Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser

V LEITFADEN Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Christian Seidel Lars Ostermann Jens Clausen Seite II IMPRESSUM AUTOREN Christian Seidel, TU Braunschweig, [email protected] Dr. Lars Ostermann, TU Braunschweig Dr. Jens Clausen, Borderstep Institut, [email protected] HERAUSGEBER Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit gemeinnützige GmbH Fabeckstraße 62 │ 14195 Berlin │ +49 (0)30 306 45 100-1 │ www.borderstep.de ZITIERVORSCHLAG Seidel, C., Ostermann, L. & Clausen, J. (2025). Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser. Berlin: Borderstep Institut. TITELBILD Foto von Wolfgang Weiser auf Unsplash Seite III INHALTSVERZEICHNIS Impressum........................................................................................................................ II Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ III 1 Wie können wir mit Flusswasser heizen? .......................................................................1 2 Wie groß sind die Potenziale? ........................................................................................2 3 Wie lässt sich das lokale Potenzial abschätzen? .............................................................5 4 Ökologische Auswirkungen und Aspekte der Genehmigung ...........................................7 4.1 Temperatur des Flusswassers..................................................................................................... 7 4.2 Umfang der Flusswasserentnahme ............................................................................................ 8 4.3 Kältemittel .................................................................................................................................. 9 4.4 Der Genehmigungsprozess ....................................................................................................... 10 5 Günstige Standorte für Flusswasserwärmepumpen ..................................................... 12 5.1 Nutzung vorhandener wasserbaulicher Anlagen ..................................................................... 12 5.2 Nutzung von Wasserkraftanlagen ............................................................................................ 13 6 Realisierte Flusswasserwärmepumpen ........................................................................ 14 6.1 Wärmepumpe an der Bega in Lemgo ....................................................................................... 14 6.2 Wärmepumpe am Mühlbach in Rosenheim ............................................................................ 16 6.3 Wärmepumpe am Rhein in Mannheim .................................................................................... 16 7 Flusswasserwärme in die Wärmeplanung einbringen ................................................... 18 Quellen ............................................................................................................................ 19 Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 1 1 Wie können wir mit Flusswasser heizen? Mit über 400.000 km Gesamtlänge sind Fließgewässer in Deutschland flächendeckend vorhanden und über alle Bundesländer verhältnismäßig gleich verteilt. Auf jedem Quadratkilometer Fläche gibt es in Deutschland im Mittel deutlich mehr als 1.100 Meter Flüsse und Bäche. Fast jede Stadt und jedes Dorf wurden in Deutschland an oder in der Nähe von Gewässern errichtet, um die Wasserversorgung zu ermöglichen. So werden auch heute noch alle diese Ortschaften von einem oder mehreren Fließgewässern durchflossen. Eine energetische Nutzung dieser fast überall vorhandenen, gut erschließbaren, kostengünstigen und leistungsstarken Umweltwärmequelle bietet sich damit für die kommunale Wärmeversorgung an. Um Flusswasser als Wärmequelle nutzen zu können, muss es dem Fluss entnommen werden, um einen Wärmetauscher zu passieren. Dieser Wärmetauscher überträgt einen Teil der Wärme des Flusswassers an das Kältemittel einer Wärmepumpe, wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Abbildung 1: Gewinnung von Flusswasserwärme Quelle: Veränderte Darstellung nach Bürgerbegehren Klimaschutz (2023) Die Wärmepumpe erhitzt mit der aus dem Fließgewässer gewonnenen Wärmemenge und mit Hilfe des Antriebsstroms das Heizwasser eines Fernoder Nahwärmesystems. Die Heizenergie setzt sich dabei aus der Umweltwärme und der eingesetzten elektrischen Energie zusammen. Der eingesetzte Strom geht also nicht verloren. Hat das Wärmenetz eine niedrige Vorlauftemperatur von z.B. 65 °C kann dabei etwa 3,5-mal so viel Wärme gewonnen werden, wie Strom verbraucht wird. Ist die Vorlauftemperatur höher, z.B. 95 °C, dann wird nur etwa 2,5-mal so viel Wärme gewonnen, wie Strom verbraucht wird. Bei noch geringeren Vorlauftemperaturen von 35 °C bis 55 °C steigert sich die Effizienz von eingesetztem Strom zur gewonnenen Wärme weiter. Für den Betrieb einer Flusswasserwärmepumpe werden benötigt: ein hinreichend großes Wärmepotenzial des Gewässers (Kapitel 2 und 3), eine wasserrechtliche Genehmigung für den Bau einer solchen Anlage (Kapitel 4), ein Wärmenetz für die Verteilung der Wärme, ein Bauplatz für die Wärmepumpe (Kapitel 5) sowie ein Entnahmeund Wiedereinleitungsbauwerk, Rechenanlage und Wärmetauscher. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 2 2 Wie groß sind die Potenziale? Flüsse wurden über viele Jahrzehnte dazu genutzt, die Abwärme aus thermischen Kraftwerken, also Kohlekraftwerken und Kernkraftwerken, aber auch aus Industrieund Gewerbeproduktionsprozessen abzutransportieren. Das hat die Flüsse stark beeinträchtigt. Infolge der Abwärme stieg die Gewässertemperatur maßgeblich, was besonders im Sommerhalbjahr auf Grund der abnehmenden Sauerstoffkonzentration zu starken Beeinträchtigungen führte. Die Möglichkeit, Flüssen Wärme zu entziehen, wurde dagegen kaum untersucht, weil die niedrigen Preise für Kohle, Erdgas und Heizöl andere Lösungen aufwendig und teuer erscheinen ließen. Heute ist dies anders und zudem werden die Flüsse aufgrund des Klimawandels langsam wärmer. Jedes Jahrzehnt erhöht sich ihre Temperatur um fast ein halbes Kelvin bzw. halbes °C, siehe Abbildung 2. Ihnen Wärme zu entziehen, wird daher auch als wünschenswerte Klimaanpassung bewertet und kann anteilig die Klima bedingte Erwärmung der Fließgewässer in Deutschland rückgängig machen. Abbildung 2: Entwicklung der Wassertemperaturen in Rhein, Elbe und Lech Quelle: Seidel & Ostermann (2024). Die Fließgewässer in Deutschland weisen ein gewaltiges Wärmepotenzial auf. Die Wärmeentnahme kann mit hohen Leistungen und über lange Zeit erfolgen, so dass sehr große Wärmemengen gewonnen werden können. Bei einer Temperaturabsenkung der Fließgewässer von nur 2 K, d.h. um 2 °C, ergibt sich eine Wärmeleistung von ca. 50 GW bei einer Einmalentnahme und von ca. 100 GW bei einer Zweimalentnahme der Wärme (Seidel & Ostermann, 2024). Eine Zweimalentnahme ist möglich, weil sich Flüsse von der Quelle bis zur Mündung im Allgemeinen um 2 bis 3 K, d.h. um 2 bis 3 °C, aufwärmen. Fließgewässer stellen dabei riesige Flächenwärmetauscher dar, die in Interaktion mit der Umwelt große Wärmemengen aus dieser aufnehmen und speichern können. Das Wärmepotenzial für das Gesamtjahr liegt bei einer Einmalentnahme der Wärmemenge bei einem Temperaturentzug von 2 K bei ca. 430 TWh/a und bei einer Zweimalentnahme bei ca. 860 TWh/a. Wird diese Wärmemenge mit Wärmepumpen und einer Jahresarbeitszahl von 2,5 genutzt, erhöht sich die Nutzwärme nach der Wärmepumpe auf ca. 710 TWh/a bei einer Einmalentnahme und ca. 1.400 TWh/a bei einer Zweimalentnahme. Die Größe dieser Menge lässt sich bewerten, wenn man mit dem Erdgasverbrauch der privaten Haushalte und des Gewerbe-, Handelsund Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 3 Dienstleistungssektors (GHD) vergleicht, die zusammen in 2022 eine Erdgasmenge von 352 TWh verbraucht haben (AG Energiebilanzen, 2023). Im Gegensatz zu den durchaus begrenzten Holzund Wasserstoffmengen (Clausen, Seifert & Huber, 2024) handelt es sich bei der Wärme im Flusswasser um eine Energiequelle, die zunächst einmal in großen Mengen verfügbar ist. Und da Flüsse und Bäche überall im Land fließen, ist der Zugriff auch in vielen Ortschaften möglich und sinnvoll, sowohl wirtschaftlich, technisch und aus Versorgungssicht sowie auch unter ökologischen Aspekten. Abbildung 3: Mittlerer Durchfluss und Durchflussvariabilität der Fließgewässer in Deutschland Quelle: Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) (2025) Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 4 Grundlage für die Ermittlung des Wärmepotenzials ist der Durchfluss eines Fließgewässers. Der Durchfluss bezeichnet dabei den Volumenstrom eines Fließgewässers, d.h. die zeitabhängig einen Pegel passierende Wassermenge. Abflusskenngrößen sind statistische über mehrere Jahre gemittelte Werte. Die Durchflussvariabilität eines Fließgewässers berechnet sich aus dem Quotienten des mittleren höchsten Abfluss MHQ und des mittleren Niedrigwasserabflusses MNQ im betrachteten Zeitraum. Sie ist daher ein Maß dafür, wie konstant Flusswasser bei vollständiger Erschließung des Flusswärmepotenzials für die Wärmepumpe zur Verfügung steht. Der mittlere Abfluss MQ gibt dahingegen den gesamten über einen Zeitraum im Mittel zur Verfügung stehenden Durchfluss eines Fließgewässers an und wird zur Berechnung des gesamten nutzbaren Wärmepotenzials des Fließgewässers benötigt. Mit dem mittleren Abfluss des Winterhalbjahres kann das nutzbare Wärmepotenzial in der Heizperiode berechnet werden. Mit dem mittleren Abfluss des Sommerhalbjahres lässt sich das zur Verfügung stehende Wärmepotenzial für die Grundlastversorgung zur Warmwasserbereitstellung, zur Bereitstellung von Prozesswärme im Niedertemperaturbereich unter 100 °C oder für die permanente Raumwärmebereitstellung ermitteln. Abbildung 3 zeigt den mittleren Durchfluss MQ und die Durchflussvariabilität MHQ/MNQ verschiedener Fließgewässer in Deutschland. Die Abbildung verdeutlicht darüber hinaus die gleichmäßige Verteilung der Fließgewässer in Deutschland unter Ausprägung von großen Hauptgewässern mit einer Vielzahl von Nebengewässern, die sich jeweils zu einem Flusssystem formieren. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 5 3 Wie lässt sich das lokale Potenzial abschätzen? Bei einer Temperaturabsenkung des Fließgewässers von 2 bis 3 K bzw. 2 bis 3 °C ergibt sich für eine überschlägige Abschätzung eine Wärmeleistung bei einem Abfluss von 10 l/s von 100 bis 150 kW. Bei einem Abfluss von 100 l/s liegt die Wärmeleistung des Fließgewässers bereits bei 1 MW bis 1,5 MW und bei einem Abfluss von 1 m³/s bei 10 bis 15 MW (Seidel & Ostermann, 2024). Auch die kleinen Fließgewässer können also bereits beachtliche Wärmeleistungen bereitstellen und einen wichtigen Beitrag zur Versorgung von Quartieren und Kommunen liefern. Aber wie lässt sich zumindest grob abschätzen, wie hoch das Wärmepotenzial eines Flusses an einem bestimmten Ort sein könnte? Wir nutzen dazu als Beispiel die Stadt Diepholz in Niedersachsen mit dem Fluss Hunte. (1) Auf der Website des „Gewässerkundlichen Jahrbuchs“ (LUBW Landesanstalt für Umwelt BadenWürttemberg, 2024) ist in der Nähe von Diepholz der Pegel „Hoopen OP“ an der Hunte zu finden. (2) Auf der gleichen Website stehen unter dem Menüpunkt „historische gewässerkundliche Jahrbücher“ umfangreiche Datenbände für zehn große Wassereinzugsgebiete zur Verfügung. Da die Hunte dem „Weserund Emsgebiet“ zuzuordnen ist, wird der neueste Band für dieses Gebiet heruntergeladen (Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küstenund Naturschutz, 2018). (3) Daten zum Pegel „Hoopen OP“ an der Hunte finden sich auf Seite 209. Von Bedeutung ist das langjährige Mittel (1965 bis 2015) des mittleren Abflusses (MQ) im Winter, also während der Heizsaison. Hier gibt das Jahrbuch für das Weser-Ems Gebiet 9,26 m3/s an. Abbildung 4: Ausschnitt der Daten zum Pegel Hoopen OP an der Hunte Quelle: Niedersächsischer Landesbetrieb für & Wasserwirtschaft, Küstenund Naturschutz (2018) (4) Durch einen einfachen Dreisatz lässt sich die thermische Entzugsleistung für die Heizperiode aus dem oben beschriebenen Zusammenhang bei einer Temperaturabsenkung um 2 K bzw. °C mit rund 10 MW/(m³/s) zu 92,6 MW für den ermittelten Durchfluss in der Stadt Diepholz und nach Multiplikation mit der Stundenzahl der Heizperiode mit 212 Tagen (1. Oktober bis 30. April) von 5.088 h das Wärmepotenzial für die Heizperiode errechnen. Das Wärmepotenzial für das Gesamtjahr mit der Jahresstundenzahl von 8.760 h/a wird aus dem mittleren Durchfluss des Gesamtjahres mit 6,16 m³/s und einer Entzugsleistung von 62 MW berechnet. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 6 Die 92,6 MW beziehen sich auf die Leistung, die dem gesamten Flusswasser im Winter entnommen werden kann. Bei einer Direktentnahme aus dem Fließgewässer ohne Nutzung von bestehenden wasserbaulichen Infrastrukturen wie z.B. Wasserkraftanlagen, die i.a. den gesamten Durchfluss eines Fließgewässers verarbeiten dürfen, wird in der Regel nur ein Teil des Wassers den Wärmetauscher durchströmen. In Rosenheim begrenzt z.B. die Genehmigung diesen Wert auf 25 % des maximalen Durchflusses (Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V., 2024). Wird dieser Wert beispielhaft auch an der Hunte angesetzt, reduziert sich die mögliche Leistung der Entnahme von Wärme aus dem Flusswasser auf 23 MW. Der thermisch nicht genutzte Durchfluss steht dann an weiteren Entnahmestellen entsprechend den Vorgaben der Genehmigungsbehörde zur Verfügung bis 100 % des Gesamtwärmepotenzials im Rahmen der möglichen Temperaturspreizung erschlossen sind. Hinzu kommt die Wärmemenge, die der Fluss auf seinem weiteren Lauf aus der Umgebung wieder aufnimmt. Unter Annahme einer Netzvorlauftemperatur von 95 °C und damit in Anlehnung an Briddigkeit (2024) einer Arbeitszahl von ca. 2,5 würde dem Wärmenetz eine Wärmeleistung von 38 MW zur Verfügung stehen; 23 MW Umweltwärme aus dem Fluss und 15 MW elektrische Antriebsleistung der Wärmepumpe. Würde diese Anlage in der Mittellast mit ca. 4.000 Einsatzstunden pro Jahr betrieben, würde sie eine Wärmemenge von ca. 150 GWh liefern. Diepholz hat ca. 19.000 Einwohnende. Verbraucht jede dieser Personen die dem bundesdeutschen Durchschnitt entsprechende Menge an Heizenergie von 6.200 kWh/a ergibt sich ein Gesamtverbrauch von ca. 120 GWh (Statistisches Bundesamt, 2022). Theoretisch könnte eine Flusswasserwärmepumpe damit im Jahr mehr Wärme erzeugen als die Wohnungen in Diepholz insgesamt benötigen. Als Vollversorgung ist bei dem Beispiel für Diepholz eine solche Anlage aber aus mehreren Gründen nur begrenzt geeignet: Gewerbliche und industrielle Heizenergiebedarfe kommen noch hinzu, so dass der Anteil an der Deckung des Gesamtbedarfs niedriger ausfallen wird. Es wäre zu teuer, eine Wärmepumpenanlage auf die erforderliche winterliche Spitzenlast auszulegen. Ein funktionaler Wärmemix würde also noch elektrische oder brennstoffbetriebene Spitzenlastkessel oder größere Wärmespeicher erfordern. Dennoch ist festzuhalten, dass die Nutzung von Flusswasserwärme in Diepholz, sollte dort ein größeres Wärmenetz entstehen, aller Voraussicht nach einen erheblichen Anteil der Versorgung mit Grundoder Mittelast leisten könnte. Die Nutzung einer Flusswasserwärmepumpe für die Grundlast ist dabei besonders anzustreben. Denn gerade im Sommer sind Flüsse besonders warm und würden hier von einer Wärmeentnahme besonders profitieren. Ebenso ist die durchgehende Abkühlung der Fließgewässer im Winterhalbjahr von Bedeutung, um den auch hier erfolgten Anstieg der Wassertemperaturen infolge des Klimawandels auszugleichen. Wird ein Wärmenetz neu geplant, dann hat dies Auswirkungen auf die Wahl anderer Wärmeerzeuger, die mit der Wärmepumpe kombiniert werden sollen. Das hier beschriebene Verfahren zur Abschätzung des Potenzials ist grob und mit Unsicherheiten behaftet. Dennoch kann durch diese Abschätzung Klarheit darüber gewonnen werden, ob eine professionelle Untersuchung des real nutzbaren Potenzials durch einschlägige Fachleute erfolgen sollte. Ist das lokale Gewässer in den verfügbaren Gewässerkundlichen Jahrbüchern nicht verzeichnet, kann die lokale untere Wasserbehörde ggf. Auskunft geben oder das Hinzuziehen von entsprechenden Fachleuten auf dem Gebiet der Fließgewässerwärmenutzung empfehlenswert sein. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 13 Die Standortsuche für eine Flusswasserwärmepumpe beginnt also damit, die vorhandenen wasserbaulichen Anlagen zu erfassen und zu bewerten. 5.2 Nutzung von Wasserkraftanlagen Vorhandene Wasserkraftanlagen bieten mögliche Synergien für die Gewinnung von Flusswasserwärme. Denn gerade an kleinen und mittleren Gewässern existieren teils seit Jahrhunderten historische Altstandorte traditioneller Wassermühlen und Wasserkraft nutzender Fabriken wie z.B. Hammerwerke, Textilfabriken, Papiermühlen etc.. Diese Anlagen können einen wesentlichen Beitrag für die zukünftige Wärmeversorgung liefern. Die an diesen Standorten vorliegenden mechanischen Leistungen zur Elektrizitätsgewinnung, typischer Weise von 3 bis 200 kW, weisen bei Nutzung des Durchflusses auch zur Wärmegewinnung zusätzlich Wärmeleistungen im Bereich von 1 MW bis 100 MW auf (Seidel & Ostermann, 2024). Dort, wo eine stromerzeugende Wasserkraftanlage nur wenige Kilowatt elektrische Leistung gewinnt, kann ein Vielfaches dieser Energie als Wärme gewonnen werden. Auch alle anderen Wasserkraftanlagen bieten Synergiepotenziale. Die Wasserentnahme ist bei Wasserkraftanlagen bereits genehmigt. Die thermische Nutzung des Kraftwerkausbaudurchflusses stellt i.a. nur eine Erweiterung der Genehmigung zur Wasserkraftnutzung dar und kann bei vielen vorliegenden Genehmigungen bereits durch die erteilten Rechte abgebildet sein, was ggf. im Einzelfall zu prüfen ist. Wasserkraftanlagen verfügen zudem bereits über Einund Auslaufbauwerke, Rechenanlagen und Fischwanderhilfen. Zudem existiert ein umfangreiches Fachwissen, um die ökologische Durchgängigkeit an einem Standort für Wasserkraftanlagen sicherzustellen. Die zusätzliche Gewinnung der Fließgewässerwärme bietet sich neben der elektrischen Energiegewinnung bei Wasserkraftwerken daher besonders an. Auch weisen Wasserkraftanlagen durch ihre historische Nutzung als große Mühlenbetriebe oder Fabriken oft ausreichend Bauplatz für die Errichtung einer Flusswärmepumpe auf. Vorteilhaft ist hier ebenfalls, dass die Wärmepumpe zumindest anteilig mit dem im Wasserkraftwerk erzeugten Strom betrieben werden kann. Da der Verbrauch auf dem gleichen Grundstück stattfindet, gilt der Strom als Eigenverbrauch und ist besonders günstig, da das Stromnetzentgelt nicht gezahlt werden muss (erneuerbare.tv, 2021). An Standorten von Wasserkraftwerken ist bauartbedingt auch die thermische Nutzung von 100 % des Durchflusses möglich. Bei Nutzung von 100 % des Durchflusses ist allerdings zu beachten, dass nur eine reduzierte Abkühlung des Durchflusses um 1,5 bis 3 °C möglich ist, da diese sich letztlich 1:1 auf die Temperatur des Gewässers auswirkt. Um Kältebarrieren auszuschließen, ist eine gute Durchmischung der Wassertemperatur im Volumenstrom zu ermöglichen. Wasserkraftanlagen können dabei durch die Turbinierung bzw. die Kraftwerksauströmung für eine optimale Durchmischung des abgekühlten Wassers und damit für eine gleichmäßige Abkühlung des Gewässerabschnittes sorgen, was ökologisch gewünscht ist. Durch die bestehende Fragmentierung des Gewässerabschnittes durch die Wehranlage ist diese Möglichkeit besonders geeignet, um Gewässer abschnittsweise herunterzukühlen. Nicht nur die in Betrieb befindlichen Wasserkraftanlagen, sondern auch die Reaktivierung von Altanlagen oder der Neubau an bestehenden Querbauwerken und Wehren eignen sich für die Errichtung von kombinierten Wasser-Wärmekraftwerken. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 14 6 Realisierte Flusswasserwärmepumpen Die Studie „Rollout von Großwärmepumpen“ (Agora Energiewende & Fraunhofer IEG, 2023) dokumentiert 2023 zwei in Betrieb und weitere ca. zehn im Planungsstadium befindliche Flusswärmepumpenprojekte. Schon zwei Jahre später, Anfang 2025, listet das Großwärmepumpen-Infoportal (LEA, 2025) neben fünf in Betrieb befindlichen Anlagen vier weitere in Bau, elf in Planung sowie elf weitere angekündigte Anlagen auf. Drei dieser Projekte werden im Folgenden kurz beschrieben. Neben den in der Studie der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (2024) erwähnten Projekten Rosenheim und Mannheim wird hier die Anlage in Lemgo vorgestellt. Mit Leistungen von 1 MW in Lemgo, 4,5 MW in Rosenheim und 20,5 MW in Mannheim decken die drei Beispiele das Spektrum der in kleinen und mittleren Ortschaften oder für die Versorgung von Stadtteilen oder Quartieren interessanten Leistungsklassen ab. 6.1 Wärmepumpe an der Bega in Lemgo Seit 2022 ist in Lemgo eine Flusswasserwärmepumpe in Betrieb. Die Anlage entzieht dem Flüsschen Bega Wärme und ist Teil einer sogenannten iKWK-Anlage. Neben drei 2,5 MW Erdgas-BHKWs, einer 5,2 MW Solarthermieanlage und einer zweistufigen Wärmepumpenanlage am Klärwerk trägt die Flusswasserwärmepumpe so zur Versorgung der Fernwärme in Lemgo mit regenerativer Wärme bei (erneuerbare.tv, 2021). Die Wärmepumpe „AGO Calora“ nutzt Flusswasser und erreicht durch den eigens entwickelten zweistufigen Wärmepumpenprozess, welcher mit den natürlichen Arbeitsmedien Ammoniak/Wasser arbeitet, eine hohe Effizienz und bei Einsatz von Frühjahr bis Herbst eine Jahresarbeitszahl von ca. 3,0. Die Einspeisung in das Wärmenetz erfolgt mit 82 °C bis 95 °C (AGO, 2022). Der Einsatz dieser Wärmepumpe ist bei Wassertemperaturen ab ca. 6 °C an ca. 300 Tagen im Jahr möglich. Dabei hat es sich aus technischer Sicht bewährt, die Anlage über lange Zeiträume durchlaufen zu lassen und zur Grundund Mittellastbereitstellung zu nutzen (Weber, 2025). Tabelle 1: Kerndaten der Wärmepumpenanlage in Lemgo Wärmepumpe AGO Calora Wärmequelle Fluss Bega, Mindesttemperatur 6 °C, Abkühlung im Wärmetauscher um 3 bis 6 K. Thermische Leistung 1.000 kW Elektrische Leistung 334 kW Vorlauftemperatur 85 °C bis 95 °C Kältemittel 450 kg Ammoniak (R717, natürliche Kältemittel), Ammoniaksensor im Wasserablauf und schnell wirkendes Absperrventil Gewicht Ca. 30 t Geplante Betriebsstunden bis zu 7.000 h p.a. Erreichter COP 2,6 (Winter) bis 3,3 (Sommer), Jahresmittelwert ca. 3,0 Investitionsvolumen 2 Mio €, davon die Wärmepumpe ca.1 Mio. € Inbetriebnahme 2022 Quelle: Weber (2022, 2025), AGO (2022) Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 15 Die Stromversorgung der Wärmepumpe erfolgt aus dem Stromnetz, anders als bei der bereits in 2019 installierten Klärwasserwärmepumpe. Hier wurde neben Netzstrom auch Eigenstrom aus einem vorhanden 2 MW Erdgas-BHKW genutzt. Der etwa zwei Kilometer flussaufwärts von Lemgo gelegene Pegel Vossheide an der Bega (LUBW Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg, 2024) weist einen mittleren Abfluss (MQ) von 1,08 m3/s bzw. 1.080 l/s aus, was nach Seidel & Ostermann (2024) einem Wärmepotenzial von 10 MW bei einer Abkühlung um 2 K entspricht. Die Flusswasser-Wärmepumpe nutzt von diesem Potenzial ca. 40 bis 80 l/s, wie die Nachrechnung für die gegebenen Parameter ergibt, und damit ungefähr 7 bis 14 % des mittleren Durchflusses, bei hohen Durchflussmengen im Herbst deutlich weniger, da wesentlich mehr Wasser zur Verfügung steht als entnommen wird. Effektiv wird der Fluss im Sommer nur um wenige Zehntel Grad (laut Nachrechnung ca. 0,4 °C) abgekühlt. Im Frühjahr und Herbst, bei meist deutlich höherem Abfluss, ist die Abkühlung kaum messbar. Winterliche Hochwassersituationen führen in Lemgo dazu, dass das Einlaufbauwerk überschwemmt wird und Ablagerungen von Schlamm und Treibgut nach Sinken des Wasserstands entfernt werden müssen (Weber, 2025), was aber auch bei anderen wasserwirtschaftlichen Anlagen typisch ist. Ein Einlaufbauwerk musste für die Versorgung der Wärmepumpe mit Flusswasser neu errichtet werden (vgl. Abbildung 5). Ein Feinrechen als Horizontalrechen mit einem Stababstand von 1,5 cm dient dazu, Fische und Treibgut daran zu hindern, in den Wärmtauscher zu geraten. Eine vorgelagerte feste Tauchwand mit einer Länge von rund 3,7 m verhindert, dass bei sehr niedrigem Wasserstand noch Wasser entnommen werden kann (Weber, 2025). Abbildung 5: Neu gebautes Einlaufbauwerk an der Bega in Lemgo, Situation bei Niedrigwasser Quelle: Stadtwerke Lemgo Der Auslauf erfolgt über einen bereits bestehenden Regenwasserkanal und leitet das abgekühlte Wasser flussabwärts in die Bega ein. Sowohl die Errichtung des Einlaufbauwerks wie auch die Entnahme von Flusswasser für die Wärmepumpe bedurften einer Genehmigung durch die untere Wasserbehörde des Landkreises. Zur Behörde bestand bereits Kontakt. Sie wurde frühzeitig über die Planung informiert und reagierte auf die Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 16 Idee der Wärmeentnahme grundsätzlich positiv, da die ökologischen Probleme durch zu hohe Gewässertemperaturen bereits bekannt waren. Für die Genehmigung war die Erarbeitung eines Artenschutzfachbeitrags sowie einer Eingriffsbilanzierung erforderlich. Ziel war die Sicherstellung, dass Flora und Fauna durch die Wasserentnahme und die Abkühlung nicht gefährdet werden. Mit der Erstellung wurde ein Büro beauftragt, welches sowohl den Fluss Bega bereits gut kannte, aber auch bei den Behörden bekannt war. Dies erleichterte den Prozess und senkt auch die Kosten, da es weniger Aufwand für die Einarbeitung in die spezielle Lage vor Ort bedurfte. Letztlich entstand ein Dokument zur Eingriffsbilanzierung mit ca. 10 Seiten Text sowie drei Anlagen mit Fokus auf den Artenschutz mit zusammen etwa 20 Seiten Text. Die Kosten der Arbeiten betrugen ca. 5.000 €. 6.2 Wärmepumpe am Mühlbach in Rosenheim Die Stadtwerke Rosenheim GmbH & Co. KG haben 2021/2022 drei Großwärmepumpen in die Fernwärmeerzeugung des Müllheizkraftwerkes (MHKW) in Rosenheim integriert und nutzen dabei die Temperatur des benachbarten Mühlbaches. Jede einzelne Wärmepumpe stellt 1,5 MW Heizleistung bereit. Installiert wurden spezielle Geräte der Firma Johnson Controls: zweistufige Wärmepumpen mit Schraubenund Hubkolbenverdichter. Die drei Wärmepumpen schaffen Jahresarbeitszahlen von 2,5 bis 2,8 abhängig von der Last und den Temperaturschwankungen des Flusses. Die Vorlauftemperaturen betragen bis zu 88 °C und erwärmen den Rücklauf des Wärmenetzes zum Müllkraftwerk. Für die Wasserversorgung der Großwärmepumpen in Rosenheim konnte ein bestehendes Einlaufbauwerk mit Rechenanlage und ein gleichfalls bestehendes Auslaufbauwerk genutzt werden. Tabelle 2: Kerndaten der Wärmepumpenanlage in Rosenheim Wärmepumpe Johnson Controls SaBROE/NS-DualPAC Wärmequelle Flusswasser (Mühlbach), gerecht und gesiebt, Entnahmevolumenstrom für jede Wärmepumpe: 40 l/s, Abkühlung des Entnahmevolumenstroms: ΔT = 3-6 K, Minimale Rückführtemperatur: 1 °C, Temperaturveränderung des Gesamtflusses durch Wärmepumpenbetrieb: max. 0,5 K Thermische Leistung 3 mal 1.566 kW Elektrische Leistung 3 x 628 kW (Lastbereich: 40–100 Prozent) Vorlauftemperatur 88 °C Kältemittel R717 (Ammoniak, natürliches Kältemittel), ca. 3 x 260 kg Gewicht Ca. 19 t je Wärmepumpe Geplante Betriebsstunden Ca. 4.500 h p.a. COP 2,5 bis 2,8 Investitionsvolumen 3,8 Mio. € (Wärmepumpen), 8,5 Mio. € (inkl. Gebäude u. Anbindung) Inbetriebnahme Juni 2022 Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (2024) 6.3 Wärmepumpe am Rhein in Mannheim Für die Mannheimer MVV Energie AG ist grüne Wärme wichtig für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung. Ein wesentlicher Baustein dieser Dekarbonisierung ist die Nutzung der Wärme des Rheinwassers mit Wärmepumpen. Da die Kühlwasserinfrastruktur mit Einund Auslaufbauwerken und Kühlwasserpumpen am Standort des Großkraftwerks Mannheim bereits vorhanden war, musste baulich nicht in den Rhein bzw. das Rheinufer eingegriffen werden. Die für die Wärmepumpe Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 17 genutzte Wassermenge von 800 bis 1.000 l/s ist im Verhältnis zum Abfluss des Rheins so gering, dass eine Abkühlung des Rheins nicht messbar ist. Zudem ist gegenüber einer Wasserentnahme zu Kühlzwecken und der damit verbundenen Aufheizung des Rheinwassers eine Abkühlung für den im Zuge des Klimawandels immer wärmer werdenden Rhein vorteilhaft. Das Kältemittel R1234ze(E) mit einem GWP von 7 und mit Wassergefährdungsklasse 1 wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Vorsorglich wurde im Rahmen der Genehmigung abgestimmt, dass ein Kältemitteldetektionssystem installiert wird, das kleinste Kältemittelmengen im Wasser erkennen kann und bei Bedarf Alarm schlagen und ein sofortiges Abschalten der Anlage auslösen würde. Mit der Großwärmepumpe können ca. 3.500 Haushalte versorgt werden. Die Vorlauftemperaturen betragen 83 bis 99 °C Tabelle 3: Kerndaten der Wärmepumpenanlage in Mannheim Wärmepumpe Siemens Energy SHP 600 Wärmequelle Entnahmevolumenstrom für Wärmepumpe: 800–1.000 l/s, Abkühlung des Entnahmevolumenstroms: ΔT = 1,8–3,8 K, Minimale Rückführtemperatur: 1,2 °C, Temperatur Wärmequelle: 3–25 °C; während Heizperiode: 3–12 °C (Mindesttemperatur für Betrieb: 3 °C), Temperaturveränderung des Gesamtflusses durch Wärmepumpenbetrieb: sehr gering (kaum messbar, ca. 0,0006 K) Thermische Leistung 20,5 MW Elektrische Leistung 7 MW (Lastbereich: 65–100 Prozent) Vorlauftemperatur 83 °C bis 99 °C Kältemittel R1234ze(E) (HFO, synth. Kältemittel), ~12.000kg Gewicht 142 t Geplante Betriebsstunden Ca. 2.000 h p.a. COP 2,5–3,0 (JAZ geplant 2,7) Investitionsvolumen 15 Mio. € Inbetriebnahme Oktober 2023 Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (2024) In 2025 hat die MVV die Ausschreibungsphase für eine weitere, nochmals deutlich größere Flusswärmepumpen-Anlage mit 150 MW thermischer Leistung begonnen. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 18 7 Flusswasserwärme in die Wärmeplanung einbringen Um den Gedanken an die Nutzung von Flusswasser in die kommunale Wärmeplanung einzubringen, sind folgende Schritte erforderlich. Zunächst ist wichtig zu ermitteln, ob in der Kommune wesentliche Wärmemengen einem Gewässer entzogen werden können. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Fließgewässern, bei denen ständig neues Wasser nachfließt. Werden an dem Gewässer schon Flusswärmepumpen betrieben, sind hier ggf. bilanzielle Untersuchungen erforderlich, um die Abkühlung des Gewässer bewerten zu können und die Möglichkeiten der Wiedererwärmung des Gewässers zu untersuchen. Auch aus Kanälen und stehenden Gewässern kann grundsätzlich Wärme entzogen werden, aber die Berechnung der Kapazität ist hier komplizierter und sollte durch Fachleute erfolgen. In Fließgewässern kann das verfügbare Wärmepotenzial dagegen auf Basis öffentlicher Daten grob abgeschätzt werden. Ein Einstieg ist die Website des deutschen gewässerkundlichen Jahrbuchs www.dgj.de/. Hier lassen sich an großen und mittleren Gewässern Messdaten an den verschiedenen Pegeln finden. Grundsätzlich ist aber auch diesbezüglich das Hinzuziehen von Fachleuten sinnvoll. Kann auf diese Weise geklärt werden, dass ein wesentliches Potenzial zu vermuten ist, beginnt eine erste Suche nach einem geeigneten Standort für eine Flusswasserwärmepumpe. Hilfreich kann hier sein, nach bereits bestehenden wasserbaulichen Anlagen zu suchen. Diese kennen die Wasserbehörden (UWB), die regionalen Mühlenvereine und die Denkmalschutzbehörden bezüglich der historischen Wasserkraftanlagen, ggf. der Bundesverband deutscher Wasserkraftwerke (BDW) und die Abwasserbetriebe und Kläranlagenbetreiber ebenso wie der lokale Energieversorger bzgl. der Kühlwasserentnahme für den Kraftwerksbetrieb am besten. Ein Gespräch mit der unteren Wasserbehörde könnte hilfreich sein, bei dem die Ziele der kommunalen Wärmeplanung dargestellt werden und gemeinsam überlegt wird, ob im Gemeindegebiet mögliche Standorte bekannt sind. Dabei ist zu beachten, dass der mögliche Standort einer Flusswasserwärmepumpe nicht nur Zugang zum Flusswasser benötigt, sondern auch der Anschluss an das Nahoder Fernwärmenetz und an das Stromnetz hergestellt werden muss. Auch ist ein ausreichender Platzbedarf sicherzustellen, ggf. lassen sich hier aber auch geeignete konstruktive Lösungen finden, was dann jeweils vor Ort zu überlegen ist. Findet sich auf diese Weise ein möglicher Standort, muss im nächsten Schritt eine Vorplanung in Form einer Machbarkeitsstudie erfolgen. Hierfür müssen ggf. im Maßnahmenplan der kommunalen Wärmeplanung Mittel eingestellt werden. Zusammengefasst lassen sich also folgende wesentliche Schritte festhalten: (1) Zuerst ist z.B. im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung der Wärmebedarf festzustellen, (2) dann ist das Wärmepotenzial im Gewässer zu ermitteln (3) und anschließend erfolgt die Standortsuche. Vorhandene wasserbauliche Anlagen sind dabei der Ausgangspunkt der Standortsuche, denn wenn solche Anlagen genutzt werden können, ist vieles einfacher. Aber auch ein Neubau auf der „grünen Wiese“ ist möglich, wie er z.B. in Lemgo erfolgte. Eine Einführung in die Wärmegewinnung aus Flusswasser Seite 19 QUELLEN AG Energiebilanzen. (2023). Anwendungsbilanzen zur Energiebilanz Deutschland. Endenergieverbrauch nach Energieträgern und Anwendungszwecken 2021-2022. Berlin. Zugriff am 13.4.2024. 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