Wärme aus Wasser

Die Technik dafür ist in allen drei Fällen prinzipiell die gleiche: Wasser, das im geschlossenen Kreislauf zwischen Wärmetauscher und Wärmepumpe zirkuliert, nimmt im Wärmetauscher Abwasserwärme auf und gibt diese an die Wärmepumpe ab. Die Wärme lässt das in der Wärmepumpe kreisende Kältemittel verdampfen, der Dampf wird im Verdichter komprimiert und weiter erhitzt bis auf das für die Gebäudeheizung nötige Niveau. Schließlich strömt der Dampf durch einen zweiten Wärmetauscher, wo er den Heizkreislauf erhitzt. Dadurch kühlt sich der Dampf ab, verflüssigt sich wieder und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Vom Kanalnetz in den Elysee-Palast

Die Idee, aus Abwasser Energie zu gewinnen, ist nicht neu. Die ersten Versuche in Deutschland stammen aus den 1920er-Jahren. In den letzten Jahren wurden in Europa rund 100 größere Anlagen realisiert – zum Beispiel in Frankreich, wo der Elysee-Palast, Sitz des französischen Präsidenten, sowie das Gebäude der Nationalversammlung unter anderem mit Wärme aus dem Pariser Kanalnetz beheizt werden. Die mit 2,1 Megawatt Leistung größte deutsche Anlage soll im Stuttgarter Neubaugebiet Neckarpark eines Tages zwei Drittel der Heizwärme für das Viertel liefern. Auf dem 25 Hektar großen Gelände eines ehemaligen Güterbahnhofs sind unter anderem 850 Wohnungen, Gewerbeflächen, eine Grünanlage und ein Sportbad im Bau.

Allerdings: Ein Durchbruch für die innovative Technologie ist das noch nicht. Bislang deckt Deutschland seinen Wärmebedarf für Heizung und industrielle Prozesse noch zu über 80 Prozent mit fossilen Energieträgern. „Bis vor zwei Jahren waren Öl und Gas einfach noch zu günstig für ein Umdenken“, erläutert Volker Stockinger, Professor für Energiegerechtes Bauen und Gebäudetechnik an der Technischen Hochschule Nürnberg. Doch der Ukraine-Krieg habe einen Wandel angestoßen: „Vor allem in Kommunen, die ja per se langfristig planen, hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass auch der Wärmebereich möglichst bald auf regenerative Energien umgestellt werden muss.“

Verteilung im Kalten Nahwärmenetz

Stockinger weiß, wovon er spricht. In Bamberg leitet er die Begleitforschung für die Wärmeversorgung des neuen Innenstadtquartiers Lagarde, deren Grundlast eine Kombination von Erd- und Abwasserwärme decken soll. Ein 250 Meter langer, im Kanalnetz verlegter Wärmetauscher mit einer Leistung von einem Megawatt liefert Abwasserwärme. Die Erdwärme kommt von 120 Erdsonden, die dem Erdreich bis in eine Tiefe von 120 Meter Wärme entziehen, sowie von 32.000 Quadratmeter Kollektorfläche, die horizontal unter den Gebäuden und im Freigelände verlegt werden. Im Sommer dienen die Sonden und Kollektoren als Zwischenspeicher für überschüssige Abwasserwärme, mit der im Winter wieder geheizt wird. Die aus Abwasser und Erdreich gewonnene Wärmeenergie wird in der Energiezentrale im Quartierzentrum zusammengeführt, wo sie in ein sogenanntes Kaltes Nahwärmenetz eingespeist und an dezentral in den Gebäuden montierte Wärmepumpen verteilt wird.

Kalte Nahwärmenetze sind eine innovative Variante üblicher Wärmenetze, die im Gegensatz zu diesen jedoch mit niedrigen Wassertemperaturen nahe der Umgebungstemperatur oder sogar darunter betrieben werden. Das minimiert Wärmeverluste und erlaubt das Einbinden erneuerbarer Wärme aus dem Meer, aus Flüssen und Seen, aus Grundwasservorkommen, dem Erdreich oder der Umgebungsluft sowie das Ausschöpfen bislang ungenutzter Abwärme aus Gewerbe und Industrie. Um mit dem vergleichsweise kalten Wasser heizen und Trinkwasser erwärmen zu können, wird die Temperatur beim Abnehmer mittels Wärmepumpe auf das erforderliche Niveau gehoben. Kalte Wärmenetze gelten aufgrund ihrer Flexibilität und der niedrigen Betriebstemperaturen als Kerntechnologie der Wärmewende.

Die Leitungen des Kalten Wärmenetzes auf dem Lagarde-Campus werden ohne Dämmung verlegt, erläutert Volker Stockinger: Denn während der Heizperiode liegt die Betriebstemperatur unter der Temperatur des umgebenden Erdreichs: „Dann wirkt das Netz wie ein Kollektor, der dem Boden Wärme entzieht.“ Zudem ermöglichten die niedrigen Netztemperaturen, dass sich in den Sommermonaten Gebäude auch kühlen lassen, sagt der Wissenschaftler. Heiz- und Kühlenergie für das gesamte Viertel sollen, so das Ziel, bis zu drei Vierteln aus Abwasser und Erdreich vor Ort gewonnen werden.

Schlafende Riesen der Wärmewende

Abwasserwärme sei „einer der schlafenden Riesen der Wärmewende“, sagt Stockinger. „An Technik ist alles da, was dafür gebraucht wird.“ Wärmetauscher lassen sich sowohl in neue als auch bestehende Kanäle einbauen. Voraussetzung ist allerdings, dass genug Abwasser fließt: Auf 15 Liter pro Sekunde beziffert ein Ratgeber der Deutschen Stiftung Umwelt den Mindestdurchfluss an Tagen ohne Regen, um einen technisch und wirtschaftlich effizienten Betrieb zu gewährleisten. Für den Einbau des Wärmetauschers fordert das Papier von 2005 einen Mindestdurchmesser von 80 Zentimetern. Zudem müsse der Kanal leicht zugänglich sein – etwa durch Montage einer Einstiegsluke. Das ist nötig, um den Wärmetauscher, der gemeinhin in Edelstahl gefertigt wird und aus Platten oder Rohrbündeln aufgebaut ist, reinigen zu können. Denn durch Feststoffe wie Windeln, Fäkalien, Küchenabfälle oder erkaltende Fette bildet sich auf den Oberflächen im Wärmetauscher ein Biofilm, der den Wärmeentzug beeinträchtigt.

Obwohl die technischen Rahmenbedingungen also bekannt sind, gibt es noch einiges zu klären: etwa die Frage, wie viele Wärmetauscher ein Kanalnetz verträgt. Klar ist, dass die Abwassertemperatur selbst nach dem Entzug großer Mengen thermischer Energie durch neue Zuflüsse und Wärmegewinne aus dem Erdreich bald wieder auf das vorherige Niveau steigt. Doch wie lang die Erholungsstrecke zwischen zwei Wärmetauschern sein muss, wisse man nicht, berichtet Stockinger: „Dazu gibt es bislang keine Untersuchungen.“

Energie aus dem Hafenbecken

Wärmetauscher werden auch eingesetzt, um den zweiten „schlafenden Riesen“ der Wärmewende zu wecken: die im Wasser von Flüssen und Seen enthaltene thermische Energie. Um damit ein großes Gebäude oder gar ein ganzes Quartier zu beheizen, werden unter anderem sogenannte Energiespundwände genutzt, die am Ufer oder in einem Hafenbecken als Befestigung in den Boden getrieben werden und zusätzlich dem Wasser Wärme entziehen. Spundwand und Wärmepumpe verbindet ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert. Es transportiert die vom Wärmetauscher gewonnene thermische Energie zur Wärmepumpe, die diese auf Heizniveau pumpt. Das lohnt sich selbst im Winter, wenn Flusswasser im Mittel sechs Grad Celsius kalt ist und Seewasser acht Grad Celsius hat. Moderne Wärmepumpen kommen auch mit derart niedrigen Temperaturen klar.

Das innovative Konzept wird gerade vor den Toren von Leipzig realisiert. Am Nordufer des Hainer Sees, einem rund 600 Hektar großen Restlochsee des ehemaligen Braunkohletagebaus Witznitz II, entsteht zurzeit ein Feriendorf mit 34 Appartements, einem Verwaltungsgebäude, einem Wassersportzentrum sowie mit Cafés und Kleingewerbe. Insgesamt sind 4.400 Quadratmeter zu beheizen und teilweise auch zu kühlen. Die thermische Energie dafür liefern sechs unter einem Bootssteg im Jachthafen montierte Wärmetauscher an die zentrale Wärmepumpenanlage des Feriendorfs. Die Betreiber rechnen mit einem zu deckenden Jahreswärmebedarf von insgesamt 400 Megawattstunden.

Anders macht es der Berliner Energieversorger BTB, der unter anderem das Heizkraftwerk im Stadtteil Schöneweide betreibt. Das nutzt als Brennstoff Steinkohle. Doch damit ist bald Schluss. Künftig soll die Wärme aus der vorbeifließenden Spree geschöpft werden. Dazu installiert BTB zwei mächtige Großwärmepumpen – jede davon 42 Meter lang, 5 Meter breit und 42 Tonnen schwer. Sie liefern aus dem Flusswasser Energie für das angeschlossene Fernwärmenetz.

Ein Vorbild für viele Kommunen

Dem Berliner Beispiel könnten bald auch viele andere Kommunen folgen, unter anderem in Bayern. Dost hat die Forschungsstelle für Energiewirtschaft mit Sitz in München kürzlich abgeschätzt, wie groß das Potenzial der Wärmegewinnung aus Flüssen in Bayern ist. Das Ergebnis der Studie: Rund ein Fünftel aller Kommunen, insbesondere entlang der großen Flüsse, könnten damit den Löwenanteil ihres Wärmebedarfs decken. Würden Wärmepumpen sämtliche geeigneten Bäche und Flüsse um 1,5 Grad Celsius abkühlen, ergäbe sich demnach ein theoretisches Energiepotenzial von über 170 Terawattstunden – genug, um in ganz Bayern alle Haushalte und das gesamte Gewerbe mit Wärme zu versorgen.

Ein Manko: Nutzt man Oberflächengewässer als Wärmequelle, greift man zugleich in ökologische Zusammenhänge ein. Vor der Installation eines Wärmetauschers ist vor allem zu klären, wie sich die Abkühlung auf die Tier- und Pflanzenwelt des betroffenen Gewässers auswirkt. In einem Fluss seien bei begrenztem Wärmeentzug kaum negative Folgen zu befürchten, versichert Jessika Gappisch vom Lehrstuhl Wasserbau und Hydraulik der Technischen Universität Darmstadt: „Zwar kann sich die durch das Einleiten des abgekühlten Wassers verursachte Temperaturfahne über mehrere Kilometer halten“, erläutert die Wissenschaftlerin, „doch da sich das Wasser ständig erneuert und durchmischt, wird der Temperaturhaushalt des Flusses insgesamt kaum gestört.“

Komplexe Schichtung des Wassers

Anders hingegen ist die Situation in stehenden Gewässern. Dort schichtet sich das Wasser aufgrund von Dichteunterschieden in verschiedene Temperaturzonen. Im Sommer wird das Oberflächenwasser von der Sonne erwärmt und dadurch leichter. Den Übergang zum kühlen und schweren Tiefenwasser bildet die sogenannte Sprungschicht, in der die Temperatur stark abfällt. In der tiefen Zone ist das Wasser nur vier Grad Celsius warm. Die Sprungschicht trennt die tiefe von der oberflächennahen Schicht – es findet keinerlei Austausch von Sauerstoff oder Nährstoffen statt.

Im Herbst kühlt das Oberflächenwasser ab und wird schwerer. Dadurch löst sich die starre Sommerschichtung auf und es kommt zur sogenannten Herbstzirkulation. Sauerstoffreiches Wasser von der Oberfläche mischt sich mit nährstoffreichem, aber sauerstoffarmem aus der Tiefe. Im Winter, wenn sich das Wasser weiter abkühlt und der See zufriert, hat die obere Wasserschicht um die null Grad Celsius. Die darunterliegende Tiefenschicht ist dagegen gleichmäßig vier Grad Celsius warm – denn bei dieser Temperatur hat Wasser die höchste Dichte und ist am schwersten. Im Frühjahr, wenn das Eis schmilzt und sich das Oberflächenwasser erwärmt, kommt es zur Frühjahrszirkulation und die beiden Schichten vermischen sich wieder.

Je nachdem, in welcher Tiefe man das von Wärmepumpen abgekühlte Wasser einleitet und welche Temperatur es dann hat, wird die Wasserschichtung im See mehr oder weniger gestört. Möglicherweise werden dadurch Sauerstoff- und Nährstoffhaushalt eines Stillgewässers beeinträchtigt, was wiederum Auswirkungen auf die dort lebenden aquatischen Pflanzen- und Tiergemeinschaften haben könnte. In einer Studie im Auftrag der Innovationsregion Mitteldeutschland, zu der sich Kommunen, Unternehmen und Forschungsinstitute aus Sachsen, Thüringen und Sachsen-Anhalt zusammengetan haben, heißt es aber, dass Temperaturänderungen von weniger als einem Grad unbedenklich seien, sofern das Wasser noch mindestens sechs Milligramm Sauerstoff pro Liter enthalte.

Entlastung für die Gewässer

Tendenziell entlaste der Wärmeentzug durch aquathermische Anlagen die Gewässer sogar, meint Jessika Gappisch: „Eine geringe Abkühlung wirkt dem Klimawandel entgegen.“ Tatsächlich haben sich die Flüsse und Seen in Deutschland in den letzten 30 Jahren „signifikant erwärmt“, stellt das Umweltbundesamt in seinem Monitoringbericht 2023 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel fest. Dadurch verschlechtern sich die Lebensbedingungen der aquatischen Pflanzen- und Tierwelt. Insbesondere kälteliebende Fischarten wie Renke, Forelle oder Saibling, die auf sauerstoffreiches Wasser angewiesen sind, geraten in Bedrängnis. Denn je wärmer Wasser wird, desto weniger Sauerstoff löst sich darin.

Demnach kommt eine Wärmegewinnung aus Flüssen und Seen sowohl der Natur als auch der Zivilisation zugute. Zumal Wasser auf Temperaturänderungen träge reagiert und es im Winter, wenn der Heizwärmebedarf am höchsten ist, weit wärmer ist als die Luft. Hinzu kommt, dass Wasser eine hohe Energiedichte hat. Seine spezifische Wärmekapazität – also die Fähigkeit, Energie zu speichern oder abzugeben –, bezogen auf ein Kilogramm, beträgt 4,2 Kilojoule pro Grad Erwärmung oder Abkühlung. Zum Vergleich: Die Luft bringt es lediglich auf eine spezifische Wärmekapazität von einem Kilojoule. „Deshalb gewinnt eine Wärmepumpe viermal so viel thermische Energie aus einem Kilogramm Wasser wie aus einem Kilogramm Luft“, erläutert Jessika Gappisch.

Effizienz-Plus bei Wärmepumpen

Zu berücksichtigen sei zudem der Dichteunterschied der beiden Stoffe, also das Verhältnis von Masse zu Volumen: Während ein Kilogramm Wasser ein Volumen von einem Liter einnimmt, sind es bei Luft ganze 1.000 Liter. Aus diesem Grund sind Wasser-Wärmepumpen um ein Vielfaches effizienter als übliche Luft-Wärmepumpen, die in Deutschland den Markt beherrschen: ein klarer Pluspunkt, der auch für Abwasser-Wärmepumpen gilt.

Im Vergleich zu oberflächennaher Geothermie mit Bohrsonden hat Aquathermie aus Gewässern oder Abwasser den Vorteil weitaus geringerer Investitionskosten, denn teure Bohrarbeiten sind unnötig. Generell bietet Aquathermie eine hohe Leistungsdichte bei geringem Flächenbedarf. Anlagen an Flüssen und Seen ließen sich oftmals in bereits bestehende Bauwerke integrieren, sagt Wasserbau-Expertin Gappisch: „Man kann beispielsweise ehemalige Mühlkanäle oder Standorte der Wasserkraft nutzen, aber auch die Kühlwasserleitungen stillgelegter fossiler Kraftwerke.“ Das würde den Eingriff in die Natur möglichst gering halten und überdies Flüsse, Seen und ihre Uferbereiche schonen.

Mit Aquathermie aus Oberflächengewässern und dem Kanalnetz, die sich in Skandinavien, der Schweiz und den Niederlanden bereits etabliert hat, könnte auch die Wärmewende in Deutschland einen kräftigen Schub bekommen. Ihr bestechender Vorteil: „Man nutzt dafür Wärme, die ohnehin zur Verfügung steht“, sagt die Darmstädter Wissenschaftlerin. Und die Wärme ist dazu noch kostenlos.