Dänemark Gigantische Wärmepumpe gewinnt klimaneutral Wärme aus der Nordsee

Dänemark zeigt, wie die Wärmewende gelingt: Mitten im UNESCO-Weltnaturerbe "Wattenmeer" in Esbjerg versorgt eine gigantische Meerwasser-Wärmepumpe 25.000 Haushalte mit klimaneutraler Wärme und vermeidet dabei jährlich 120.000 t CO₂. Zusätzlich stabilisiert sie das Stromnetz und gleicht natürliche Schwankungen der erneuerbaren Energien aus. Die Technologie dahinter besteht aus zwei Hochleistungskompressoren und einem transkritischen CO₂-Kreislauf. Das Projekt kann als Blaupause dienen für alle Städte mit gut ausgebautem Fernwärmnetz – auch in Deutschland.

Ebenfalls in Dänemark, in Aalborg, entsteht bereits eine weitere Wärmepumpe der Superlative, die die Anlage in Esbjerg deutlich übertreffen wird. Mit einer Gesamtleistung von 177 MW soll sie ein Drittel der Wärmeerzeugung der Stadt übernehmen und bis zu 210.000 t CO₂-Emissionen pro Jahr einsparen. "Dänemark hat die Wärmewende frühzeitig in den Fokus genommen", unterstreicht Tobias Hirsch, Senior Sales Manager für Neubauprojekte bei Everllence. "Schon seit 2013 dürfen keine Öl- und Gasheizungen mehr in Neubauten installiert werden, und es stammen heute bereits 40 % der Wärmeversorgung aus erneuerbaren Quellen."

Wärmeversorgung klimaneutral gestalten

Dänemark profitiert dabei von gut ausgebauten Fernwärmenetzen: Über 60 % der dänischen Haushalte besitzen einen Fernwärmeanschluss, in den Städten sogar rund 90 %. In Deutschland liegt der Anteil derzeit bei etwa 15 % – obwohl das Land mit rund 35.000 km Länge über eines der größten Fernwärmenetze Europas verfügt. "80 % der deutschen Fernwärme stammt aus fossilen Quellen", ordnet Hirsch dazu ein. "Hier liegt ein enormes Potenzial für den Klimaschutz."

40 % der globalen CO₂-Emissionen resultieren aus der Energieerzeugung, und etwa die Hälfte des weltweiten Energiebedarfs ist auf die Wärme- und Kälteversorgung von Privathaushalten und Industrieunternehmen zurückzuführen. Mit Blick auf das Wärmeplanungsgesetz (WPG) werden Mega-Wärmepumpen wie in Esbjerg und Aalborg auch in Deutschland interessant. Immerhin müssen Kommunen je nach Größe bis spätestens 2028 eine kommunale Wärmeplanung ausweisen. Für die Fernwärme schreibt das Gesetz bis 2040 mindestens 80 % aus erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme vor. "Großwärmepumpen bieten die Möglichkeit, die Wärmeversorgung komplett klimaneutral zu gestalten – ohne Kompromisse bei Versorgungssicherheit, Nachhaltigkeitszielen oder wirtschaftlichen Aspekten", betont der Experte. "Der Endverbraucher merkt es nicht einmal."

Die Technologie spricht für sich

Wärmepumpen gelten als bewährte, robuste und ausgereifte Technologie mit zahlreichen Vorteilen. Sie überzeugen vor allem mit ihrer hohen Effizienz. Während elektrische Heizkessel eine Leistungszahl (COP) unter eins erreichen, liegen Wärmepumpen zwischen drei und fünf. Ein COP von drei bedeutet: Aus 1 kWh Strom entstehen 3 kWh Wärme. "Andere Technologien wie Biomasse und Geothermie sind ebenfalls nachhaltig, stehen aber nicht überall und im ausreichenden Maß zur Verfügung. Elektrische Heizkessel bieten zudem lange nicht die gleiche Effizienz und Leistungsfähigkeit wie Wärmepumpen", so Hirsch. Und erneuerbare Energie ist – anders als Gas – unabhängig von geopolitischen Einflüssen und – abgesehen von natürlichen Schwankungen – dauerhaft verfügbar. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Hinweise, dass die Preise künftig weiter sinken werden.

Neben der direkten Bereitstellung von Wärme und Kälte bieten Großwärmepumpen die Möglichkeit der Sektorenkopplung. Sie können zum Beispiel Rechenzentren kühlen und die entstehende Abwärme als Fernwärme oder Prozessdampf in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie nutzbar machen. "Ein weiterer Vorteil: Großwärmepumpen eignen sich zur Netzstabilisierung, um beispielsweise schwankende erneuerbare Energien mit dem Energiebedarf in Einklang zu bringen", ergänzt der Experte. Wärmepumpen ermöglichen durch ihr dynamisches Verhalten nicht nur flexibel mit der Fahrweise auf schwankende Strompreise zu reagieren, sondern auch Primärregelleistung bereitzustellen – etwa durch schnelles Reduzieren oder Abschalten der Leistung. In Kombination mit einem Speichertank können Wärmepumpen überschüssigen grünen Strom aus dem Netz aufnehmen, indem sie Wasser erwärmen oder kühlen. "Mit ihrer Flexibilität und Fähigkeit zur Netzstabilisierung lösen Großwärmepumpen aktuelle Herausforderungen im Energiesektor", fasst Hirsch zusammen.

Größte CO2-basierte Meerwasser-Wärmepumpe

Im dänischen Esbjerg ist klimaneutrale Wärme schon Realität. Im Hafen hat Everllence (ehemals MAN Energy Solutions) im November 2024 die größte CO₂-basierte Meerwasser-Wärmepumpe mit einer Gesamtheizleistung von 70 MW in Betrieb genommen. Die vom städtischen Energieversorger DIN Forsyning betriebene Anlage ersetzt ein stillgelegtes Kohlekraftwerk und liefert jährlich rund 280.000 MWh in die Fernwärmenetze von Esbjerg und der Nachbarstadt Varde. Ihre erneuerbare Antriebsenergie stammt aus einem nahegelegenen Windpark. Ergänzt wird die Wärmepumpe durch einen 60-MW-Holzschnitzelkessel sowie eine 40-MW-Elektrokesselanlage, die als Spitzen- und Reservelast dienen.

Herzstück des Systems ist der sogenannte transkritische Kompressionszyklus (Transcritical Compression Cycle = TCC). Als Wärmequelle dient das Meerwasser der Nordsee, die Wärmesenke ist das Fernwärmenetz in Esbjerg. In dem geschlossenen Systemkreislauf kommt CO₂ als toxikologisch und ökologisch unbedenkliches Kältemittel zum Einsatz. Für DIN Forsyning ist das besonders relevant, da die Anlage direkt am Wattenmeer liegt – einem UNESCO-Weltnaturerbe mit einem besonders sensiblen Ökosystem.

Vor allem im Winterbetrieb sollte die Anlage nach Kundenvorgaben eine hohe Lastkapazität und Effizienz bieten. Im transkritischen Wärmekreislauf verdichtet der Kompressor das CO₂ unter hohem Druck und so erreicht es einen superkritischen Zustand – eine Form, in der es besonders effizient Wärme übertragen kann. Die Wahl von CO₂ als Kältemittel und die Möglichkeit der Vorwärmung durch Rücklaufwasser steigern die Effizienz zusätzlich. Erste Messungen zeigen bereits einen COP von 2,8, mit Zielwerten bis zu 3,6.

Betrieb nach Bedarf, Strompreis und Verfügbarkeit

Die Anlage erzeugt entweder 90 °C warmes Wasser für die direkte Einspeisung ins Netz oder den 2.500-MWh-Speichertank für eine spätere Nutzung. Alternativ liefert sie vorgewärmtes Wasser bei niedrigeren Zwischenvorlauftemperaturen (> 55 °C), das durch den Biomasse- oder Elektrokessel weiter erhitzt oder den Kondensatorausgang für eine Beimischung am Netzausgang verwendet werden kann. Dies ermöglicht DIN Forsyning einen effizienteren, wirtschaftlich optimierten Betrieb je nach Bedarf, Strompreis und Verfügbarkeit.

Nicht nur die Effizienz, sondern auch die Betriebsrobustheit standen im Fokus des Projektes. Neben dem flexiblen Zusammenspiel mit anderen Wärmeerzeugern tragen die Kompressoren maßgeblich dazu bei. Zentrale Komponente der Anlage sind zwei hermetisch gekapselte "Hofim"-Motorkompressoreinheiten. Sie arbeiten mit Hochgeschwindigkeitsmotoren und aktiven Magnetlagern – ganz ohne Öl, was den Wartungsaufwand erheblich reduziert. Die kompakte Bauweise und hohe Leistungsdichte sind geradezu ideal für große Wärmepumpenanlagen wie in Esbjerg. Ein System zur Fernüberwachung, Datenanalyse und Diagnostik sorgt für eine effiziente Steuerung.

Teil der Ausschreibung war auch eine hohe elektrische Lastflexibilität – einschließlich der Fähigkeit, Systemdienstleistungen für das Stromnetz bereitzustellen. Auf dem Everllence-Prüfstand in Zürich bewältigten die jetzt vor Ort verbauten Kompressoren eine Laständerung von 70 % innerhalb von 30 s bei einem einzelnen Kompressor. Damit ist die Anlage bestens für die Teilnahme an Regelenergiemärkten geeignet. Die Großwärmepumpe kann beliebig oft am Tag ein- und ausgeschaltet werden, um auf Bedarfsschwankungen zu reagieren.

Eine Blaupause für andere Städte

Aber nicht nur in Dänemark wird die Wärmeversorgung klimafreundlich. Durch die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze entstehen auch in Deutschland vermehrt Großwärmepumpenprojekte. Zum Beispiel in Köln, wo künftig drei Everllence-Wärmepumpen Energie aus dem Rhein nutzen werden, um das Fernwärmenetz der Stadt zu versorgen. Nach Fertigstellung wird die von Rheinenergie betriebene Anlage, die größte Flusswärmepumpeninstallation Europas sein. Vorreiterprojekte wie in Esbjerg, Aalborg oder Köln zeigen, wie die Dekarbonisierung der Wärmenetze gelingen kann. „Die Technologie ist bereit“, betont Hirsch. „Wenn die Rahmenbedingungen stimmen, kann jede Stadt das neue Esbjerg werden.“