Deutschlands Flüsse, Seen und Abwassersysteme enthalten enorme Mengen nutzbarer Wärmeenergie. Während die Wärmewende nach geeigneten Wärmequellen sucht, rückt Aquathermie zunehmend in den Fokus von Kommunen, Energieversorgern und Planenden. Der Beitrag beleuchtet Potenziale, Anwendungsfelder und aktuelle Entwicklungen rund um die Nutzung von Wasserwärme.
Der Bereich der Aquathermie umfasst drei wesentliche Wasserwärmequellen:
Die verschiedenen Wasserwärmequellen unterscheiden sich vor allem hinsichtlich Verfügbarkeit, Temperaturniveau, Wasserqualität, Genehmigungsanforderungen und technischer Umsetzung.
Mit über 400.000 km Fließgewässernetz und mehr als 185 Milliarden m³ jährlichem mittlerem Abfluss sind im Bereich der Oberflächengewässer die Fließgewässer in Deutschland flächendeckend vorhanden und besitzen große Potenziale im Bereich der Wärmegewinnung für grüne Nah- und Fernwärme.
Aktuelle Untersuchungen des Instituts für Statik und Dynamik (ISD) der TU Braunschweig zeigen, dass allein im Bereich der Fließgewässer bei einem Temperaturentzug von 2 K ein Wärmepotenzial von 430,8 bis 861,5 TWh/a in Deutschland erschlossen werden kann. Dies entspricht bis zu 35,8 % des Endenergiebedarfs, bis zu 64 % des Wärmebedarfs und bis zu 94 % des Wärmebedarfs im Niedertemperaturbereich in Deutschland. Wird hierzu noch der Strom hinzugenommen, der für den Betrieb der Wärmepumpen benötigt wird und der ebenfalls als Wärme zur Verfügung steht, ergibt sich eine Heizenergie von 1.200 TWh/a. Vom Potenzial wäre dies ausreichend, den gesamten Wärmebedarf in Deutschland von 915 TWh/a für Raumwärme, Warmwasser und niedrige Prozesswärme im Bereich bis 100 °C zu decken.
In den durchgeführten Untersuchungen wurde auch das aquathermische Potenzial der Fließgewässer in den 80 deutschen Großstädten ausgewertet. 41 und damit 51 % davon können ihren gesamten Raumwärmebedarf für Haushalte, Industrie, Dienstleistung, Handel und Gewerbe zu 100 % und mehr aus den Fließgewässern decken. 58 Großstädte können ihren Raumwärmebedarf zu mindestens 50 % aus der Fließgewässerwärme generieren, was 73 % aller Großstädte darstellt. Nur zwei Städte weisen ein Fließgewässerwärmepotenzial von maximal 10 % der erforderlichen Raumwärmebereitstellung bei einer Einmalentnahme auf.
Da unsere Fließgewässer in Deutschland seit 1950 infolge des Klimawandels um 3 bis 4 K wärmer geworden sind, bietet der Wärmeentzug von 2 K für die Gewinnung grüner Nah- und Fernwärme eine optimale ökologische Gewässersanierungsmaßnahme und eine effiziente Klimafolgeanpassung.
Eine vielversprechende Möglichkeit ist die Flussthermie an Wasserkraftanlagen, da die Wasserkraftanlagen das Recht der Wasserentnahme für die energetische Nutzung besitzen, im Allgemeinen den vollständigen zur Verfügung stehenden Abfluss verarbeiten und eine Wärmeentnahme eine Erweiterung des bestehenden Rechtes darstellt. Darüber hinaus bestehen an den Wasserkraftanlagen die notwendigen Entnahmebauwerke, Rechenanlagen und Fischwanderhilfen, was die ökologische Durchgängigkeit sicherstellt und eine schnelle Umsetzung einer aquathermischen Nutzung ermöglicht. Der in den Anlagen erzeugte Strom kann anteilig für den Betrieb der Wärmepumpen genutzt werden. Da die Wasserkraftanlagen innerhalb der Städte und Dörfer liegen, können sie hier einen entscheidenden Beitrag zur kommunalen Wärmeversorgung liefern.
Für die 80 Großstädte wurde daher auch untersucht, welchen Beitrag die sich dort in Betrieb befindlichen Wasserkraftanlagen zur Wärmeversorgung leisten können. In 59 Städten sind derzeit noch 288 Wasserkraftanlagen in Betrieb. Es zeigt sich, dass alleine 33 der 59 Großstädte mit den vorhandenen Wasserkraftanlagen den benötigten Raumwärmebedarf für die Haushalte vollständig über den bereits genehmigten Ausbaudurchfluss der Wasserkraftanlagen decken könnten. 12 weitere Großstädte können 50 bis 100 % und 17 Städte bis zu 30 % ihres Raumwärmebedarfes aus den Wasserkraftanlagen gewinnen. 21 Großstädte haben derzeit keine in Betrieb befindlichen Wasserkraftanlagen, verfügen aber alle über geeignete Altstandorte, die grundsätzlich wieder reaktiviert werden können.
Die 288 untersuchten Wasserkraftanlagen in den 59 Großstädten können allein aus ihrem Ausbaudurchfluss 302 TWh/a Wärme bei einer thermischen Gesamtleistung von 60 GW bereitstellen. Das entspricht 45 % des Raumwärmebedarfs in Deutschland. Insgesamt gibt es in Deutschland 7.600 Wasserkraftanlagen in Betrieb, so dass hier ein Vielfaches an Fließgewässerwärme gewonnen werden kann.
Die Untersuchungen zeigen auch, dass schon kleine Wasserkraftanlagen mit einer elektrischen Leistung von 4 bis 10 kW große Wärmeleistungen von 1 bis 10 MW und mehr bereitstellen können und damit die Möglichkeiten besitzen, einen wichtigen Beitrag zur zukünftigen Wärmeversorgung der Kommunen zu leisten. Gerade diese traditionellen Mühlenstandorte sind in fast allen Städten und Dörfern vorhanden und liegen derzeit meist ungenutzt brach. Auch die Kühlwasserentnahmeanlagen thermischer Kraftwerke stellen geeignete Möglichkeiten für die Erschließung der Fließgewässerwärme dar. Weitere interessante Potenziale im Bereich der Oberflächengewässer bietet die Seethermie, die aber im Allgemeinen wesentlich kleinere Potenziale aufweist als die Flussthermie und die Meerthermie. Insgesamt lässt sich feststellen, dass Oberflächengewässer große Wärmepotenziale besitzen und insbesondere für größere Wärmenetze interessant sein können. Nach derzeitigem Stand des DBU-Projekts „Aquathermie-Viewer Deutschland“ der TU Darmstadt werden in Deutschland schon mindestens 110 Gewässerthermie-Anlagen betrieben. Mindestens 40 weitere Anlagen sind geplant, darunter auch einige Großprojekte zur Einspeisung in Fernwärmenetze.
Neben den Oberflächengewässern ist Abwasser ebenso wie Trinkwasser für die zukünftige Wärmegewinnung von Bedeutung. Besonders Abwasser besitzt oft relativ konstante Temperaturen und bietet deshalb ein großes Potenzial für die Wärmegewinnung im urbanen Raum. Die Temperaturen des Abwassers liegen so beispielsweise im Winter zwischen 10 und 15 °C, im Sommer bei 17 bis 20 °C. Bei Trinkwasser gelten dagegen strenge hygienische und technische Anforderungen. Abwasser besitzt in Deutschland ein Wärmepotenzial von 45 TWh/a und stellt damit ebenfalls eine wichtige Wärmequelle für die zukünftige Wärmeversorgung dar. Das grundsätzlich nutzbare Wärmepotenzial im Trinkwasserbereich wird in Deutschland auf 5 bis 7 TWh/a geschätzt. Aufgrund des hohen Bedarfs an geeigneten Wärmequellen für die Transformation des Wärmebereichs ist es erforderlich, alle verfügbaren Wärmequellen zu erfassen und die jeweils wirtschaftlich und technisch geeignetsten Quellen ökologisch verträglich zu erschließen. Aquathermie kann hier einen bedeutenden Beitrag zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung liefern.
