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Erstellt im Rahmen des DBU-Projekts „Aquathermie-Viewer Deutschland“; |
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Diese Internetseite ist derzeit noch in Bearbeitung. Unter anderen wird ein Abschnitt zu technischen und genehmigungs-rechtlichen Details erstellt. Nachfolgend wird zunächst ein ganz grundsätzlicher Überblick über die Aquathermie (Fließgewässer) gegeben.
Wie Fließgewässer wärmetechnisch genutzt werden können
Ein Überblick
DAS ZIEL: Vollständige Klimaneutralität bis 2045 1
Dafür essenziell ist das Vorantreiben der Energiewende durch Abkoppeln von fossilen Brennstoffen.
DIE ROLLE DER WÄRMEPUMPEN: Wärmepumpen nutzen regenerative Wärme aus der Umwelt und können emissionsfrei betrieben werden. Damit kann die Energiewende entscheidend vorangetrieben werden. Fließgewässer in Deutschland sind potenzielle Wärmequellen, werden zum jetzigen Zeitpunkt nur kaum wärmetechnisch genutzt. 3
AKTUELLE SITUATION: Knapp 80 % der Wärmebereitstellung für den Industrie- und Gebäudesektor wird durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt. 2
(Stand April 2026)
Wie kann die Wärme eines Flusses genutzt werden?
Flusswärmenutzung basiert auf der Entnahme der im Flusswasser enthaltenen Wärmenergie.
Durch die Wärmebereitstellung ohne Verbrauch von Rohstoffen und die kontinuierliche Regeneration der Fließgewässer handelt es sich bei Flusswärme um eine regenerative Energiequelle.
Zum jetzigen Zeitpunkt spielt die Flusswärmenutzung in der nachhaltigen Wärmeerzeugung in Deutschland jedoch nur eine geringe Rolle. (Stand April 2026)
Wie funktioniert eigentlich
eine Wärmepumpe?
Das Grundprinzip einer Wärmepumpe ist
identisch dem eines Kühlschranks.
Nur umgekehrt.
Die Wärmepumpe besteht aus einem Kreislauf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Im Verdampfer wird das Kühlmittel durch die Wärme des Umweltmediums verdampft. Der warme Kühlmittel-Dampf strömt zum Verdichter.
Hier wird mittels elektrischer Energie der Dampf komprimiert, wodurch Druck und Temperatur erhöht werden.
Anschließend gelangt der Dampf in den Verflüssiger, wo seine Wärme an das Wärmemittel im Heizkreislauf abgegeben wird. Während der Wärmeabgabe verflüssigt sich der Dampf und zirkuliert in flüssiger Form weiter zum Expansionsventil. Hier wird der Druck reduziert.
Das Kältemittel strömt wieder zum Verdampfer und zirkuliert von neuem.
Weiterführende Informationen rund um die Wärmepumpe
liefert der Bundesverband Wärmepumpe e. V.
Welche Systeme
zur Wärmeentnahme
gibt es?
Das offene System
Das Wasser wird aus dem Fluss entnommen und zur Wärmepumpe geleitet, welche sich an Land in unmittelbarer Nähe zum Heizsystem befindet. Hier fließt es am Verdampfer vorbei und gibt einen Teil seiner Wärmeenergie ab. Anschließend wird das abgekühlte Flusswasser wieder in das Fließgewässer eingeleitet. Für dieses System ist eine hohe Wasserqualität erforderlich, damit die Rohrsysteme zur Aus- und Einleitung nicht verstopfen. Da es sich um eine Entnahme von Wasser handelt, ist eine Genehmigung nach der Oberflächengewässerverordnung notwendig.
Das geschlossene System
Zur Wärmeentnahme aus dem Flusswasser wird ein Zwischenkreislauf eingesetzt. Der Wärmeübertrager befindet sich im Gewässer und enthält ein Medium für die Wärmeübertragung. Dieses nimmt einen Teil der Wärme des Flusswassers auf und wird anschließend zur Wärmepumpe geleitet. Hier gibt es die Wärme im Verdampfer an den Wärmepumpenkreislauf ab und strömt abgekühlt zurück zum Wärmeübertrager. Die Gefahr der Verunreinigungen des Rohrsystems sind hier geringer, da kein Flusswasser in die Rohre gelangt. Durch den Zwischenkreislauf treten allerdings höhere Temperaturverluste auf.4 Da es sich um einen direkten Eingriff ins Gewässer handelt, ist eine Genehmigung nach der Oberflächengewässerverordnung notwendig.
Wie sieht es eigentlich mit der Wassertemperatur aus?
Eine der bedeutendsten Eigenschaften eines Fließgewässers ist die vorherrschende Wassertemperatur.
Diese ist aufgrund von Turbulenz im gesamten Gewässerquerschnitt näherungsweise gleich. Anhand dieses Parameters lassen sich Aussagen zur Qualität und Gesundheit eines gesamten aquatischen Ökosystems treffen. Denn die Wassertemperatur steht u.a. in direktem Zusammenhang mit der Wachstumsrate aquatischer Organismen. Sie unterliegt saisonalen und täglichen Schwankungen, welche sowohl natürlich auftreten als auch anthropogen beeinflusst werden können.5
Die Schwankungen der Wassertemperatur hängen meist unmittelbar mit den Schwankungen der Lufttemperatur zusammen. Im direkten Vergleich fallen die Schwankungen eines Gewässers jedoch geringer aus als die der Luft. Das liegt vor allem daran, dass Wasser eine sehr viel höhere spezifische Wärmekapazität als Luft hat. Es werden 4,195 kJ Wärmemenge benötigt, um 1 kg Wasser um 1 K aufzuwärmen, bzw. freigesetzt, wenn das Wasser um 1 K abgekühlt wird. Luft weist im Vergleich dazu nur eine spezifische Wärmekapazität von 1,006 kJ/(kg*K) auf (beide Werte beziehen sich auf 10 °C Wassertemperatur). Wasser reagiert dadurch weniger stark auf Schwankungen und hat im Winter eine höhere Durchschnittstemperatur.6 Das Diagramm zeigt den schematischen Jahresverlauf von Wasser- und Lufttemperatur an einem sommerkalten Gebirgsfluss, wie sie in Deutschland häufig vorkommen.
Die Temperaturen und damit der Wärmehaushalt eines Fließgewässers werden direkt durch die Sonneneinstrahlung beeinflusst. Die im Wasser gespeicherte Wärmeenergie kommt direkt aus der Strahlung und indirekt aus der durch die Strahlung erwärmten Luft über dem Gewässerkörper.5 Auch die Interaktion mit dem Ufer und der Gewässersohle beeinflusst den Wärmehaushalt. Zudem können externe Einflüsse wie anthropogene Einleitungen ebenfalls eine Rolle spielen. Die einflussnehmenden Komponenten auf die Energiebilanz des Wasserkörpers werden in der schematischen Abbildung dargestellt.
Dabei sind:
RSr : reflektierte Globalstrahlung
RA : langwellige Ausstrahlung des Wasserkörpers
V : für die Verdunstung benötigte Energie
HK : für die fühlbare Wärme benötigte Energie
Es gibt unterschiedliche Arten von Einflüssen, welche auf den Wärmehauhalt eines Gewässers wirken. Dazu zählen die in der Grafik abgebildeten atmosphärischen Einflüsse, die Einflüsse aufgrund von Topografie oder des Gewässerbetts sowie die Einflüsse aufgrund der Abflussbedingungen.
Anthropogene Einflüsse sind etwa das Einleiten von Wärme in Fließgewässer, Abholzung von Vegetation in Uferbereichen und die damit verbundene Erwärmung aufgrund fehlender Verschattung sowie der Klimawandel mit seinen vielfältigen Auswirkungen im Generellen.5
Voraussetzungen-
rechtlich und
technisch
Rechtlicher Rahmen
Wasserrahmenrichtlinie (WRRL 2000)
Die Richtlinie bildet auf europäischer Ebene einen Ordnungsrahmen für den Schutz jeglicher Oberflächengewässer sowie des Grundwassers. Damit wird das Ziel des Schutzes und der Verbesserung des Zustands der aquatischen Ökosysteme sowie die Förderung einer nachhaltigen Wassernutzung verfolgt. Alle Mitgliedsstaaten der EU sind verpflichtet, für einen guten ökologischen Zustand aller Gewässer bzw. eine Vermeidung der Verschlechterung des Zustands zu sorgen.
Wasserhaushaltsgesetz (WHG 2009 geä. 2026)
Das Gesetz dient der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie auf Bundesebene. Es hat zum Zweck, alle Gewässer als nutzbares Gut und Lebensgrundlage und Lebensraum zu schützen. Jegliche Gewässernutzung in Deutschland benötigt nach dem Wasserhaushaltsgesetz eine Genehmigung. Konform der WRRL ist festgeschrieben, dass alle Gewässer einen guten ökologischen Zustand erreichen müssen bzw. eine Verschlechterung des Zustands zu vermeiden ist.
Oberflächengewässerverordnung (OGewV 2016 geä. 2020)
Die Verordnung hat den Schutz der Oberflächengewässer sowie ebenfalls die Erreichung eines guten ökologischen Zustands aller Gewässer zum Zweck. Hierfür werden Qualitätskomponenten festgesetzt, nach denen ein Gewässer in seinem ökologischen Zustand bewertet werden kann. Nach der Verordnung sind entsprechende Behörden verpflichtet, die Einhaltung der Umweltqualitätsnormen sowie die Überwachung des ökologischen Zustands zu verwalten. Hierfür werden Anforderungen an Analysemethoden, Laboratorien sowie die Beurteilung der Überwachungsergebnisse gestellt.
Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG 1974 geä. 2025)
Das Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge bildet auf nationaler Ebene einen rechtlichen Rahmen für den Schutz von Menschen, Tieren und Umwelt vor schädlichen Einwirkungen durch technische Anlagen. Dazu werden Genehmigungspflichten definiert, in deren Rahmen Maßnahmen zur Vermeidung und Minimierung möglicher Beeinträchtigungen durch z.B. Lärm oder Temperaturveränderungen des Gewässers zu treffen sind.
Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV 2017 geä. 2020)
Die Verordnung bildet auf nationaler Ebene einen rechtlichen Rahmen zum Schutz von Gewässern vor Verunreinigungen oder Gefährdungen. Ziel ist es, nachteilige Veränderungen der Eigenschaften von Gewässern zu verhindern. Sie gilt für Anlagen, in denen wassergefährdende Stoffe - wie beispielsweise Kältemittel in der Aquathermie - verwendet werden. In diesem Fall sind Anforderungen an Bau, Betrieb und Überwachung der Anlagen einzuhalten, um Leckagen oder sonstige Einträge in Gewässer zu vermeiden.
Zudem können länderspezifische Gesetze Berücksichtigung finden. Eine konkrete rechtliche Regelung für die wärmetechnische Nutzung von Fließgewässern gibt es zum jetzigen Zeitpunkt nicht (Stand April 2026).
Das Fehlen von Standardisierungen sowie Konkretisierungen und Vereinheitlichungen in Genehmigungsprozessen stellt eine der größten Herausforderungen für die Flusswärmenutzung dar.
Bildquelle: martinwimmer, iStock
Technische Voraussetzungen
Für einen einwandfreien und effektiven Betrieb einer Flusswärmepumpe müssen einige standortspezifische Voraussetzungen erfüllt werden. Dazu gehören unter anderem:
Damit eine Wärmepumpe mit Flusswasser betrieben werden kann, bedarf es Rohrsystemen zur Entnahme von Flusswasser oder zur Zirkulation des Wärmeträgermediums. An z.B. alten Kraftwerksstandorten ist durch die Nutzung von Kühlwasser häufig schon Infrastruktur für die Wasserentnahme und –rückgabe vorhanden.7
Die Temperaturdifferenz hat maßgeblichen Einfluss auf die benötigte elektrische Energiemenge zum Antrieb der Wärmepumpe. Je niedriger die Differenz zwischen der Temperatur des Gewässers und der Temperatur der Wärmesenke, desto weniger Antriebsenergie wird benötigt.
Damit die Flusswärmepumpe einwandfrei betrieben werden kann, muss eine Mindesttemperatur im Gewässer erreicht sein. Bei der Wasserentnahme und bei der Wärmeabgabe im Wärmeübertrager wird das genutzte Wasser i.d.R. um 2 bis 4 K abgekühlt. Damit die Anlage nicht vereist, sind Wassertemperaturen von mindestens 2 bis 4 °C notwendig.7,8
Damit der Wärmeübertrag effizient stattfinden kann, muss eine ausreichende Wasserqualität im Gewässer vorherrschen. Durch Verunreinigungen des Flusswassers sowie Schwebstoffe und organische Stoffe kann es ansonsten zu Bewuchs und Verschlammung der Anlagenteile kommen, die unmittelbar in Kontakt mit dem Gewässer stehen. Auf ausreichende Reinigungsintervalle oder Spülungen ist zu achten.
Die Effizienz der Wärmebereitstellung hängt auch von der Höhe der Druck- und Temperaturverluste im System ab. Damit diese möglichst gering ausfallen, ist eine geringe Entfernung zwischen der Wärmequelle Flusswasser und der Wärmesenke, also dem Haushalt oder dem Wärmenetz, ausschlaggebend.
Der Durchfluss beeinflusst die mögliche Wärmemenge, welche aus dem Gewässer entnommen werden kann. Außerdem geht mit ihm die Wassertiefe einher, die für eine Überdecken des Wärmeentnahmesystems ausreichend sein muss. Mit dem Durchfluss steht auch die Strömungsgeschwindigkeit im Fließgewässer in Zusammenhang. Diese sollte ausreichend hoch sein, um eine Durchmischung im Gewässer und thermische Regeneration zu gewährleisten. Beim geschlossenen System, also dem Einsatz eines Wärmeübertragers im Gewässer, beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit auch die Effizienz der Wärmeübertragung am Apparat.7
Für die Wärmeentnahme ist eine Mindestwassertiefe sowie ein Mindestwasserstand notwendig, da die Anlagenteile - also Wärmeübertrager oder Saugrohr - vollständig in das Gewässer eingebaut und mit Wasser umströmt werden müssen.7
Die Historie
der
Flusswärmenutzung
Die ersten dokumentierten Wärmepumpen mit Wärmebereitstellung durch Flusswasser wurden in der Schweiz in Betrieb genommen. Während und nach dem ersten Weltkrieg wurde aufgrund von Brennstoffknappheit die Frage nach alternativen Energieträgern zur Beheizung laut. Da die Schweiz über große Wasserressourcen verfügt, kam die Diskussion der Nutzung der Oberflächengewässer als Wärmelieferant auf. 9
Die erste Wärmepumpe zur Raumheizung wurde 1938 im Rathaus in Zürich installiert und mit Wärme aus dem Fluss Limmat versorgt (im Hintergrund zu sehen). Das Rathaus ohne Keller steht direkt im Fluss, durch den neuen Energieträger Wasser konnten die Einzelraumöfen ersetzt werden.
1942 wurde mit der Walche-Anlage weltweit die erste Wärmepumpe in das Fernwärmenetz integriert. 9
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Die Tabelle zeigt einen Auszug der Hauptdaten der historischen Wärmepumpen der Stadt Zürich. |
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Rathaus |
Hallenbad Zürich-City |
Walche-Anlage Fernheizung |
Amtshäuser |
|
|
Jahr der Inbetriebnahme |
1938 |
1941 |
1942 |
1943 |
|
Totale Heizleistung [kW] |
100 |
1025 |
5860 |
1750 |
|
Heizleistung pro Einheit [kW] |
100 |
325/700 |
2*2000/1860 |
1750 |
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Betriebsart |
Heizen (Kühlen) |
Heizen |
Heizen |
Heizen |
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Art der Wärmequelle |
Fluss |
Abwärme/Seewasser |
Fluss |
Fluss |
|
Wärmequellen- Temperatur [°C] |
7 |
23/7 |
9/9 |
7 |
|
Wärmesenken-Temperatur [°C] |
60 |
45/50 |
71/71 |
50 |
|
Anzahl Kompressoren |
1 |
2/3 |
2/1 |
4 |
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Kältemittel |
R-12 |
Ammoniak |
R-11/Ammoniak |
Ammoniak |
Bildquelle: Goran Basic, NZZ
Aktuelle
Großprojekte
(Stand Januar
2025)
Einsatz von Großwärmepumpen:
I N F O:
Im Folgenden wird eine Wärmepumpe ab einer Leistung von 0,5 MW als Großwärmepumpe bezeichnet.
iKWK-Systeme: Die Abkürzung steht für innovative Kraft-Wärme-Kopplung und beschreibt moderne Strom-Wärme-Systeme. Durch den Einsatz von KWK-Anlagen in Verbindung mit hohen Anteilen erneuerbarer Wärmeversorgung sind iKWK-Systeme besonders energieeffizient und treibhausarm. Ein solches System besteht mindestens aus einer KWK-Anlage, einer Komponente zur Bereitstellung erneuerbarer Energie und einem elektrischen Wärmeerzeuger. Die Bereitstellung innovativer erneuerbarer Energie kann etwa durch solar- und geothermische Anlagen oder elektrisch angetriebene Wärmepumpen (Nutzung von Umweltwärmequellen wie Wasser, Luft, Abwärme) erfolgen.10,11
Mannheim
Im Rahmen des Reallabors der Energiewende soll das Grosskraftwerk Mannheim AG durch eine Flusswärmepumpe erweitert werden. Diese wird in das Fernwärmenetz integriert und mit Rheinwasser als Energielieferant betrieben. Der Standort verfügt bereits über vorhandene Infrastruktur zur Wasserentnahme aus dem Rhein auf dem Kraftwerksgelände. Die Großwärmepumpe hat eine thermische Leistung von etwa 20 MW sowie eine elektrische Leistung von 7 MW. Damit kann eine jährliche Einsparung von etwa 10.000 t CO2 erwirtschaftet werden.
Der Spatenstich für die Errichtung fand im April 2022 statt, in Betrieb genommen wurde die Flusswärmepumpe im Oktober 2023.
Bildquelle: GKM AG
Rosenheim
Die Stadtwerke Rosenheim haben im Rahmen von drei iKWK-Sytemen drei Großwärmepumpen integriert. Dies findet im Rahmen des Reallabors der Energiewende statt. Die benötigte Wärmeenergie für den Betrieb der Wärmepumpe wird aus dem an den Kraftwerksstandort angrenzenden Mühlbach entnommen. Jede der drei Großwärmepumpen verfügt über eine thermische Leistung von 1.556 kW und eine elektrische Leistung von je 628 kW. Mit den drei iKWK-Systemen kann eine CO2-Einsparung von 16.500 t erreicht werden.
Die iKWK-Anlagen wurden im Juni und Dezember 2022 und die letzte im Oktober 2023 in Betrieb genommen.
a
Bildquelle: Stadtwerke Rosenheim GmbH & Co. KG
Berlin
Im Energiepark Schöneweide in Berlin wurden im Juli 2023 zwei Flusswasser-Wärmepumpen in den Probebetrieb genommen. Der Energielieferant ist die unmittelbar am Kraftwerk vorbeifließende Spree. Die Wärmepumpen sind Teil zweier iKWK-Systeme und erzeugen Wärmeenergie zur Einspeisung in den Heißwasserkreislaufs des Fernwärmenetzes des Energieversorgers BTB. Die Großwärmepumpen verfügen über eine Leistung von jeweils 3,5 MW. Mit den zwei iKWK-Anlagen kann eine Einsparung der CO2-Emissionen von etwa 14.000 t jährlich erreicht werden.
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Bildquelle: BTB GmbH / Leon Kopplow
Projekte mit kleinerer Dimension:
Quartierskonzept Kuppenheim
Eine Nutzung der Umweltwärmequelle Flusswasser findet in Kuppenheim im kleineren Maßstab statt. Das nachhaltige Quartierskonzept nutzt die Murg für die Wärmebereitstellung. Die durch die Wärme des Flusses gewonnene Energie wird ausschließlich für das Nahwärmenetz genutzt. Damit wird ganzjährig Energie für die Beheizung von Gebäuden sowie für Warmwasser bereitgestellt. Im Sommer wird der Fluss außerdem zum Kühlen der Gebäude genutzt.
Durch die quartiersnahe Erzeugung von Energie zum Heizen der Gebäude ist das Quartier zu 73 % unabhängig von externer Energie und produziert 85 % weniger CO2-Emissionen als Quartiere, welche konventionelle Wärmeversorgung nutzen.
Die Inbetriebnahme des Quartierskonzepts war für Ende 2024 geplant.
a
Bildquelle: archis
Stümpelsche Mühle
Die Stümpelsche Mühle in Paderborn zeigt, dass Wärme aus Flusswasser auch in kleinster Dimension genutzt werden kann. Die ehemalige Getreidemühle nutzt den Fluss Pader für die Wärmeversorgung des Gebäudes. Seit 2018 wird eine Wärmepumpe betrieben, welche eine Wärmeleistung zwischen 15 und 17 kW erzeugen kann. Damit werden die Wohnungen sowie das Café im Gebäude der Mühle beheizt. Im Auslaufkanal des Wasserrades wurde ein Wärmeübertrager an die Gewässersohle installiert. Für den Antrieb der Wärmepumpe wird zu einem großen Teil der durch das Wasserrad erzeugte Strom genutzt. Neben Strom durch das Wasserrad und Wärme aus dem Fluss wird auf dem Dach der Mühle zusätzlich Strom durch Photovoltaik sowie Wärme durch Solarthermie erzeugt. Damit zeigt das Gebäude, dass regenerative Versorgung und die Energiewende in kleiner Dimension umgesetzt werden können.
Bildquelle: Frank Wiedemeier
Literaturverzeichnis
1 Bundesregierung (2026): Erfolgskontrolle für den Klimaschutz
2 Fraunhofer IWES/IBP (2017): Wärmewende 2030. Schlüsseltechnologien zur Erreichung der mittel- und langfristigen Klimaschutzziele im Gebäudesektor. Studie im Auftrag von Agora Energiewende.
3 Kammer, H. Thermische Seewassernutzung in Deutschland: Bestandsanalyse, Potential und Hemmnisse Seewasserbetriebener
Wärmepumpen; Springer Vieweg: Wiesbaden, Germany, 2017.
4 Gaudard, A.; Schmid, M.; Wüest, A. Thermische Nutzung von Seen und Flüssen: Potenzial der Schweizer Oberflächengewässer.
Aqua Gas 2018, 2, 26–33.
5 Caissie 2006: The thermal regime of rivers: a review. Freshwater Biology (2006)
6 VDI e.V. (Hrsg.) (2013): VDI-Wärmeatlas. 11. Auflage. Berlin/Heidelberg: Springer Vieweg.
7 Gappisch et al. 2024: Potential Analysis and Feasibility Study on the Hydrothermal Utilization of Rivers- Using Marburg on the Lahn River as Case Study. Energies 2024
8 Marotz, G. Der Einsatz von Wärmepumpen in fließenden Gewässern—Wasserwirtschaftliche und betriebliche Aspekte.
Wasserwirtschaft 1977, 67, 376–381.
9 Zogg, M. (2008): Geschichte der Wärmepumpe - Schweizer Beiträge und internationale Meilensteine; Schweizerische Eidgenossenschaft
10 BAFA 2025: Merkblatt für innovative KWK-Systeme
11 BMWK 2023, Großwärmepumpen in deutschen Fernwärmenetzen - energieforschung.de
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