Navigationsabkürzungen:

 

Hauptinhalt:

vor
zurück

Energiezentrale Universitätsklinikum Gießen

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze
Das Hauptgebäude des Universitätsklinikums Gießen

Das Hauptgebäude des Universitätsklinikums Gießen

© Stadtwerke Gießen AG

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Standort Gießen
Projektfahrplan Laufzeit des Projekts: 1.1.2010 - 31.12. 2014
Träger Rhönklinikum AG, Stadtwerke Gießen AG

Projektbeschreibung

Ausgangssituation

Das Universitätsklinikum Gießen-Marburg wurde im Jahr 2008 an die Rhönklinikum AG verkauft; seitdem arbeiten die beiden technischen Abteilungen eng zusammen.

Für die Krankenhäuser der RHönklinikum AG wurde der Stromverbrauch ermittelt, der sich allein durch die Nutzung der IT (ohne medizintechnische Anlagen) ergibt. Er beträgt inzwischen 12% des Gesamtverbrauchs im Konzernverbund, mit weiterhin steigender Tendenz. Daran sind Endgeräte wie PCs und Drucker nur zu etwa 25% beteiligt, der überwiegende Anteil des Stromverbrauchs wird für Server, aktive Netzwerkkomponenten und Langzeitspeicherung in Rechenzentren, einschließlich der notwendigen ganzjährigen Kühlung benötigt. Daher muss die Energiebereitstellung in Krankenhäusern den neuen Gegebenheiten angepasst werden: Im Vordergrund steht eine effiziente Strom- und Kälteversorgung. Unter diesen Gesichtspunkten ist die Auslegung konventioneller Blockheizkraftwerke auch in Kombination mit – in der Regel wenig effektiven – einstufigen Absorptionskältemaschinen unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten oft nicht mehr sinnvoll möglich, weil notwendige  ahreslaufzeiten nicht erreicht werden. Daher wird für den Neubau der Universitätsklinik Gießen die Anlagentechnik in wesentlichen Punkten dem Bedarf angepasst. Dadurch soll eine bisher nicht  erreichte Energieausnutzung des Primärenergieträgers Erdgas ermöglicht werden.

Die geplante hohe Anzahl intensivmedizinischer Behandlungsplätze in der Universitätsklinik erfordert eine redundante  Energiebereitstellung, damit unter allen denkbaren Umständen die Versorgungssicherheit für die Krankenversorgung gewährleistet wird. Dies wird durch die Einbindung der geplanten Anlage in das Fernwärme- und Fernkältenetz der Stadtwerke Gießen erreicht. Darüber hinaus bietet dies den Vorteil, dass die Erzeugungsanlagen der Klinik ganzjährig bei Nennleistung betrieben werden können, weil auch eine temporäre Rückspeisung nicht benötigter Wärme- und Kältemengen in das Netz der Stadtwerke jederzeit gewährleistet ist. Die geplante modulartige Anlagenkonfiguration mit einer Brennstoffzelle und drei Motor-BHKWs und jeweils zugeordneten mehrstufigen Absorptionskälteanlagen wird auch für zukünftige Projekte richtungweisend sein: Je nach Bedarfssituation sind die Hauptkomponenten mittels einer gemeinsamen Anlagensteuerung variabel kombinierbar. Wenn erforderlich können also Brennstoffzellen und konventionelle Motor-BHKWs in unterschiedlicher Anzahl kombiniert werden. Damit ist gewährleistet, dass die Ergebnisse des Vorhabens auch bei künftigen Projekten mit unterschiedlicher Energiebedarfssituation genutzt werden können.

Der geplante Neubau sollte in das bestehe Kälte-, Fernwärme- und Dampfnetz integriert werden. Dazu sollte vor allem eine Brennstoffzelle-Anlage (Hochtemperatur Brennstoffzelle Typ MCFC) HM 320 aus dem Hause MTU Energie erzeugen. Für diesen Zweck wurden nach Gründung einer GmbH zwischen Rhönklinikum AG und der Stadtwerke Gießen AG die Aufgaben unter den Partnern verteilt. Dem Rhönklinikum wurde der kaufmännische Teil, den Stadtwerken Gießen der technische Teil zugeordnet.

Projektziele

Zielsetzungen des Projektes sind:

  • Demonstration der hochenergieeffizienten Versorgung der Universitätsklinik mit den Energieformen Wärme, Strom und Kälte durch eine dezentrale Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)
  • Bereitstellung dieser Energieformen mit höchstmöglichen Wirkungsgraden aus Erdgas
  • Einspeisung von Überschuss-Energie in die jeweiligen Netze: Stromnetz, Nahwärmenetz, Nahkältenetz
  • Demonstration von 100 % Versorgungssicherheit des Klinikums gemeinsam mit den E-Netz- und Gasnetzbetreibern
  • Demonstration einer nahezu verlustfreien Energiezentrale (Gesamtwirkungsgrad >90%, Rest unvermeidliche Wärmeverluste), da jegliche anfallende Überschussenergie in den jeweiligen Netzen Anwendung findet.
  • Darstellung eines sicheren Anlagen-Kontroll-Zentrums
  • Erprobung und Absicherung neuartiger technischer Ansätze in der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA), in diesem Fall in der Steuer- und Regelungstechnik für den kombinierten Betrieb von Brennstoffzelle, Gasmotor, Kältemaschinen und Wärmetauschern.

Die erfolgreiche Demonstration der hochenergieeffizienten Versorgung der Universitätsklinik mit den Energieformen Strom, Wärme und Kälte in der im Projekt geplanten Weise ist ein wichtiger Meilenstein bei der weiteren kommerziellen Anwendung von stationären Brennstoffzellenanlagen. Diese neue Kraftwerkstechnik hat das Potential, durch ihre extrem emissionsarme Energiewandlung und ihre hohe Effizienz einen wesentlichen Beitrag in zukünftigen, dezentralen Energieszenarien zu spielen. Die Bundesrepublik Deutschland kann damit auf eine Technologie zurückgreifen, die zum Exportschlager werden kann, dabei Arbeitsplätze schafft und für die wichtige Zukunftsfrage nach sauberer und sicherer Energieversorgung eine schlüssige Antwort darstellt. Für die Umsetzung des beschriebenen Projekts wurde die „Energiezentrale Universitätsklinikum Gießen GmbH“ gegründet. In dieser Gesellschaft sind zu je 50% die Rhönklinikum AG und die Stadtwerke Gießen AG als Gesellschafter vertreten.

Durch die geplante Anlage ist es möglich, Primärenergie in erheblichem Umfang einzusparen und damit auch den Ausstoß an Treibhausgasen entscheidend zu reduzieren. Beim Vergleich mit herkömmlicher Technik, d.h. Wärmebereitstellung mittels Gaskessel und Strombezug aus dem öffentlichen Netz reduziert sich der Primärenergieeinsatz von 23.826 MWh auf 4.364 MWh, wobei entsprechende Stromgutschriften berücksichtigt sind. Die Berechnung wurde mit Gemis 4.5 durchgeführt. Auch die Emission von Treibhausgasen wird durch die geplante Anlage drastisch reduziert: Während bei einer konventionellen Energiebereitstellung ein jährlicher Ausstoß an Treibhausgasen (berechnet als CO2-Äquivalent) in Höhe von 5.227 t erfolgt, können durch die geplante Energiezentrale 94% eingespart werden, so dass nur noch 318 t/a emittiert werden.

Technisches Konzept

Das Konzept der Hocheffizienz-Energiezentrale der Universitätsklinik in Gießen sieht mehrere Anlagen zur Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte vor. Eingesetzt werden sollen eine Brennstoffzellenanlage, 3 Gasmotoren, 2 Absorptionskältemaschinen, 2 Abgaswärmetauscher, 2 Verdichterkältemaschinen und ein Ölkessel. Die Brennstoffzellenanlage ist eine Entwicklung der MTU Onsite Energy GmbH - Fuel Cell Systems. Es soll ein HotModule des Typs HM320 mit modernster Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle installiert werden. Die  Brennstoffzellenanlage zeichnet sich durch einen sehr hohen elektrischen Bruttowirkungsgrad von etwa 49% aus, der zudem auch im Teillastbereich nahezu konstant bleibt. Das Abgas der Brennstoffzellenanlage ist frei von Stickoxid- und Schwefelemissionen sowie von Feinstaub und daher als Abluft klassifiziert. Einige weitere Vorteile sind Geräuscharmut, Schwingungsfreiheit (da keine rotierenden Hauptkomponenten), hoher Gesamtwirkungsgrad bei Nutzung der Wärmenergie, gesamte Abwärme auf hohem Temperaturniveau, etc.

Die Einzelanlagen werden zu Funktionseinheiten zusammengefasst und als KWKK-Anlagen (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung) betrieben. Dadurch wird zum einen ein hoher Gesamtwirkungsgrad bei der Ausnutzung des Primärenergieträgers erreicht. Zum anderen bietet die Aufteilung des erforderlichen Energiebedarfs auf mehrere Anlagen eine hohe Versorgungssicherheit, da bei Ausfall einer Anlage die restlichen Anlagen weiterhin einen Großteil des Energiebedarfs decken. Weiterhin wird die Energiezentrale in das städtische Fernwärme- und -kältenetz eingebunden. Es ist somit möglich, alle Anlagenteile jeweils im effizientesten Lastpunkt zu betreiben und die Differenz zum Bedarf in die Netze (Strom, Wärme, Kälte) einzuspeisen oder aus den Netzen zu beziehen.

Aufgabenstellung, Herausforderungen

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage mit Notstromfunktion.

Die Anlagen sollen parallel mit bereits bestehenden Erzeugern mit dem Wärme- und Kältenetz betrieben werden. Eine übergeordnete Steuerung soll den Betrieb soweit optimieren, sodass ein Jahresnutzungsgrad von ≥ 92 % (Hs) realisiert werden kann.

Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, mussten hydraulisch neue Verschaltungen realisiert werden. Hinter den Absorptionskältemaschinen wurde nochmals jeweils ein Abgaswärmetauscher eingebaut. Also wird im Kältebetrieb die anfallende Wärme aus der Energiewandlung weiter genutzt.

So ein Konzept funktioniert nur, wenn Nutzer und Planer entsprechend eng zusammenarbeiten.

Im Schwarzfall (Spannungsausfall auf dem Gelände) sollen die KWK-Module als Netzersatz die Versorgungstechnik sicher in Betrieb halten.

Durch die Integration der Anlagentechnik im Hauptgebäude 2. UG wurde die Anforderung an Körperschall- und Luftschall eine große Herausforderung.

Auch die Wärmeabfuhr der zweiten Verdichterstufe der KWK-Anlage sollte nicht über Dach mittels Luft-/Wasserkühler, sondern über das Wärmenetz abgeführt werden.

Komponenten, technische Details
  • 3 BHKW-Module je 385 kWel, 311 kWth und 1060 kWprim
  • 1 Absorptionskältemaschine mit 765 kW Kälte
  • 1 Brennstoffzelle mit 350 kWel, 710 kWprim
  • 1 x Absorptionskältemaschine mit 258 kW Kälte
  • 2 x Turbokältemaschine je 900 kW Kälte
  • 1 x Kühlturm auch für Kühlung mit 1000 kW Kälte.

Die Funktion der Anlage wird im Detailschaltbild sowie im Blockschaltbild erläutert.

Die Brennstoffzelle musste im Jahr 2011 nur vier Wochen nach der Inbetriebnahme vollständig stillgelegt werden. Einerseits konnte das Aggregat die technischen Ziele/Erwartungen nicht annähernd erfüllen. Anderer hatte der Hersteller MTU sein Geschäftsfeld "Brennstoffzellentechnologie" inzwischen eingestellt. Die Sparte hatte die gesetzten Ziele des MTU Konzerns nicht erreicht; die Konsequenz war der vollständige Ausstieg aus diesem Produktsegment.

Betriebserfahrungen

Der Betrieb der drei BHKW-Module, der Absorptionskältemaschine, zweier Kompressionskältemaschinen und einer Fernwärmeübergabestation netzparallel im Kälte- und Fernwärmenetz wurde im ersten vollständigen Betriebsjahr getestet. Die Wärmeversorgung parallel mit den bestehenden Erzeugern funktionierte zu Beginn noch nicht wie geplant, wurde jedoch optimiert und dauerhaft funktionell eingestellt. Dabei sind die Rücklauftemperaturen ein Problem: Geplant war, Rücklauftemperaturen ≤ 45 °C ganzjährig zu realisieren. Die aktuelle Trinkwasser-Verordnung verlangt jedoch, dass die Zirkulationstemperatur nicht mehr als 5 K unter der WW-Temperatur liegen darf. Das hat zur Folge, dass die Heizwassertemperatur nicht unter 55° C kommen kann. Somit entfällt außerhalb der Heizperiode die Brennwertnutzung. Nur der sensible Wärmeanteil der Abgase konnte genutzt werden. Für dieses Problem werden aktuell noch Lösungen gesucht. Ein schlüssiges Konzept wurde bereits in einem weiteren Krankenhaus in Gießen realisiert. Die Ergebnisse sind vielversprechend.

Ergebnis erstes Betriebsjahr

Das erste, vollständige Betriebsjahr hat die Annahmen weitgehend bestätigt. Der beigefügten Energie-/Erzeugungsbilanz können die monatlichen bzw. Jahresdaten entnommen werden. Trotz der dargestellten Widrigkeiten liegt der Gesamtwandlungsgrad ≥ 89 %. Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein. In 2013 muss das vierte BHKW-Modul als Ersatz zur Brennstoffzelle integriert werden, um die nachgeschalteten Baugruppen wie Abgaswärmetauscher und Absorptionskältemaschine weiter nutzen zu können.