1. Was macht Wasser als Wärmequelle so interessant?
M.Sc. Jessika Gappisch: Wasser ist als Wärmequelle besonders interessant, weil es eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität besitzt – sie ist beispielsweise etwa viermal höher als die von Luft. Das bedeutet, dass Wasser große Mengen an Wärmeenergie speichern und transportieren kann.
Dipl.-Ing. Christian Seidel: Darüber hinaus hat Wasser im Vergleich zur Luft eine 800-mal höhere Dichte. Während 1 m³ Wasser 1.000 kg wiegt, beträgt die Masse von 1 m³ Luft lediglich 1,25 kg. Durch die große Dichte und die hohe Wärmekapazität besitzt 1 m³ Wasser bei gleicher Temperatur 3.000-mal mehr nutzbare Wärmeenergie als die gleiche Menge Luft. Wasser stellt daher eine besonders leistungsstarke Umweltwärmequelle dar und eignet sich besonders gut als stabile und effiziente Wärmequelle für Wärmepumpensysteme.
M.Sc. Jessika Gappisch: Ein weiterer Vorteil ist, dass Temperaturen von Gewässern im Winter oft höher und gleichzeitig konstanter sind als die Lufttemperaturen. Dadurch arbeiten Wärmepumpen effizienter, weil die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem geringer ist.
2. Welche Wasserwärmequellen eignen sich besonders gut für die Wärmegewinnung und wo liegen die Unterschiede?
M.Sc. Jessika Gappisch: Im Bereich der Aquathermie werden vor allem drei Wasserwärmequellen genutzt: Oberflächengewässer wie Flüsse, Seen und Meere sowie Abwasser und Trinkwasser. Grundwasser zählt dagegen meist zur Hydrothermie und wird dem Bereich der Geothermie zugeordnet.
Dipl.-Ing. Christian Seidel: Oberflächengewässer stellen natürliche Wärmequellen dar. Sie bieten häufig große Wärmepotenziale und können insbesondere für größere Wärmenetze interessant sein. Mit einem Gewässernetz von über 400.000 km sind z.B. Fließgewässer flächendeckend in Deutschland vorhanden und grundsätzlich für die kommunale Wärmeversorgung erschließbar. Die Nutzung hängt jedoch stark von den lokalen Bedingungen und wasserrechtlichen Vorgaben ab.
M.Sc. Jessika Gappisch: Trinkwasser und Abwasser gelten als anthropogene Wärmequellen, da ihre Wärme durch menschliche Nutzung entsteht. Besonders Abwasser weist oft relativ konstante Temperaturen auf und bietet deshalb ein großes Potenzial für die Wärmegewinnung im urbanen Raum. Bei Trinkwasser gelten dagegen besonders strenge hygienische und technische Anforderungen.
Die verschiedenen Wasserwärmequellen unterscheiden sich vor allem hinsichtlich Verfügbarkeit, Temperaturniveau, Wasserqualität, Genehmigungsanforderungen und technischer Umsetzung.
3. Welche technischen Voraussetzungen müssen für die Nutzung von Wasserwärme erfüllt sein?
M.Sc. Jessika Gappisch: Für die Nutzung von Wasserwärme müssen unterschiedliche Voraussetzungen betrachtet werden. Dabei kann man zwischen der Betrachtung des Gewässerabschnitts und der konkreten Standortebene unterscheiden.
Größere Ebene: Betrachtung des Gewässerabschnitts
Wichtige Faktoren sind hier vor allem:
Wassertemperatur und Durchfluss:
Beide Größen bestimmen, wie viel Wärme im Gewässer vorhanden ist. In vielen Fällen ist grundsätzlich ausreichend Wärme vorhanden. Entscheidend ist eher, wie diese technisch nutzbar gemacht und wirtschaftlich erschlossen werden kann.
Die Wassertemperatur beeinflusst außerdem die Effizienz der Wärmepumpe, da kleinere Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Heizsystem zu höheren Wirkungsgraden führen, sowie die Anzahl der Tage im Winter, an denen eine Nutzung möglich ist. Denn sinkt die Temperatur in Richtung Gefrierpunkt, besteht die Gefahr der Vereisung der Wärmepumpe oder der Wärmeübertrager. Hier sind technische Lösungen grundsätzlich möglich, müssen aber ggf. standortspezifisch genauer betrachtet werden.
- Wasserqualität:
Die Wasserqualität beeinflusst die Wahl des Wärmeentnahmesystems, mögliche Reinigungsintervalle sowie Schutzmaßnahmen gegen Treibgut, Sedimente oder andere Feststoffe.
Kleinere Ebene: Standort-Ebene
Auf der konkreten Standortebene spielen weitere Aspekte eine Rolle, unter anderem:
- Gewässergeometrie und sonstige Nutzungen:
Es muss ausreichend Platz für das Wärmeentnahmesystem vorhanden sein. Außerdem dürfen andere Nutzungen des Gewässers nicht beeinträchtigt werden. - Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenz:
Höhere Strömungsgeschwindigkeiten und stärkere Turbulenzen verbessern die Wärmeübertragung und fördern die Durchmischung des abgekühlten Wassers mit dem umliegenden Gewässer. - Entfernung zur Wärmeabnahme:
Die Distanz zwischen Gewässer und angeschlossenen Gebäuden oder Wärmenetz kann die Wirtschaftlichkeit erheblich beeinflussen. - Vorhandene Infrastruktur:
Bereits vorhandene Anlagen oder Netze können die Umsetzung deutlich erleichtern und wirtschaftlicher machen. Beispielsweise können Wasserentnahmesysteme stillgelegter oder in Transformation befindlicher thermischer Kraftwerke, Wasserkraftanlagen oder bestehende Wärmenetze genutzt werden.
4. Welche Aspekte sollten Planer und Kommunen frühzeitig berücksichtigen?
M.Sc. Jessika Gappisch: Planer und Kommunen sollten frühzeitig den Kontakt zu den zuständigen Genehmigungsbehörden suchen. Da es derzeit oft noch keine vollständig standardisierten Entscheidungsprozesse gibt, können Anforderungen und Auflagen je nach Behörde unterschiedlich ausfallen. Eine frühe Abstimmung erleichtert daher die Planungssicherheit.
Darüber hinaus sollten wichtige Gewässerparameter frühzeitig untersucht werden, insbesondere Wassertemperatur, Wasserqualität, Durchflussverhältnisse und mögliche Nutzungskonflikte. Die Wassertemperatur kann beispielsweise darüber entscheiden, an wie vielen Tagen während der Heizperiode eine wirtschaftliche Wärmeentnahme möglich ist. Die Wasserqualität beeinflusst wiederum die technische Auslegung der Anlagen.
Außerdem lohnt sich der Blick auf mögliche Synergien mit bestehender Infrastruktur. Dazu gehören beispielsweise vorhandene Wasserentnahmeanlagen thermischer Kraftwerke, Wasserkraftanlagen und bestehende oder geplante Wärmenetze.
5. Wo sehen Sie das größte Potenzial für die Nutzung von Wasserwärme in den kommenden Jahren?
Dipl.-Ing. Christian Seidel: Das größte Wärmepotenzial besitzen mit 860 TWh/a die Fließgewässer in Deutschland. 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.
Wird nicht nur die Wärme aus dem Fließgewässer, sondern aus der Wärmepumpe hinter dem Fließgewässer betrachtet, ergibt sich eine Heizenergie von 1.200 TWh/a. Hier ist also auch Wärmeenergie aus Strom inkludiert. Dieses theoretische Potenzial wäre ausreichend, um den gesamten Wärmebedarf in Deutschland von 915 TWh/a für Raumwärme, Warmwasser und niedrige Prozesswärme im Bereich bis 100 °C zu decken.
Auf Grund 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.
