Am Rhein entsteht gerade eine Wärmepumpe, die nicht in den Keller eines Einfamilienhauses passt, sondern an einen großen Fluss. In Köln-Niehl wird seit dem Sommer am Rheinhafen gebaut. Ab 2028 soll die Anlage Wärme aus dem Rhein gewinnen und in das Fernwärmenetz einspeisen. Betreiber ist Rheinenergie.

Das Vorhaben kostet rund 280 Millionen Euro und wird erheblich vom Bund gefördert. Ohne Zuschüsse wäre die Anlage nach Angaben des Betreibers nicht wirtschaftlich. Drei Kompressoren sollen zusammen 150 Megawatt thermische Leistung liefern – vergleichbar mit etwa 15.000 bis 30.000 herkömmlichen Wärmepumpen. Bis zu 50.000 Haushalte könnten damit versorgt werden. Erwartet werden jährlich 100.000 bis 150.000 Tonnen weniger CO₂.

Wärme aus dem Fluss

Das Prinzip klingt zunächst schlicht: Über einen Wärmetauscher wird dem Rheinwasser Wärme entzogen. Strom aus erneuerbaren Energien bringt diese Wärme anschließend auf Fernwärme-Temperatur. Das abgekühlte Wasser fließt zurück in den Rhein. In Köln wird es voraussichtlich 2 bis 4 Grad Celsius kälter zurückgeleitet.

Die Wasserentnahme liegt an der Hafengrundsohle. Dadurch soll sie auch bei extremem Niedrigwasser möglich bleiben. Sinkt der Pegel noch weiter, ist irgendwann Schluss. Immerhin ist der Wärmebedarf im Sommer geringer, was Niedrigwasser teilweise ausgleicht. Die Kölner Anlage kann bis zu 150.000 Badewannen Wasser pro Stunde umsetzen; selbst bei Niedrigwasser entspricht das weniger als einem Prozent der Rheinwassermenge.

Für einen effizienten Betrieb muss das Wasser ausreichend warm sein. Fachliteratur nennt etwa 1 bis 4 Grad Celsius als kritischen Bereich. Köln will die Anlage bei 5 Grad abschalten. Laut Rheinenergie kühlt der Rhein im Winter nur selten so stark ab.

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Wasser hat gegenüber Luft einen handfesten Vorteil: Es verändert seine Temperatur langsamer und besitzt eine höhere Dichte. Kühlt ein Kilogramm Wasser um ein Grad ab, wird ungefähr viermal mehr Wärme frei als bei Luft. Flüsse könnten deshalb für Städte wie Hamburg, Dresden, Frankfurt, Magdeburg oder Bonn eine Art natürliches Fernwärmenetz bilden.

Mehr als nur Heizen

Wärmepumpen können grundsätzlich Umweltenergie aus Außenluft, Raumluft, Erdreich oder Grundwasser nutzen. Sie heizen Gebäude, bereiten Warmwasser und können im Sommer auch kühlen. Für den Betrieb brauchen sie vergleichsweise wenig Strom und lassen sich mit erneuerbarer Energie betreiben.

Je nach Modell reichen die Leistungsstufen von 3 bis 60 Kilowatt pro Wärmepumpe. Es gibt Hochtemperatur-Wärmepumpen für Bestandsgebäude und Propan-Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel R290. Eine Innenaufstellung ist möglich. Braucht ein Gebäude mehr Leistung, können mehrere Geräte parallel laufen – diese Kombination heißt Kaskade.

Bundesweit sind kleinere Aquathermieprojekte in Planung oder bereits in Betrieb, unter anderem in Zittau, Aachen und Flensburg. In Düsseldorf entsteht ebenfalls eine große Flusswärmepumpe; beide Städte tauschen sich zu ihren Projekten aus. Nach Einschätzung der Rheinenergie transportiert der Rhein so viel Wärme, dass auch weitere Städte erhebliche Wärmemengen entnehmen könnten.

Das Potenzial hängt allerdings stark von den örtlichen Bedingungen ab: von Wasserführung und Temperatur, vom Wärmebedarf und von der Genehmigungslage. Eine besondere Genehmigungsfrage ist die schwankende Einleitungsmenge, denn sie richtet sich nach dem Wärmebedarf und den Strompreisen.

Für klimaneutrale Wärme braucht es ausreichend erneuerbaren Strom. Fehlt er, können Wärme und Strom im benachbarten Gaskraftwerk erzeugt werden. Das ist technisch möglich, macht die Klimabilanz aber abhängig vom jeweiligen Betrieb.

Was passiert mit Fischen und Sauerstoff?

Zu den ökologischen Folgen gibt es bislang wenige konkrete Erfahrungen. Mögliche Auswirkungen auf Fische und die Gewässerökologie werden deshalb untersucht. Das Wasser soll lokal und nach der Durchmischung nur so weit abgekühlt werden, dass Tiere nicht gefährdet werden oder Ausweichmöglichkeiten behalten.

Die Abkühlung könnte angesichts steigender Gewässertemperaturen sogar positiv bewertet werden. Untersuchungen an 21 Fließgewässern und zahlreichen Messstellen zeigen seit 1950 einen durchschnittlichen Temperaturanstieg von 3 bis 4 Grad Celsius. Das vergrößert zwar das nutzbare Wärmepotenzial, ist aber eine Folge des Klimawandels.

Mit steigender Wassertemperatur sinkt der Sauerstoffgehalt. Der Rückgang beträgt im Jahresmittel 8 bis 10 Prozent, im Sommer teilweise 15 bis 20 Prozent. Wärmeentzug könnte die Durchschnittstemperatur der Flüsse senken und damit zur Klimafolgenanpassung beitragen. Ob das an jedem Standort gleichermaßen gilt, bleibt eine Frage der lokalen Prüfung.

Eine Rechnung für 80 Großstädte

Wie groß die Möglichkeiten sein könnten, untersuchte das vom efzn finanzierte Projekt „Hydro2HEAT“. Ausgangspunkt war eine Untersuchung der TU Braunschweig, die zunächst das Wärmepotenzial der Oker für die Versorgung Braunschweigs bestimmen sollte. Ergebnis: Bei einmaliger, moderater Wasserentnahme könnten rund 140 Megawatt Wärmeleistung gewonnen werden – genug für etwa 50.000 bis 60.000 Haushalte.

Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Roland Wüchner sowie mit Christian Seidel und Dr. Lars Ostermann nahm das Forschungsteam anschließend 80 deutsche Großstädte unter die Lupe. Die Städte beherbergen mehr als ein Drittel der deutschen Bevölkerung. Grundlage waren öffentliche hydrologische Daten, darunter Wassertemperatur und Wassermenge. Mithilfe von Gewässermodellen berechnete das Team das thermische Potenzial der Fließgewässer an den jeweiligen Standorten.

Neben Aquathermie flossen auch Biothermie, Geothermie und Solarthermie in die Analyse ein. Fast zwei Drittel der untersuchten Städte könnten demnach mindestens die Hälfte ihres Raumwärmebedarfs aus angrenzenden Fließgewässern decken. 41 Städte könnten ihren Raumwärmebedarf zu mehr als 100 Prozent durch Aquathermie decken. Gemeint ist Raumwärme für Haushalte, Industrie, Dienstleistungen, Handel und Gewerbe.

Die zentrale Lage vieler Flüsse erleichtert die Nutzung für städtische Nahwärmenetze. In den untersuchten Städten sind außerdem 271 Wasserkraftanlagen in Betrieb. Dort gibt es bereits Ein- und Ausleitungsbauwerke, Turbinenanlagen, Rechen sowie Fischauf- und -abstiege. Diese Infrastruktur könnte nach Ansicht der Forschenden auch für die Wärmegewinnung genutzt werden.

Technisch funktioniert das über Flusswärmepumpen: Wärmetauscher entziehen dem Wasser geringfügig Wärme, erneuerbarer Strom hebt sie auf etwa 60 bis 90 Grad Celsius an, anschließend wird sie in Nahversorgungsnetze eingespeist. Das abgekühlte Wasser kehrt in den Fluss zurück. Deutsche Fließgewässer gelten laut den Forschenden als geeignet, weil sie im Winter meist ausreichend Wasser führen und während der Heizperiode noch warm genug für die Wärmenutzung sind.

Das gilt nicht nur für Metropolen. Auch kleinere Städte und Dörfer könnten Aquathermie nutzen. Deutschland verfügt laut einer früheren Studie über mehr als 40.000 ungenutzte historische Wasserkraftstandorte. Ihr elektrisches Reaktivierungspotenzial wird auf etwa 9,3 Terawattstunden geschätzt. Für die Wärmeversorgung könnten solche Orte ebenfalls interessant sein. Selbst kleine historische Mühlen könnten umliegende Dörfer unterstützen; häufig sind sie bei Anwohnern akzeptiert und prägen das Ortsbild. Eine Reaktivierung unter Berücksichtigung des Denkmalschutzes könnte dann Wärmewende und Erhalt alter Anlagen verbinden.

Als Nächstes plant das Forschungsteam einen Aquathermie-Potenzialatlas für Niedersachsen. Das Land verfügt laut den Forschenden über rund 20 Prozent der großen deutschen Fließgewässer. Das Aquathermiepotenzial wird auf etwa 100 bis 110 Terawattstunden geschätzt, während der jährliche Wärmebedarf Niedersachsens bei etwa 80 Terawattstunden liegt. Der Atlas soll die Möglichkeiten lokalspezifisch erfassen und als Datenbasis sowie Entscheidungshilfe dienen. Potenzialatlanten für weitere Bundesländer sind geplant.

Das deutsche Fließgewässernetz umfasst rund 400.000 Kilometer. Bei zweifacher Wärmeentnahme aus demselben Gewässer könnten diese Flüsse theoretisch 94 Prozent des bundesweiten Wärmebedarfs im Niedertemperaturbereich, knapp 64 Prozent des Gesamtwärmebedarfs und 36 Prozent des deutschen Endenergiebedarfs decken.</p