Ein Kreuzfahrtterminal am äußeren Hafen von Kopenhagen bezieht seine Heizwärme und sein Warmwasser aus einer Wärmepumpe wenige Kaianlagen entfernt. Diese Anlage trägt den Namen FlexHeat: eine zweistufige Ammoniak-Wärmepumpe mit 800 Kilowatt Leistung, die der kommunale Versorger HOFOR 2018 im Kopenhagener Stadtteil Nordhavn errichtet hat. Sie speist ein lokales Fernwärmenetz, das nach einer Zählung vier Kreuzfahrtterminals und ein großes Lagerhaus in der Nähe beheizt.
Ammoniak ist das Kältemittel, das die eigentliche Arbeit in der Maschine übernimmt: Es trägt die Wärme aus kaltem Wasser auf eine Temperatur, die Fernwärmeleitungen nutzen können. Wärme aus dem Untergrund zu nutzen ist nicht auf Kopenhagen beschränkt: Ein niederländischer Paprikaproduzent bohrte nach Geothermie, um kein Gas mehr zu verbrennen, im Maßstab eines Gewächshauses statt eines Hafens. Laut einer Fallstudie des Heat-Pumping-Technologies-Programms der Internationalen Energieagentur wurde FlexHeat als Demonstrationsanlage im Rahmen von EnergyLab Nordhavn gebaut, einem Forschungsprojekt, das diesen neu errichteten Hafenstadtteil als Testfeld für integrierte Energiesysteme nutzte.
Nordhavn selbst ist ein ehemaliges Industriehafengebiet, das Kopenhagen seit rund zehn Jahren zu Wohnungen, Büros und Kreuzfahrtterminals umbaut, genau jenen Terminals, die FlexHeat heute beheizt. Deshalb entschieden sich die Stadt und HOFOR, in diesem Stadtteil eine Wärmepumpe zu erproben, die mehr als eine Aufgabe zugleich erfüllen sollte.
Grundwasser wird zu Wärme für ein Kreuzfahrtterminal
Die Wärme beginnt im Untergrund. HOFOR fördert brackiges Grundwasser aus einem rund 150 Meter tiefen Brunnen unter Nordhavn, das mit knapp 10,5 Grad Celsius an die Oberfläche kommt. Dieses Wasser durchläuft einen Wärmetauscher mit Ammoniak als Kältemittel, und zwei Verdichtungsstufen heben die Temperatur so weit an, dass sie das Fernwärmenetz speisen kann. Zwei Elektrokessel mit je 100 Kilowatt und ein 100 Kubikmeter fassender Warmwasserspeicher unterstützen die Wärmepumpe, und HOFOR behandelt diesen Speicher als eine Art thermische Batterie, die rund 4 Megawattstunden Wärme vorhält, auf die die Anlage zurückgreifen kann, statt die Kessel zu zünden.
Dieser Speicher macht aus FlexHeat eine flexible statt eine einfache Heizanlage. Statt mit fester Leistung zu laufen, kann die Anlage wählen, wann sie Strom aus dem Netz bezieht und wann sie auf gespeicherte Wärme zurückgreift, eine Entscheidung, die wichtig wird, sobald von einer Wärmepumpe mehr verlangt wird, als Gebäude nur auf Temperatur zu halten. Das dänische Stromnetz stützt sich stark auf Windkraft, wodurch das Angebot eher mit dem Wetter schwankt als mit der Nachfrage. Eine Pumpe, die binnen Sekunden pausieren oder hochfahren kann, gibt dem Netzbetreiber ein Werkzeug an die Hand, das ein Kessel mit fester Leistung nicht bieten kann.
Wie die Pumpe lernte, dem Netz in 90 Sekunden zu antworten
Im Dezember 2019 brachten die Ingenieure von HOFOR diese Flexibilität auf eine klare Zahl. Die Reaktionszeit der Wärmepumpe auf ein Netzsignal sank von rund vier Minuten auf 90 Sekunden, deutlich unter dem Schwellenwert von 150 Sekunden, den der dänische Netzbetreiber Energinet für Anbieter schneller Frequenzreserve vorgibt, berichtet das dänische Medium CT Watch über das Projekt. Tore Gad Kjeld, Energieplaner bei HOFOR für dieses Projekt, sagte, die Anlage reagiere noch schneller, als das Netz es tatsächlich verlangt.
Die Pumpe arbeitet auch effizient, sobald sie läuft: Bei Vorlauf- und Rücklauftemperaturen von 80 und 45 Grad Celsius erreicht ihre Leistungszahl 3,28, sie liefert also mehr als drei Einheiten Wärme für jede verbrauchte Einheit Strom. HOFOR hat diese Effizienz mit einer algorithmusgestützten Betriebsplanung verbunden, die die Kosten der Wärmeerzeugung bereits um rund 6 Prozent gesenkt hat, mit weiteren 7 Prozent in Aussicht, sobald Energinet die Anlage formell für Netzdienstleistungen zulässt, macht zusammen rund 13 Prozent.
Was die Flexibilität wert ist, laut Danfoss
Danfoss lieferte Komponenten für das Projekt und hat eine eigene Fallstudie zu FlexHeat veröffentlicht. Laut Danfoss spart der Betrieb der Anlage mit Strom statt mit einem Flüssiggaskessel, der fossilen Alternative, mit der HOFOR sie verglichen hat, rund 315 Tonnen CO2 pro Jahr ein. Die Schätzung des Unternehmens steigt auf rund 430 Tonnen, sobald der von der Pumpe bezogene Strom vollständig aus erneuerbaren Quellen im dänischen Netz stammt, eine Schwelle, die die Anlage noch nicht erreicht hat, die aber mit dem Tempo Schritt hält, in dem Dänemark Wind- und Solarkapazitäten ausbaut.
Diese Einsparungen kommen zum eigentlichen Wechsel des Energieträgers hinzu: Eine Wärmepumpe, die mit Grundwasser und Netzstrom betrieben wird, ersetzt einen Kessel, der sonst Gas verbrannt hätte, um vier Kreuzfahrtterminals und ein Lagerhaus durch den dänischen Winter auf Temperatur zu halten.
Eine Demonstrationsanlage, die ihr eigenes Forschungsprojekt überdauert hat
FlexHeat entstand im Rahmen von EnergyLab Nordhavn, einem Konsortium aus zwölf Partnern unter Führung der Technischen Universität Dänemark (DTU), das von 2015 bis 2019 lief. Beteiligt waren unter anderem DTU, die Stadt Kopenhagen, HOFOR, Danfoss und acht weitere Organisationen, die erprobten, wie Strom, Wärme, effiziente Gebäude und Elektromobilität in einem einzigen Hafenstadtteil als ein System funktionieren können. Das Konsortium stellte seine Aktivitäten 2021 ein. Die Wärmepumpe, die daraus hervorging, läuft weiter: FlexHeat bleibt ein eigenes Anlagevermögen von HOFOR, fest in das Fernwärmenetz des Versorgers eingebunden, statt zusammen mit dem Projekt stillgelegt zu werden, das sie finanziert hat.
Dieser Unterschied zählt für das, was Nordhavn tatsächlich zeigt. FlexHeat ist kein Modell, das HOFOR auf ganz Kopenhagen übertragen hat, und eine 800-Kilowatt-Anlage, die vier Terminals beheizt, lässt sich nicht automatisch auf das übrige Fernwärmenetz einer Stadt übertragen. Was sie zeigt, wenige Kaianlagen von den Kreuzfahrtterminals entfernt, die sie Saison für Saison still beheizt, ist enger und konkreter: eine Wärmepumpe, gebaut, um dem Stromnetz so schnell zu antworten, wie dieses es verlangt, noch immer in Betrieb, Jahre nachdem das Forschungsprojekt, das sie hervorgebracht hat, seine Bücher geschlossen hat, in einem Hafenstadtteil, der um sie herum noch immer wächst.
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