Effiziente Energiezentralen im CO2-neutralen ICE-Werk

Im Kölner Stadtteil Nippes entstand das erste klimaneutrale ICE-Instandhaltungswerk Deutschlands. Die Temperierung des 445 m langen und 50 m breiten Werkes erfolgt ausschließlich über Geothermie in Verbindung mit einer weitreichenden Betonkernaktivierung, wobei thermoaktive Bauteilsysteme von Uponor eingesetzt werden. Zent-Frenger Energy Solutions entwickelte eine ganzheitliche Systemlösung, die aus einer 4,9 MW Großwärmepumpen-Verbundanlage mit integrierter Hydraulik und der zugehörigen MSR-Technik besteht.

Das zukunftsweisende Energiekonzept des Werkes basiert vorrangig auf der Nutzung des konstant 12,5 °C warmen Grundwassers zur nachhaltigen Beheizung und Kühlung aller Werksteile. Dabei dienen zehn eigens für diesen Zweck erschlossene Brunnen als Wärmequelle und -senke für insgesamt vier "Geozent Profi"-Energiezentralen.

Die Trinkwassererwärmung übernimmt eine 180 m² große Solarthermieanlage auf dem Hallendach mit bis zu 100 kW Gesamtleistung. Bei Bedarf unterstützen drei der Energiezentralen über eine Heißgasauskopplung, mit der im Parallelbetrieb ebenfalls hohe Vorlauftemperaturen zur Erwärmung des Trinkwassers bereitgestellt werden können.

Die vierte Energiezentrale verantwortet die Wasseraufbereitung für die ICE-Enteisungs- und Waschanlage. Den Strom für die Wärmepumpen liefert eine rund 2.100 m² große Photovoltaikanlage mit einer installierten Leistung von 300 kW. Reicht der selbsterzeugte Solarstrom nicht aus, kommt ohne Ausnahme Ökostrom zum Einsatz.

Eine besondere Herausforderung bei der Konzeptionierung der Geothermienutzung lag darin, sowohl das Quellenmanagement als auch die Leistungsregulierung optimal aufeinander abzustimmen und damit die Wärmequellen und -senken gemäß ihres nutzbaren Potenzials auszuwählen und zu betreiben. Gleichzeitig galt es, die großen Heiz- und Kühlleistungen ohne technische Einschränkungen und mit möglichst geringem Wartungsaufwand auf verhältnismäßig kleinem Raum zu realisieren.

Aufgrund der langjährigen Erfahrung mit derart komplexen Anlagenanforderungen übernahm Zent-Frenger die Planung und Auslegung einer entsprechenden Systemlösung. Diese beinhaltet eine Verschaltung der vier speziell auf das Projekt zugeschnittenen, kompakten Energiezentralen mit allen fünf Förder- und Schluckbrunnen. Dadurch sind die hydraulischen Verhältnisse in der Gesamtanlage stets ausgeglichen, sodass eine Über- oder Unterversorgung einzelner Wärmepumpen vermieden wird.

Als hydraulische Weichen fungieren ein 5.140 l großer Verteilspeicher auf der Quellenseite sowie zwei Pufferspeicher für Kalt- und Warmwasser mit einem Volumen von 4.400 l bzw. 9.077 l auf der Bereitstellungsseite. Das Puffervolumen des Quellenverteilers sowie redundant ausgelegte Kältemittel- und Hydraulikkreisläufe in den Wärmepumpen sichern den Systembetrieb dabei zusätzlich ab. Zum Schutz der Energiezentralen vor unzureichender Wasserqualität wurden die Brunnen, die insgesamt über eine Förderleistung von bis zu 600 m³ pro Stunde verfügen, zudem mit Trenn-Wärmeübertrager-Modulen der Uponor Tochter ausgestattet.

Den Kern der ganzheitlichen Systemlösung bildet die MSR-Technik, die für das energieeffiziente Management der Gesamtanlage verantwortlich ist. Sie basiert auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die sämtliche Funktionen der Energiezentralen entsprechend den Parametervorgaben regelt und selbst über die jeweils wirtschaftlichste Betriebsart entscheidet.

Priorität hat dabei der sogenannte Dualbetrieb, mit dem sich z.B. in den Übergangszeiten Heiz- und Kühlanforderungen gleichzeitig hocheffizient abdecken lassen, was zu hohen COP-Werten führt. Auch die Umschaltung auf den Naturalkühlbetrieb in den Sommermonaten erfolgt vollautomatisch. Darüber hinaus werden im Rahmen eines Monitorings sämtliche Parameter und Betriebszustände – wie etwa die Pegelstände der Brunnen, Differenzdrücke an jeder Pumpe sowie die Temperaturen an den Pufferspeichern – kontinuierlich überwacht und die Betriebsabläufe bei Bedarf weiter optimiert.