DFIC plant Energieversorgung für die Universität zu Köln auf Basis von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Geothermie

Kunde

Uni Köln

Hintergrund

In den Liegenschaften des Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Campus (MatNat) der Universität zu Köln (UzK) werden in den kommenden Jahren erhebliche Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen durchgeführt und insgesamt mehr als 100.000 m2 Bruttogeschossfläche zugebaut.

Vor dem Hintergrund der klimapolitischen Zielsetzungen der Landesregierung hat die UzK dazu von DFIC die Untersuchung einer zukunftsgerechten, klimaschonenden und wirtschaftlichen Energieversorgung für den MatNat Campus entwickeln lassen und im Juli 2017 DFIC (im Rahmen eines Konsortiums) mit der planerischen Umsetzung gemäß HOAI beauftragt. 

Die bereitzustellende Versorgungsleistung für die Liegenschaften im MatNat Campus liegt sowohl im Strom-, als auch im Kälte- und Wärmebereich im Megawatt-Bereich.

Ziele

Die energieintensiven chemischen und physikalischen Institute sollen zukünftig u.a. aus einer hocheffizienten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs (KWKK)-Energiezentrale mit Wärme, Kälte sowie der gesamte MatNat Campus mit Strom (Grundlast) versorgt werden. Dies soll eine signifikante Verbesserung der Wirtschaftlichkeit sowie Klimafreundlichkeit der zukünftigen Energieversorgung im MatNat Campus gewährleisten.

Für den geplanten Neubau der Geologie ist das Ziel des, eine wirtschaftliche und klimaschonende, weitestgehend auf erneuerbaren Energien basierenden Wärme- und Kälteversorgung umzusetzen. Das zukünftige Versorgungssystem muss dabei Kälte- und Wärmebedarfe mit jeweils mehr als 500 kWth Leistung bedienen.

Die Planungsleistungen sind gem. HOAI zu erbringen (Leistungsphasen 1-9).

Ergebnisse

TP 1 – Energiezentrale MatNat in KWKK mit über 90% Gesamteffizienz

Die zukünftige Energiezentrale MatNat wird im Kern aus zwei baugleichen, hocheffizienten BHKWs mit insgesamt 3 MW elektrischer sowie thermischer Leistung bestehen. Die Anlage ist als KWKK-Anlage geplant, d.h. die Abwärme der BHKWs wird sowohl zu Heiz- als auch auch Kühlzwecken genutzt. Zur Versorgung der Kühlbedarfe sind zwei redundante, wärmebetriebene Absorptionskältemaschinen (AKMs) mit jeweils 1 MW Kälteleistung vorgesehen.

Eine Besonderheit in der Planung stellt die zeitlich auseinanderfallende Fertigstellung von Neubau- und Sanierungsmaßnahmen mit jeweils unterschiedlichen Anschlusszeitpunkten der Energieversorgung in den einzelnen Bauabschnitten der physikalischen bzw. chemischen Institute dar.

Nicht zuletzt sorgt die äußerst hohe Effizienz der Primärenergieausnutzung in KWKK mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent für eine erhebliche Kostensenkung der MatNat-Energieversorgung.

Der notwendige Erdgaseinsatz in den Gasmotoren der Energiezentrale wird CO2-neutral beschafft. Die so erzielbaren CO2-Einsparungen belaufen sich auf bis zu 14.000 Tonnen CO2 pro Jahr gegenüber einer auf Fernwärme und Stromnetzbezug (inkl. Strom zur Kälteerzeugung mittels Kompressionskältemaschinen) basierenden „Standard“-Energieversorgung.

TP2 – Oberflächennahe Geothermie mittels Hochleitungsenergiepfählen

Für den zukünftigen Neubau der Geologie im TP2 wird eine geothermische Energieversorgung geplant. Die oberflächennahe geothermische Energieversorgung basiert dabei auf zwei Kern-Technologien:

  • Hochleistungsenergiepfähle (HEP) sowie
  • Sole/ bzw. Wasser/Wasser Wärmepumpen (WP).

Diese beiden Kerntechnologien werden zu einem hocheffizienten Gesamtversorgungssystem zusammengeführt. 

HEP sind 28 m lange, zylinderförmige und mit Wasser befüllte Edelstahlbehälter mit 1,60 m Durchmesser, in welchen mittels Wärmetauscher das ganzjährig nahezu konstante Temperaturniveau im Erdreich zur Versorgung von Kälte- bzw. auch Wärmebedarfen genutzt wird. 

In Abhängigkeit von der geothermischen Entzugsleistung am Standort einerseits sowie der gebäudeseitigen Energiebedarfe andererseits wird das HEP-System zur Vollversorgung der zukünftigen Kälte- und Wärmebedarfe des Neubaus dimensioniert. 

HEP-System und Gleichzeitigkeit von Kälte und Wärmebedarfen steigern die Effizienz

Das ganzjährig nahezu konstante Temperaturniveaus von ca. 12°C in knapp 30 m Tiefe wird mittels spezieller Wärmepumpen dann auf die jeweils notwendigen Temperaturniveaus der unterschiedlichen Wärme- und Kälteverbraucher im Geologie-Neubau gebracht.

Temperaturniveaus und Funktionsschema Hochleistungsenergiepfahl (HEP)
Temperaturniveaus und Funktionsschema Hochleistungsenergiepfahl (HEP)

Durch die Vorwärmung (Heizfall) bzw. Vorkühlung (Kühlfall) des Volumenstroms innerhalb des HEP-System verringert sich der durch die Wärmepumpen zu leistende Temperaturhub erheblich und sorgt für eine höhere Effizienz der redundant ausgelegten Wärmepumpen. In Kombination mit einer hohen Gleichzeitigkeit, insbesondere durch ganzjährige Prozesskältebedarfe, wird die Effizienz (COP bzw. EER) des HEP-WP-Systems weiter verbessert. Der CO2 neutrale Strom zum Betrieb der Wärmepumpen stammt aus der parallel in Planung befindlichen KWKK-Energiezentrale MatNat (siehe oben TP1). 

Durch das HEP System kann zudem die gebäudeseitig zu installierende Rückkühlleistung verringert werden, da die HEP als Wärmesenke fungieren und zusätzlich auch als saisonale Speicher ausgelegt werden können.

Dabei wird auf Kompressionskältemaschinen und Fernwärmeübergabestationen verzichtet werden können. Die so erzielbaren CO2-Einsparungen belaufen sich auf bis zu 400 Tonnen CO2 pro Jahr gegenüber einer auf Fernwärme und Kompressionskältemaschinen basierenden „Standard“-Energieversorgung.

Individuelle Optimierung

Gerne unterstützen wir auch Sie bei der Optimierung Ihre Energieversorgungsprojekte und informieren Sie über innovative, wirtschaftliche und klimafreundliche Möglichkeiten der Wärme-, Kälte- oder Stromversorgung. Unsere diesbezüglichen Leistungen finden Sie unter Link.

Natürlich stehen wir Ihnen auch persönlich zur Verfügung, um unsere Leistungen spezifisch auf Ihre Bedarfe hin auszurichten.

Nehmen Sie dazu gerne Kontakt auf mit unseren Ansprechpartnern Energiewirtschaft:


Dr. Jörg-W. Fromme  Kontakt

Olaf Mecke  Kontakt

Christine Evennou  Kontakt

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