Heizen und Kühlen mit Flusswasser
Wärmepumpen an Fließgewässern sind ein wichtiger Baustein der notwendigen Dekarbonisierung im Gebäudebereich. Es gibt bereits einige Anlagen in Deutschland, allerdings ist das Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft. Vor allem für Energieversorger, Kommunen oder für die Industrie ist dieses Konzept vielversprechend.
Flusswasser-Wärmepumpen unterscheiden sich in ihrer grundsätzlichen Funktionsweise nicht von herkömmlichen Wärmepumpen im Gebäudebereich. Dem Gewässer wird ein Teil der gespeicherten Wärme entzogen und durch den Einsatz elektrischer Antriebsenergie auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau gehoben. Im Vergleich zur Außenluft hat Wasser als Wärmequelle noch bessere Wärmeübertragungseigenschaften. Wärmetauscher können daher bei gleicher Leistung kleiner dimensioniert werden und verursachen keine Schallemissionen durch Ventilatoren. Aufgrund ihres kontinuierlichen Abflusses sind Fließgewässer besonders gut für den Betrieb von Wärmepumpen geeignet, da sich die Wärmequelle schnell regenerieren kann und durch die natürliche Abflussdynamik ständig wärmeres Flusswasser zugeführt wird.
Besonderheiten der Technik
Grundsätzlich kann man zwischen offenen und geschlossenen Systemen unterschieden. Bei einem offenen System findet eine aktive Wasserentnahme aus dem Gewässer mit Hilfe von entsprechenden Bauwerken statt, um das Wasser dem Verdampfer der Wärmepumpe zuzuführen. Bei einem geschlossenen System erfolgt der Wärmeübertrag über einen im Fließgewässer platzierten separaten Wärmetauscher, so dass keine Wasserentnahme notwendig ist.
Wassererwärmung und Genehmigungen
Erwärmungen von Fließgewässern sind tendenziell kritischer als Abkühlungen. Deshalb darf das Flusswasser für Kühlzwecke i.d.R. nur um 2 bis 4 K erwärmt werden. Entzugsmengen und Temperaturen müssen vom Betreiber der Anlage überwacht und dokumentiert werden. Eine moderate Abkühlung der Fließgewässer wird bezogen auf die Gewässerökologie in vielen Fällen als grundsätzlich positiv beurteilt, da sie den Auswirkungen der Klimaerwärmung, insbesondere im Sommer, teilweise entgegenwirkt.
Generell sind bei der Nutzung von Wärme aus Flüssen folgende Randbedingungen zu beachten: Zum einen ist eine minimale Rückführtemperatur (Frostschutzgrenze) nach dem Wärmetauscher zurück in den Fluss einzuhalten, zum anderen ist die nutzbare Durchflussmenge zum Entzug thermischer Energie begrenzt. Allgemeingültige Vorgaben existieren dazu nicht. Gemäß Literatur sollte die minimale Rückflusstemperatur 1 bis 1,5 °C nicht unterschreiten, wobei zwischen Entnahme und Rückführung am Wärmetauscher eine Temperaturdifferenz von 5 bis 10 K möglich ist. Aus der minimalen Rückflusstemperatur und der Temperaturdifferenz am Wärmetauscher lässt sich die Minimaltemperatur des Flusses für eine Nutzung ermitteln. Kleinere Gewässer können in der Praxis allerdings oft nicht ganzjährig nutzbar sein, da ihre Temperaturen im Winter teilweise zu niedrig sind.
Im Allgemeinen sind insbesondere Gesetze und Verordnungen zum Wasserrecht (z. B. Wasserhaushaltsgesetz, Oberflächengewässerverordnung), Immissionsschutzrecht (z. B. Schallimmissionen) und Baurecht (z. B. Brandschutz, Explosionsschutz) sowie vorhandene Genehmigungsbescheide und Auflagen hinsichtlich der Nutzung von Kältemitteln (z. B. Störfallverordnung) zu beachten.
(Quelle: FfE (2024): Wärmepumpen an Fließgewässern – Analyse des theoretischen Potenzials in Bayern.)