommende Heizungsrücklaufwasser auf ca. 70 °C auf.

Da sich aufgrund der schwankenden Betriebszeit des Aluminiumwalzwerkes und der unterschiedlichen Betriebszeiten des Erlebnisbades ein gleichmäßiger Betrieb der Abwärmenutzung nicht realisieren ließ, musste eine energetisch vertretbare Alternativlösung gefunden werden. Als Systemfindung wurde eine Kombination aus einer Gasmotor-Wärmepumpe und einem elektrischen Generator entwickelt, wobei die Komponenten über eine gemeinsame Welle kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Aufgrund dieser Lösung kann die Anlage mechanisch den Vorgaben der Regelungstechnik stufenlos und ohne Abschaltungen folgen. Der Anlagenarbeitspunkt wird stetig angepasst, d.h. wenn das Abwärmeangebot oder der Wärmebedarf des Freizeitbades sinkt, wird auch die Leistung der Wärmepumpe reduziert. Als Folge steht dem elektrischen Generator ein höherer Anteil der mechanischen Leistung des Gasmotors zur Verfügung. Bei der Anlagenregelung hat jedoch stets die Wärmeproduktion die höchste Priorität. Zudem erlaubt diese Betriebsweise einen nahezu permanenten Betrieb des Generators unter Volllast und kann auch hinsichtlich des Wirkungsgrades in einem optimalen Bereich arbeiten. Für den Gasmotor wird so ein Leerlauf- oder Teillastbetrieb vermieden bzw. ein kompletter Abbruch des Wärmepumpen-Prozesses ausgeschlossen. Der erzeugte Strom wird in das Netz des Verteilungsnetzbetreibers eingespeist.

Um den Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage als Hauptwärmelieferant in Kombination mit der Motorabwärme des Gasmotors zu optimieren, musste die maximale Vorlauftemperatur der gesamten Heizungsanlage des Freizeitbades auf 75 °C ausgelegt werden. Die maximal sinnvolle Vorlauftemperatur der kompletten Anlage aus den Bereichen der Motorabwärme, der Wärmepumpe, der Abgaswärmeübertrager und der Ölkühler beträgt hierbei als austretende Mischtemperatur ca. 75 °C. Jede weitere Erhöhung über die maximal erforderliche Vorlauftemperatur würde eine deutliche Reduzierung des Wirkungsgrades der Anlage nach sich ziehen.

Das Zusammenspiel der industriellen Abwärmenutzung und der eigenproduzierten Wärme wird durch einen regelungstechnischen Automatisierungsverbund der verschiedenen Anlagen realisiert. Die Steuerung des Gasmotors und des Verdichters wurde mittels der so genannten SPS-Technologie umgesetzt, die eine direkte Nutzung der wichtigsten Parameter der Ölwirtschaft innerhalb des Aluminiumwalzwerkes erlaubt. Die Gebäudeleittechnik des Freizeitbades erfolgt über eine LONWorks-Verkabelung, für die eine Glasfaserkabelverbindung mit der ca. 650 m entfernten Energiezentrale und einer SPS/LON-Schnittstelle errichtet wurde.

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