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Fernwärmeleitung: Brückenquerung erfolgreich

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Auf ihrem Weg von der geothermischen Heizzentrale zum Energiebunker muss die Fernwärmeleitung den rund 30 Meter breiten Vering-Kanal queren. Sie nimmt dabei den Weg entlang Fußgängerbrücke. Dieser entscheidende Bauabschnitt ist nun ebenfalls geschafft.

Dass die Wahl auf die Brücke fiel, war dabei keineswegs ausgemacht. Für die Querung eines Kanals gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten: ein sogenannter Düker, das heißt eine Unterbohrung tief unter der Kanalsohle, eine eigene Rohrbrücke über den Kanal oder eben die Mitnutzung eines bestehenden Brückenbauwerks. „Ganz ohne Herausforderungen ist die Brückenlösung allerdings nicht, da der bestehende Brückenkörper nicht beeinträchtigt werden darf“, erklärt Projektleiter Manfred Fink von den Hamburger Energiewerken.

Ein wassergefülltes, gedämmtes Fernwärmerohr bringt pro Meter rund 200 Kilogramm Belastung. Eine Brücke ist ein lebendiges Bauwerk: Sie schwingt unter dem Verkehr, sie dehnt sich im Sommer aus und zieht sich im Winter zusammen. Und die Fernwärmeleitung tut es ihr gleich – nur nach ihrem eigenen Rhythmus. Fließt später bis zu 85 Grad heißes Wasser durch die Stahlrohre, dehnen diese sich deutlich aus- So kommen  über die Länge der Querung einige Zentimeter zusammen. Damit dabei nichts unter Spannung gerät, wird die Leitung nicht einfach starr festgeschraubt. Das Prinzip: Die Rohrleitungen gleiten auf den dafür vorgesehenen Stützen, sind aber seitlich gehaltert, damit sie nicht herunterfallen. So können Brücke und Leitung sich unabhängig voneinander bewegen, ohne sich gegenseitig zu beschädigen.

Anders als in der Erde ist die Leitung hier zudem Wind und Wetter ausgesetzt. Die Dämmung erhält deshalb einen zusätzlichen witterungsfesten Mantel aus Aluminium, der die Wärme im Rohr und Regen, Frost und UV-Strahlung draußen hält.

Stück für Stück ans Ziel

Mittlerweile liegen die Rohre sicher an ihrem Platz. Mit der Querung des Veringkanals schließt sichdie letzte Lücke auf der zirka 1,4 Kilometer langen Weg der Leitung von der geothermischen Heizzentrale zum Energiebunker. Dieser Leitungsabschnitt bedeutet: Die Wärme aus der Tiefe kommt den Wilhelmsburger Haushalten wieder ein Stück näher.

Thermalwasserpumpe in den Niederlanden getestet – Probelauf erfolgreich

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Das Herz des IW³-Geothermie-Projekts schlägt in der Tiefe: Etwa 450 Meter unter Wilhelmsburg wird künftig ein spezialisiertes Pumpensystem das etwa 48 Grad Celsius warme Thermalwasser, das aus einer tiefer liegenden Sandsteinschicht aufsteigt, an die Oberfläche befördern. Im Vorfeld der Installation in Hamburg wurde die Pumpe nun unter realistischen Bedingungen getestet. Das IW³-Team reiste dafür zum Halliburton-Standort ins niederländische Emmen.

Die Thermalwasserpumpe, die im Bohrloch zum Einsatz kommt, ist eine elektrisch angetriebene Tauchkreiselpumpe – Electric Submersible Pump (ESP) genannt. Die robuste Konstruktion ist nicht nur aus hitzebeständigen Materialien gebaut, um einzelne Komponenten und den Motor zu schützen, sie verfügt außerdem über eine digitale Sensorik und Remote-Monitoring, um einen möglichst reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Sie ist insgesamt etwa 20 Meter lang und hat einen Durchmesser von 18 Zentimetern. Sie wird vor Ort zusammengebaut, per Kran in das Bohrloch eingesetzt und schrittweise nach unten abgelassen. Im Betrieb muss sie eine kontinuierliche Förderrate von etwa 135–140 Kubikmetern pro Stunde aufrechterhalten.

Alle Tests erfolgreich absolviert

In Emmen führte das Team umfassende Versuche durch: Hydraulische Tests untersuchten die Förderrate und Druckverhalten unter verschiedenen Betriebspunkten. Thermische Tests kontrollierten das Temperaturverhalten und Wärmeverhalten in kritischen Komponenten. Bei Monitoring-Tests wurde die digitale Sensorik und Remote-Überwachung überprüft. Außerdem wurden die Sicherheits- und Notfall-Funktionen umfassend getestet. Die Pumpe zeigte in allen Bereichen eine stabile Leistung, zuverlässige Datenerfassung und sichere Betriebseigenschaften.

Diese Gründlichkeit kommt nicht von ungefähr: Besonderer Wert wird auf robuste Technik gelegt, die Motor, Antrieb und Pumpenkomponenten jahrelang störungsfrei funktionieren lässt, da sie für größere Instandsetzungsarbeiten aus der Tiefe geborgen werden muss.

Herausforderung Entsandung frühzeitig bedacht

Das Thermalwasser wird aus einer feinsandigen Sandsteinschicht gefördert. Das bedeutet, dass mit dem Wasser auch kleinste Sandpartikel an die Oberfläche gelangen – ein bekanntes Problem in der Geothermie, das aber bei sorgfältiger Planung zu beherrschen ist.

Genau hier zeigt sich die Vorausschau der IW³-Planer: Sie haben nicht nur die Pumpe selbst mit einem Hochfluss-Einlassdesign geplant, das feine Sande wirksam vom Motor fernhält. Zusätzlich ist über Tage eine mehrstufige Filteranlage vorgesehen, die die Wasserqualität sicherstellt, bevor das Wasser in den Kreislauf der Wärmepumpe gelangt. Diese Kombination aus hochwertiger Pumpentechnik und durchdachter Filterung ist entscheidend für die Betriebssicherheit.

Auf in die nächste Phase

Mit dem erfolgreichen Probelauf in Emmen werden die nächsten Schritte eingeleitet: Die Pumpe wird für den Transport vorbereitet und voraussichtlich Ende August/Anfang September nach Hamburg geliefert. Zeitgleich kommt ein Container mit Anlagentechnik an – darin sind Frequenzumrichter und Steuerungselektronik untergebracht, die mit der Leitwarte verbunden werden. Der Container wird neben der Bohrung aufgestellt. Anschließend wird die Pumpe in der Förderbohrung installiert.

Bei der Installation in rund 450 Metern Tiefe kommt der Anlage ein natürlicher Effekt zugute: Das Thermalwasser lagert zwar in rund 1.300 Metern Tiefe, doch der natürliche Lagerstättendruck im Reservoir drückt es im Bohrloch von selbst bis auf etwa 50 Meter unter Geländeniveau nach oben. Die Pumpe muss das Wasser also nicht aus der vollen Tiefe fördern, sondern nur noch das letzte Stück an die Oberfläche bringen – das hält den Stromverbrauch der Anlage gering und verbessert ihre Energiebilanz deutlich.

Die Wärmepumpenanlage wird aufgebaut

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In den letzten Wochen rollten insgesamt 14 Schwertransporter zwischen Sachsen und der Elbinsel: Die in Netzschkau gefertigte und zuvor dort getestete Wärmepumpenanlage wurde in mehreren Ladungen nach Wilhelmsburg gebracht und dort montiert. Jetzt steht die Wärmepumpenanlage am Schlengendeich.

Eine Anlage dieser Größenordnung zu bewegen, ist kein Selbstläufer: Allein die einzelnen Komponenten bringen bis zu sechs Tonnen auf die Waage. Damit schwere Bauteile nicht verrutschen und empfindliche Messtechnik beschädigt wird, müssen sie besonders vorsichtig und aufrecht transportiert werden.

Vor Ort wurden die in Netschkau vorgefertigten Module von einem Montageteam mittels Hallenkran, Schwerlastrollen, Kettenzügen und Hubbühnen exakt auf die geplante Position auf die vorbereiteten Fundamenten im neuen Heizwerk gebracht – eine Millimeterarbeit, die eng zwischen Spediteur, Kranfirma, Bau- und Montageleitung abgestimmt werden musste. Das gelang nur mit echtem Teamwork vor Ort.

Die Wärmepumpenanlage löst eine wesentliche Herausforderung des Geothermie-Projekts: Großwärmepumpen für ein Wärmenetz müssen exakt auf das Temperaturniveau des jeweiligen Netzes ausgelegt werden – in Wilhelmsburg auf die geforderten 75 bis 85 Grad Vorlauftemperatur. Genau hier zahlte sich die vierstufige, kaskadierte Bauweise aus: Statt das rund 48 Grad warme Thermalwasser in einem großen Sprung auf Fernwärmetemperatur zu bringen, übernehmen vier Verdichterstufen jeweils einen kleineren Temperaturschritt – mit einem COP  (Leistungszahl: COP = coefficient of performance) für die Wärmepumpenanlage von bis zu 4,5 nach Herstellerangaben (W48/W75), also bis zu 4,5 Kilowattstunden Wärme aus einer Kilowattstunde Strom.

Dieses Prinzip hat sich bei Wärmepumpen dieser Größe durchgesetzt, weil es zwei Vorteile vereint. Zum einen lässt sich die Heizleistung so flexibler an den tatsächlichen Bedarf anpassen, statt nur zwischen „an“ und „aus“ zu schalten. Zum anderen erhöht sich die Versorgungssicherheit: Sollte eine Stufe oder eine der beiden Linien ausfallen oder zur Wartung stillstehen, übernehmen die übrigen Komponenten weiter die Wärmeerzeugung – das Heizwerk bleibt also auch dann betriebsbereit, wenn nicht jedes Bauteil zu hundert Prozent läuft. Für die Montage ist es herausfordernd, auch weil alle vier Verdichter unterschiedliche Größen haben.

Die Wärmepumpenanlage wurde in vielen Anlagenteilen aus hochwertigem Edelstahl gebaut, so dass wir ein natürliches Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial von Null verwenden können und werden.

Mit der Montage der Anlage ist ein weiterer Meilenstein des Geothermie-Projekts geglückt. Es folgen die MEK (Mechanische Endkontrolle) und die Inbetriebnahme  Hier müssen aber einige andere Gewerke vorher fertig werden; beispielsweise  Mittel- und Niederspannung, der Heizkreis, und das Thermalwassersystem. Dazu bald mehr!

Schwere Technik, leichtes Prinzip: Die Pufferspeicher sind aufgestellt

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Am 10. Juni war es so weit: Die Pufferspeicher wurden am Schlengendeich angeliefert. Die drei Stahlbehälter sind die schwersten Einzelbauteile des gesamten Geothermie-Heizwerks. Jeder von ihnen wiegt mehr als zwölf Tonnen und übernimmt im künftigen Betrieb eine zentrale Aufgabe. Mit drei Metern Durchmesser fasst jeder der rund zehn Meter hohen Speicher 50.000 Liter Heizwasser.

Zwei Kräne hoben die Behälter vom Tieflader und setzten sie präzise auf den vorbereiteten Betonsockeln ab – ein Manöver, das bei diesem Gewicht höchste Konzentration erfordert. Zunächst hoben beide Kräne den Speicher leicht an, jeder trug die Hälfte des Gewichts. Anschließend richtete der eine Kran den Speicher auf, der andere führte nach. Danach hing der Speicher nur noch an einem Kran, der ihn exakt über den Anschlusspunkten für die Rohrleitungen in Position brachte.

Das Prinzip: einfacher als der Name klingt

Ein Pufferspeicher funktioniert im Grunde wie eine Thermoskanne: Produziert die Geothermieanlage gerade mehr Wärme, als die Haushalte in Wilhelmsburg im selben Moment verbrauchen, wird der Überschuss zwischengespeichert. Steigt der Bedarf über die aktuelle Erzeugung – etwa an einem kalten Morgen –, fließt die gespeicherte Wärme ins Netz. So bleibt die Versorgung stabil, ohne dass die Anlage ständig nachgeregelt werden muss.

Drei Behälter, klare Aufgabenteilung

Die drei Behälter übernehmen dabei unterschiedliche Rollen: Zwei speichern Wärme und gleichen kurzfristige Schwankungen im Wärmebedarf aus. Der dritte hält den Druck im Leitungssystem konstant – denn Wasser dehnt sich beim Erwärmen aus und zieht sich beim Abkühlen zusammen. Dieser Speicher nimmt die Volumenveränderungen auf und verhindert so unnötige Wasserverluste.

Zusammen kommen die Wärmespeicher auf eine Kapazität von 3.500 kWh. Sie sind gewissermaßen die kleinen Geschwister des großen Pufferspeichers im Energiebunker: Während der 2.000.000-Liter-Speicher dort die wöchentlichen Schwankungen abfedert, reagieren die drei Behälter am Schlengendeich auf das Auf und Ab innerhalb eines Tages.

Gleich zwei Meilensteine in Wilhelmsburg: Energiebunker  Geothermie-ready, Wärmepumpe besteht Factory Acceptance Test

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Das Geothermieprojekt IW³ nimmt Fahrt auf. Gleich zwei technische Meilensteine markieren den Fortschritt auf dem Weg zur klimaneutralen Wärmeversorgung in Wilhelmsburg.

Energiebunker: Der große Speicher ist bereit

Den größten Platz im Energiebunker nimmt der Wärmespeicher ein – ein Großpufferspeicher mit 2.000 Kubikmetern Fassungsvermögen. Als der ehemalige Flakbunker im Rahmen der IBA zu einem Ökokraftwerk umgebaut wurde, war eine Kombination mit Geothermie technisch noch nicht vorgesehen. Nun wurde er fit für die Zukunft gemacht: Pumpen, Rohrleitungen, Ventile sowie Steuerungs- und Regeltechnik werden angepasst – alles im laufenden Betrieb.

Der Kern dieser Ertüchtigung hat sich jetzt im Testbetrieb bewährt: Der Speicher wurde erstmals mit einer Leistung von rund 3 MW erfolgreich beladen und hat damit seine zentrale Funktion für den künftigen Geothermie-Betrieb unter Beweis gestellt. Da die Geothermieanlage noch nicht in Betrieb ist, kam die Wärme für den Test aus den bestehenden Wärmequellen wie dem Biomethan-Blockheizkraftwerk und den Kesselanlagen. Das Ergebnis war eindeutig: Der Speicher ist technisch geothermie-ready.

Projektleiter Thomas Havran zieht ein positives Fazit: „Ich freue mich, dass wir mit relativ geringem Aufwand einen so großen Nutzen für den zukünftigen Geothermie-Betrieb erreichen konnten.“ Die verbleibenden Umbauarbeiten werden in den kommenden Sommermonaten schrittweise abgeschlossen. Dann kann der Speicher Wärme aus der Geothermieanlage flexibel aufnehmen und bedarfsgerecht ins Wärmenetz einspeisen.

Wärmepumpe besteht Factory Acceptance Test in Netzschkau

Ebenfalls abgehakt: Der Factory Acceptance Test der maßgeschneiderten Wärmepumpenanlage beim Hersteller WESKA Kälteanlagen GmbH im sächsischen Netzschkau. Das Unternehmen ist ein Spezialist für die Planung, Montage und Wartung von Kälteanlagen und Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln – und hat für das IW³-Projekt eine technologisch besonders anspruchsvolle Anlage gebaut.

Projektleiter Frank Boehnke reiste für den Prüftermin nach Netzschkau. Ein Factory Acceptance Test dieser Dimension ist kein klassischer Werksprobelauf: Bei einer Anlage mit rund 8 MW Wärmeleistung wird Vollständigkeit und Qualität der Anlage systematisch geprüft: Alle Komponenten – Rohrleitungen, Verdichter, Schaltschränke – wurden also gegen die technischen Unterlagen und Typenschilder abgeglichen, Materialien und Verarbeitung begutachtet, die Elektropläne geprüft. Die Konstrukteure erläuterten Aufbau und Wirkweise der Anlage und die Bedienung wurde direkt am Objekt simuliert. Eine volle Betriebssituation wurde im Werk nicht eins zu eins nachgestellt, da weder die elektrische Antriebsleistung noch die Wärmeabnahme, also ein Anschluss an ein Fernwärmenetz, dort in dieser Größenordnung verfügbar sind.

Die Anlage ist technologisch bemerkenswert: Zwei vierstufige Wärmepumpen heben die geothermische Wärme von rund 48 Grad Celsius in einem kaskadierten Verdichtungsprozess auf das Temperaturniveau der Fernwärme von 75 bis 85 Grad Celsius. Mit einer Gesamtleistung von rund 8 MW und einem COP-Wert von bis zu 4,5 arbeitet die Anlage hocheffizient – und das mit einem natürlichen Kältemittel.

Frank Boehnke bringt es auf den Punkt: „Die Anlage ist vollständig und bereit für die Auslieferung. Die Konstrukteure und Monteure von WESKA sind zurecht stolz auf ihr Werk.“

Nach bestandenem Test wird die Anlage in den nächsten Wochen in Module zerlegt, angeliefert und im neuen Heizwerk am Schlengendeich installiert. Mehr dazu bald hier in den Updates!

Konsortialtreffen IW3: vom Labor zur Realisierung

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Am Freitag, 18.10.2024 fand das diesjährige Konsortialtreffen aller beteiligten Projektpartner des IW3 Projekts statt. Mit dabei waren rund 30 Vertreterinnen und Vertreter der Hamburger Energiewerke, der Hamburg Energie Geothermie (HEGeo) GmbH, von CONSULAQUA, des Hamburg Institut Research gGmbH (HIR), der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die sich gegenseitig auf den aktuellen Stand ihrer Aktivitäten rund um das Reallabor brachten. Auch unsere technischen und kaufmännischen Ansprechpartner vom Projektträger Jülich, der das vom BMWK geförderte Projekt begleiten, hatten sich auf den Weg nach Hamburg gemacht und sich über den Projektfortschritt zu informieren.

Thomas Tim Sävecke, Prokurist der Hamburg Energie Geothermie GmbH brachte es auf den Punkt: „IW3 ist ein echtes Leuchtturm-Projekt. Wir alle können stolz darauf sein, gemeinsam an einem Reallabor zu arbeiten, das sich aktuell schon in der finalen Phase der Realisierung befindet und eine neue Perspektive für dezentrale Wärmeversorgungen in Norddeutschland aufzeigt“.

Immer wieder ging es während der Vorträge um die Übertragbarkeit auf andere Projekte. Projektleiter Frank Boehnke machte deutlich: „Im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit stellt sich die Änderung auf mitteltiefe Geothermie in Kombination mit einer effizienten Wärmepumpe als ein großer Vorteil dar.“ Ähnliche geologische Gegebenheiten finden sich in Deutschland vielfach, daher könne die aus dem Projekt gewonnene Erfahrung in Folgeprojekte übertragen werden. Sein Kollege Thomas Havran von den Hamburger Energiewerken legte dar, wie das Geothermie-Projekt künftig in das bestehende Wärmenetz rund um den Wilhelmsburger Energiebunker integriert werden könne.  Dazu bald mehr hier auf unserem Projektblog.