Thermische Flusswassernutzung für die Wärmewende
Vorteil der Flusswärme:
Flüsse liefern im Winter vergleichsweise milde Temperaturen, die sich technisch gut für Heizsysteme nutzen lassen. In Verbindung mit Wärmenetzen entstehen so neue Optionen für eine dezentrale, fossilfreie Wärme- und Kälteversorgung – nicht nur in Großstädten, sondern auch in kleineren Kommunen.
Technische Varianten der thermischen Flusswassernutzung: Geschlossene und offene Systeme im Vergleich
Wie lässt sich Flusswasser technisch nutzen? Grundsätzlich unterscheiden wir zwei Systeme:
Geschlossene Flusswasserwärmepumpen: Direkt im Fluss installierte Wärmetauscher als nachhaltige Lösung
Hier erfolgt die Wärmeübertragung direkt im Fluss durch einen im Gewässer installierten Wärmetauscher. Das Flusswasser kommt nicht in direkten Kontakt mit der Wärmepumpe, wodurch keine chemische Beeinträchtigung entsteht. Beispiele sind die ComPons unseres Partners JNinfra oder kleinere Flusswärmetauscher wie der ThermoGenius der Firma ElringKlingerKunststofftechnik. Eingetauchte Wärmetauscher sind besonders dann sinnvoll, wenn die Strömung stark genug ist, um einen effizienten Wärmeaustausch zu gewährleisten. Sie verursachen keine Wasserverlagerung und erfordern in der Regel keine aufwändigen Baumaßnahmen.
Offene Systeme: Flusswasserentnahme und Rückführung
Beim offenen System wird Flusswasser über ein Entnahmebauwerk entnommen, aufbereitet und durch einen Wärmetauscher (meist in einer Energiezentrale) geleitet. Anschließend wird es thermisch (meist nur minimal) verändert über ein Einleitbauwerk zurückgeführt. Diese thermische Einleitung kann Auswirkungen auf das Ökosystem haben, etwa durch Temperaturveränderungen oder die Verlagerung von Nährstoffen, wenn Ein- und Ausleitung weiter voneinander entfernt sind. Die Auswirkungen sind meist lokal, können aber je nach Temperatur und Menge auch über mehrere Kilometer spürbar sein. Eine sorgfältige Planung ist daher unerlässlich.
Die Wahl des Systems hängt von den Standortbedingungen und den spezifischen Anforderungen ab. Wirtschaftlichkeitsaspekte bleiben in diesem Beitrag unberücksichtigt, da sie stark projektabhängig sind.
| Geschlossenes System | Offenes System | |
| Vorteile | Direkte Wärmeübertragung: Der Wärmetauscher ist direkt im Fluss installiert, wodurch die natürliche Strömung die Wärmequelle kontinuierlich erneuert. | Einfache Wartung: Alle Anlagenkomponenten sind von Land aus zugänglich, was die Reinigung und Instandhaltung erleichtert. |
| Wartungsarm: Weniger bewegliche Teile und keine Pumpen für den Wassertransport erforderlich. | Effizientere Wärmetauscher: Höhere Strömungsgeschwindigkeiten durch Pumpen ermöglichen eine bessere Wärmeübertragung. | |
| Kein zusätzlicher Pumpenstrom erforderlich | Kontinuität: Die Wasseraufbereitung sorgt für eine gleichbleibende Wasserqualität, auch bei schwankender Schwebstoffkonzentration. | |
| Kein Zwischenkreislauf notwendig: Bei geeigneten Schutzmechanismen kann auf einen Zwischenkreislauf verzichtet werden, was Energieverluste reduziert. | ||
| Nachteile | Schutzmaßnahmen erforderlich: Treibgut, Fische, Schifffahrt und schwankende Pegelstände sind zu berücksichtigen | Komplexe Wasseraufbereitung: Schwebstoffe und Biofouling erfordern mehrstufige Reinigungssysteme, was die Kosten erhöht. |
| Gefahr bei Leckagen: (minimale) Gewässerkonta-mination durch Wasser-Glycol-Gemisch im WT. | Pumpen erforderlich: Zusätzliche Energie für den Wassertransport und höhere Betriebskosten. | |
| Ein- und Ausleitungsbauwerke erforderlich – erhöht die Kosten |
Donau als Energiequelle: Praxisanalyse zur Flusswasserwärmepumpe in Bayern
Unser Werkstudent Valentin Pröpster hat sich in seiner Bachelorarbeit am Institut für neue E-Systeme (INES) der TH Ingolstadt intensiv mit dem Thema Flusswasserwärme auseinandergesetzt. Aus seiner Arbeit mit dem Titel „Einflussgrößen für einen techno-ökonomisch sinnvollen Betrieb einer Flusswasser-Wärmepumpe zur Versorgung eines Stadtteils mit erneuerbarer Wärme (…)“ stammen die folgenden Erkenntnisse.
Vergleich von regenerativen Quellen mit Fokus auf Flusswasser
Flusswasser stellt eine vielversprechende Wärmequelle für Wärmepumpen dar, da es kontinuierlich erneuert wird und über hervorragende thermische Eigenschaften verfügt. Im Vergleich zu Luft und Erdreich bietet Flusswasser eine hohe spezifische Wärmekapazität und geringere Temperaturschwankungen, was die Effizienz der Wärmepumpen erhöht.
- Kontinuierliche Erneuerung: Flusswasser wird ständig erneuert und bietet hervorragende thermische Eigenschaften.
- Hohe spezifische Wärmekapazität: Flusswasser: 4,18 kJ/kg·K, Luft: 1,01 kJ/kg·K.
- Geringe Temperaturschwankungen: Flusswasser weist im Tages- und Jahresverlauf eine flachere Temperaturamplitude auf, was die Effizienz der Wärmepumpen erhöht.
- Effizientere Wärmetauscher: Wasser-Wasser-Plattenwärmetauscher erreichen 1000–8000 W/(m²·K), Luft-Wasser-Plattenwärmetauscher nur 10–150 W/(m²·K).
- Weitere Vorteile: Kleinere Wärmetauscher, kein Bedarf an Ventilatoren, geringere Geräuschentwicklung.
Spezifische Herausforderungen bei Nutzung der Wärmequelle Flusswasser
- Schwebstoffe: Können Ablagerungen und Verstopfungen verursachen.
- Biofouling: Kann den Wärmeübertragungskoeffizienten um bis zu 50 % reduzieren.
- Vereisung: Besonders bei Temperaturen um 0 °C kritisch; Mindestflusswassertemperatur von ca. 3-5 °C erforderlich.
Praxisbeispiele für Herausforderungen, mit denen erste Anlagen kämpften:
In Jena musste eine Anlage wegen Vereisung nachgerüstet werden; in Köln führten Algenablagerungen zu einem Effizienzverlust von 40 %, der durch automatische Reinigungssysteme behoben wurde (Quelle: www.efzn.de/forschung/efzn-foerderung/projekt-hydro2heat)
Rechtliche Rahmenbedingungen für Flusswasserwärmepumpen: Was Betreiber beachten müssen
Die Nutzung von Flusswasser unterliegt strengen gesetzlichen Bestimmungen, die den Schutz der Gewässer und die Qualität des entnommenen Wassers sicherstellen sollen.
- Europäische Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL): Verbot der Verschlechterung der Wasserqualität.
- Wasserhaushaltsgesetz (WHG): Genehmigungspflicht für die Entnahme von Oberflächengewässern.
- Temperaturgrenzen: Kein verbindlicher Maximalwert, aber Richtwert von zwei Kelvin für Temperaturerhöhungen.
- Weitere Regularien: Geothermiegesetz (GeoWG), Vorgaben der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA).
- Das Bayerische Landesamt für Umwelt hat hierzu im Januar 2025 das Infoblatt „Wärmegewinnung aus Fließgewässern - Betreiberhinweise zur Planung, Genehmigung und Betrieb von Wärmetauscheranlagen“ herausgegeben. (https://www.lfu.bayern.de/publikationen/get_pdf.htm?art_nr=lfu_was_00364)
- Der bayerische Staatsminister Thorsten Glauber hat aber auf dem 7. Forum Erdwärme Bayern Anfang Mai im Bauzentrum München zugesagt, die Nutzung von Gewässern für die Wärmegewinnung zu unterstützen.
Potenzial der Donau als Quelle zur Wärme- und Kälteversorgung:
Die Donau bietet ein ausreichendes thermisches Potenzial für die Wärmeversorgung: Jährlich führt die Donau etwa 9 Milliarden Kubikmeter Wasser, was rein rechnerisch einem Bruttopotenzial von 10,4 TWh Wärmeenergie pro Jahr entspricht, wenn man 1 Kelvin an Wärmeenergie entzöge.
Der Wärmebedarf aller Haushalte in Neuburg liegt bei 240.000 MWh pro Jahr. Dieser könnte also rein theoretisch mehr als 40-mal gedeckt werden. Die Schwebstoffkonzentration in der Donau ist im Vergleich zu anderen bayerischen Flüssen gering und stellt keine Einschränkung für die Flusswasser-WP dar.
goodmen energy plant derzeit mehrere Flusswassernutzungsprojekte an der Donau, um dieses Potenzial auszuschöpfen.
Mögliche ökologische Auswirkungen der thermischen Flusswassernutzung auf Gewässerlebensräume
Die thermische Nutzung von Flüssen und Seen kann ökologische Auswirkungen auf Gewässerlebensräume haben. Temperaturveränderungen durch Einleitung erwärmten oder abgekühlten Wassers beeinflussen die Lebensbedingungen zahlreicher Organismen: Zu warmes Wasser – insbesondere über 25 °C – kann stressauslösend oder gar lebensbedrohlich für temperaturempfindliche Arten wie Forellen oder Äschen sein. Bisher wurden Gewässer eher zum Kühlen genutzt, was die Gewässer zusätzlich zu den Effekten des Klimawandels erwärmt hat. Seit 1980 werden Flüsse in Bayern alle 10 Jahre um 0,5 K wärmer.
Durch den Entzug von Wärme für Wärmenetze kann dieser Effekt gemindert oder gar rückgängig gemacht werden. Die Bachelorarbeit unseres Werkstudenten zeigt zusätzlich, dass die thermischen Effekte in der Donau minimal wären: Selbst während der Heizlastspitzen an den kältesten Tagen im Winter betrüge die berechnete Abkühlung des Gesamtgewässers lediglich 0,0013 K. Im Jahresdurchschnitt läge sie bei nur 0,00049 K. Diese Werte lassen keine ökologischen Auswirkungen erwarten, sondern hätten unter Umständen sogar positive Effekte auf die Gewässerqualität, weil sie die zunehmende Erwärmung bremsen bzw. ausgleichen würden.
Fazit: Bei sachgerechter Planung und Rücksichtnahme auf sensible Temperaturbereiche lässt sich der ökologische Einfluss stark begrenzen.
Exkurs: Vorgaben der LAWA für die thermische Nutzung von Fließgewässern: Temperaturgrenzen, Fischschutz und Genehmigung
Die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) setzt enge Rahmenbedingungen für die thermische Nutzung von Fließgewässern:
- Temperaturänderung: Maximal 2–3 °C Erwärmung, in empfindlichen Abschnitten 1,5 °C; für Abkühlung ähnliche Werte empfohlen.
- Kumulative Betrachtung: Mehrere Einleitungen werden addiert betrachtet.
- Fischschutz: Plötzliche Temperaturwechsel vermeiden.
- Mindestwasserführung: Nur ökologisch verträgliche Wasserentnahme.
- Technische Anforderungen: Fischschutz, zugelassene Wärmeträgermedien, Genehmigungspflicht.
Unser Fazit:Thermische Flusswassernutzung als Schlüssel für eine nachhaltige und effiziente Wärmewende
Eine nachhaltige Flusswassernutzung sollte Heizen und Kühlen gleichzeitig betrachten, um thermische Veränderungen auszugleichen. Die Kombination mit anderen Technologien, wie Solarthermie und saisonalen Speichern, erhöht die Effizienz. Die thermische Nutzung von Flusswasser ist technisch machbar, ökologisch verantwortungsvoll und wirtschaftlich sinnvoll – sofern die Rahmenbedingungen stimmen. Um das Potenzial für die Wärmewende zu heben, sollten Genehmigungsverfahren vereinfacht und vereinheitlicht werden.
Sie planen ein Flusswassernutzungsprojekt oder möchten mehr über die Möglichkeiten der Aquathermie erfahren? Kontaktieren Sie uns – wir beraten Sie gerne!