Deutschlands Flüsse könnten Millionen Haushalte heizen

Von Daniela Schröder

Die Wärmewende mit Wasser antreiben, der Ansatz ist in Deutschland noch neu. Länder wie Dänemark, Schweden und die Schweiz nutzen Aquathermie seit Jahrzehnten – hierzulande sind erst 17 Projekte in Betrieb, 50 sind aktuell im Bau oder in Planung. Immerhin: Die Projektpipeline wächst. Von aktuell 900 Megawatt Großwärmepumpen in der Planungs- oder Bauphase werden mehr als die Hälfte das thermische Potenzial eines Flusses nutzen. Und das sei erst der Anfang, sagt Martin Pehnt, wissenschaftlicher Leiter und Vorstand des Instituts für Energie- und Umweltforschung (Ifeu) in Heidelberg: „Aquathermie wird einer der großen Player in Deutschlands Wärmewende.“

Wasser ist Wärmequelle gut geeignet. Der Grund liegt in der Physik

Wasser ist ein idealer Speicher und Träger für Umweltwärme. Es hat eine 800-mal größere Dichte als Luft und kann wesentlich mehr Wärme aufnehmen und abgeben als andere Stoffe. Besonders Fließgewässer „stellen riesige Flächenwärmetauscher dar, die in Interaktion mit der Umwelt große Wärmemengen aus dieser aufnehmen und speichern können“, heißt es in einer Studie des Forschungsinstituts Borderstep.

Vor allem zur Hauptheizperiode im Winter sind Deutschlands Flüsse meist gut gefüllt – und gleichzeitig warm genug, um mit der enthaltenen Energie noch zu heizen. Das hohe Wärmepotenzial liegt nicht zuletzt am Klimawandel: Seit 1950 stieg die Wassertemperatur der Flüsse und Bäche im Schnitt um drei bis vier Grad Celsius.

Flüsse transportieren große Mengen Wasser vom Land ins Meer, in Deutschland sind es 188 Milliarden Kubikmeter pro Jahr. Studien ergaben: Mit dem Abkühlen um nur zwei Grad Celsius lässt sich eine jährliche Wärmemenge von 430 Terawattstunden gewinnen. Dazu kommt: Flüsse ziehen sich auf 400.000 Kilometern durchs Land. Bei den großen lässt sich entlang des Verlaufs gleich mehrfach Wärme entnehmen.

Mannheim, Köln, Düsseldorf: Auch der Rhein wird zur Wärmequelle

Etwa am Rhein. Der Mannheimer Versorger MVV installierte im Oktober 2023 eine 20-Megawatt-Flusswärmepumpe, rechnerisch versorgt sie 3500 Haushalte. Für 2028 ist der Start einer zweiten Anlage mit 165 Megawatt geplant, die den Heizbedarf von 40.000 Haushalten decken soll. Ein weiteres Projekt entsteht gut 250 Kilometer flussaufwärts: Kölns Versorger RheinEnergie hat für kommendes Jahr eine 150-Megawatt-Flusswärmepumpe im Niehler Hafen angekündigt, die bis zu 30 Prozent der Kölner Fernwärme liefert und pro Jahr rund 100.000 Tonnen CO₂ einspart. Auch Düsseldorf will die Rheinwärme künftig als Heizquelle nutzen.

Forscher der Technischen Universität Braunschweig untersuchten das Potenzial der Flusswärme für 80 deutsche Großstädte. Das Ergebnis: 41 Städte könnten ihren Raumwärmebedarf zu mehr als 100 Prozent aus einem Fluss vor Ort decken, 58 Städte zu mindestens 50 Prozent. Auch für kleine Städte und selbst für Dörfer sei Wärmeversorgung über Aquathermie möglich und sinnvoll, so die Wissenschaftler. Schon der nur knapp 34 Kilometer lange Fluss Oker in Braunschweig könnte jährlich 140 Megawatt Heizenergie liefern – Wärme für bis zu 60.000 Haushalte. Das Gesamtpotenzial der Aquathermie für Deutschland: 860 bis 900 Terawattstunden pro Jahr. Klimafreundliche Wärme für Zigtausende Haushalte, und für den Bedarf der Industrie gleich mit.

Die Wärmepumpen laufen günstig. Doch die Anfangskosten sind hoch

Aquathermie lässt sich kostengünstig erschließen. Technisch und wirtschaftlich aufwendige Bohrungen wie bei der Geothermie braucht es nicht. Dennoch sind die Investitionskosten für Wasserwärme hoch: Das neue Projekt in Mannheim liegt bei 200 Millionen Euro, Köln investiert 280 Millionen Euro in Flusswärme, das Bremer Quartiers-Projekt kostete 19 Millionen Euro.

„Aktuell können Großwärmepumpen in Deutschland ohne Förderung nicht wirtschaftlich betrieben werden“, heißt es beim Unternehmensverband AG Fernwärme. Zu den hohen Investitions- kommen die Betriebskosten. Wasser selbst kostet nichts, jedoch fallen Entgelte für das Nutzen der Wärmenetze an – plus hohe Stromkosten für den Betrieb der Anlagen. Die Wirtschaftlichkeit einer Großwärmepumpe hängt stark vom Strompreis ab.

Die Flusswärmepumpen in Bremen verbrauchen immer dann Strom und produzieren Wärme und Kälte, wenn Wind und Sonne stark sind und die Börsenpreise für Grünstrom niedrig. Solarstrom produziert das Quartier selbst; eine maßgeschneiderte KI mit eigenen Lastmanagement-Algorithmen berechnet laufend die optimalen Betriebsweise der Anlage. Die Basis sind Wetterprognosen, Wassertemperaturen, Gebäudeverbräuche und technische Betriebsgrenzen. „Erfolgsentscheidend für die Wärmewende ist, dass die Wärmepumpen strommarktdienlich und perspektivisch auch netzdienlich betrieben werden“, argumentiert Geschäftsführer Tobias Werner.

Ifeu-Experte Pehnt sieht bei Großwärmepumpen sogar Vorteile gegenüber der dezentralen Wärmepumpe. „Wo Fernwärme bereits liegt, sind Großwärmepumpen oft eine günstige Option. Wenn man dann noch Strom mit Wind und Sonne selbst erzeugt, wird Aquathermie sehr attraktiv.“

Ein weiteres Plus gegenüber Luftwärmepumpen: Wasserwärmepumpen arbeiten effizienter, sie verbrauchen 50 Prozent weniger Strom für die gleiche Wärmemenge. Luft ist im Winter an den meisten Tagen kälter als Flusswasser, die Pumpen mit Luft brauchen für dieselbe Zieltemperatur mehr Energie. Das bedeutet: Aquathermie rechnet sich vor allem dann, wenn Verbraucher am meisten heizen.

Flusswärmepumpen heizen nicht nur – im Sommer bringen sie angenehme Kühle

An der Weser rechnet sie sich auch, wenn die Wohnungen zu warm sind: Die Großwärmepumpen bedienen gleichzeitig ein Wärme- und ein Kältenetz. Im Sommer versorgt ein Vakuum-Flüssigeiserzeuger die Gebäude mit Kälte. Im Winter löst dieselbe Technik das Hauptproblem der Flusswärme: Normalerweise muss die Wärmeentnahme bei unter vier Grad Celsius gedrosselt oder ganz gestoppt werden, damit die Wärmetauscher nicht vereisen – eine Temperatur, die Flüsse wie die Weser bis zu 500 Stunden im Jahr unterschreiten. Zusammen mit Dresdner Forschern entwickelten die Bremer Unternehmer eine neue Technologie: Das bis zu 0,1 Grad kalte Flusswasser wird vakuumverdampft, dabei entsteht Wärme für die Wärmepumpe und ein Eisbrei, der zurück in die Weser gepumpt wird. Das Problem wird zum Teil der Lösung.

Bund und EU fördern den Bau von Großwärmepumpen und das Erforschen neuer Technologien, zudem gibt es Gelder einzelner Bundesländer. Und nicht immer braucht es einen Neubau; Aquathermie lässt sich gut mit bestehenden Wasserkraftwerken kombinieren. In Mannheim etwa nutzt die Flusswärmepumpe die Struktur des städtischen Großkraftwerks: Wassereinlauf, Wasserauslauf, Anbindung an das Fernwärmenetz.

Deutschland besitzt Tausende Wasserkraftwerke. Auch sie ließen sich nutzen

Das Prinzip ist bundesweit skalierbar, heißt es in der Studie der TU Braunschweig. Allein in den 80 untersuchten Großstädten erzeugen 271 Wasserkraftanlagen aus Flusswasser elektrische Energie. „Es wäre ein Leichtes, diese Anlagen für die Wärmewende zu ertüchtigen und aus dem bereits umgeleiteten Wasser noch Wärmeenergie zu gewinnen“, argumentiert TU-Forscher Christian Seidel. Und das nicht nur in den Großstädten. Deutschland hat 7600 kleine und mittlere Wasserkraftanlagen in Betrieb und mehr als 40.000 ungenutzte Altstandorte. Selbst eine kleine historische Mühle, so Seidel, könne die Wärmeversorgung eines Dorfes stützen.

Ein weiteres Argument für das Wiederbeleben der Wasserkraftwerke: Neben der elektrischen Leistung an einem Standort lasse sich das 100-fache und mehr an Wärmeleistung aus dem Fließgewässer gewinnen, errechneten die Wissenschaftler. Strom und Wärme aus demselben Fluss – die Wasserkraft als Dualversorger, der eine „wichtige Rolle im zukünftigen Energiesystem spielen und maßgeblich zur Versorgungssicherheit und Netzstabilität beitragen kann.“

Der Klimawandel heizt die Flüsse auf. Flusswärmepumpen schaffen Abhilfe

Plus eine positive Rolle für die Umwelt: Durch den Klimawandel und die steigenden Wassertemperaturen der Gewässer sinkt ihr Sauerstoffgehalt. Im Jahresmittel um acht bis zehn Prozent, im Sommer um 15 bis 20 Prozent. Ein Problem für viele Tier- und Pflanzenarten – und am Ende auch für den Menschen: Die Komplexität der Nahrungsketten nimmt ab, Ökosysteme werden instabiler. Das Wasser als Wärmequelle nutzen, bilanzieren Forscher weltweit, es wäre eine Entlastung der Natur.

Es klingt perfekt: Wärme gewinnen, damit CO₂-neutral heizen, bestehende Infrastruktur einfach ausbauen, Natur und Umwelt unterstützen. Warum ist Aquathermie dann so wenig verbreitet? Es liege weniger an Technik und Wirtschaftlichkeit, sagt Aquathermie-Expertin Jessica Gappisch von der TU Darmstadt. Die größte Hürde: Planung und Genehmigung. Deutsche Behörden haben wenig Erfahrung mit dem Thema, die Verfahren sind langwierig und uneinheitlich. Zum Einleiten von erwärmtem Wasser, etwa Kühlwasser aus Kraftwerken, gebe es Detailvorschriften. Für abgekühltes Wasser fehlen Regeln, so Gappisch; Grundsätzliches sei ungeklärt.

Deutschen Behörden fehlt noch Erfahrung. Andere Länder sind weiter

Dabei ist die Technologie der Wasserwärmepumpe nicht neu. Die weltweit älteste Pumpe heizt und kühlt seit 1937 das Rathaus von Zürich, gespeist aus der Wärme des Flusses Limmat. In Zürich, Bern, Genf und Lausanne dienen außerdem Seen als zuverlässige Wärmequelle. Auf Wärme aus dem See setzt auch Konstanz: Die in 20 Meter Tiefe gespeicherte Wasserwärme geht bald in ein lokales Wärmenetz. Die Konstanzer Universität baut eine ähnliche Anlage, die Seewasser zum Heizen und zum Kühlen nutzen wird.

Städte in Skandinavien ziehen Wärme seit Jahrzehnten aus dem Meer. Das norwegische Drammen deckt 85 Prozent des Wärmebedarfs aus Fjordwasser; Stockholm baute Anfang der 1980er eine 180-Megawatt-Wärmepumpe für Meerwasser. Im dänischen Esbjerg produzieren zwei Pumpen pro Jahr 280.000 Megawatt Wärme aus Meerwasser, genug für 25.000 Haushalte. Ein 177 Megawatt-Projekt in Aalborg versorgt 120.000 Haushalte mit Wasserwärme, ein Drittel des Gesamtbedarfs der Küstenstadt.

Nicht nur Flüsse sind geeignet: Flensburg zapft die Förde an

Jetzt planen und bauen auch Hafenstädte an den deutschen Küsten. An der Flensburger Förde soll Ende 2027 eine Großwärmepumpe in Betrieb gehen, um 23 Prozent des gesamten Fernwärmebedarfs der Stadt zu decken. Ein Investment von 70 Millionen Euro, die Technik stammt vom dänischen Hersteller Johnson Controls. Eine zweite Pumpe soll folgen. Auch Schleswig-Holsteins Landeshauptstadt Kiel sieht im Fördewasser sehr großes Wärmepotenzial.

Am weitesten an Deutschlands 1.600 Küstenkilometern ist eine Kleinstadt: Neustadt in Holstein an der Lübecker Bucht. In der 16.000-Einwohner-Kommune ging im Februar die erste Meerwasser-Wärmepumpe Deutschlands in Betrieb. Sie nutzt das Wasser des Neustädter Hafenbeckens – und versorgte in der kalten Zeit erste Haushalte in einem neuen Hafenquartier.

Große Flüsse, kleine Flüsse, Seen, Meerwasser: „Wärme lässt sich aus jeder Wasserart gewinnen“, sagt Ifeu-Experte Pehnt. Es funktioniert sogar mit Abwasser aus Industrie, Kläranlagen oder Kommunen. Deutschlands erste Abwasser-Großwärmepumpe entsteht in Hamburg am Klärwerk Dradenau. Pro Sekunde kann sie eine Abwassermenge transportieren, die dem Inhalt von 16 Badewannen entspricht. Der Effekt: Wärme für 39.000 Haushalte und 90.000 Tonnen CO₂ weniger. In Hannover entsteht am Klärwerk Herrenhausen eine 30-Megawatt-Großwärmepumpe, die der Stadt helfen soll, aus der Kohleenergie auszusteigen.

„Großes Potenzial als Wärmequelle hat auch Trinkwasser“, sagt Pehnt. Doch das, so der Forscher, „ist in Deutschland rechtlich noch nicht geklärt.“