Einführung Gewässerthermie
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Gewässerthermie-Simulationsplattform

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Überblick

Das Tool ermöglicht eine schnelle Simulation und Analyse von Gewässerwärmepumpen (Gewässer-WP). Hierfür können mit Open-Source-Daten Lastprofile für beliebige Gebiete in Deutschland erzeugt werden. Diese bilden zusammen mit Fluss- und Seedaten eine Grundlage für eine jährliche Berechnung verschiedener Wärmepumpenkonfigurationen. Die Ergebnisse können als eine erste Einschätzung oder Vorstudie einer Gewässerwärmepumpe am Standort dienen.

Das Tool wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts FluSeeQ entwickelt.

Begriffe im Überblick
Begriff Bedeutung
Gewässer-WP Wärmepumpe, die Oberflächengewässer (Fluss, See, Meer) als Wärmequelle nutzt
COP Coefficient of Performance – Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung
Zwischenkreis Getrenntes Kreislaufsystem zwischen Gewässer und Wärmepumpe, meist mit einem Trägermedium (z. B. Glykol)
Senkentemperatur Temperatur, auf die die Wärmepumpe das Heizmedium anhebt
Quelltemperatur Temperatur des genutzten Gewässers
FluSeeQ

Im Projekt »FluSeeQ« sollen Gewässersysteme hinsichtlich ihrer thermo-ökologischen Eigenschaften strukturiert und wirtschaftliche Lösungen entwickelt werden. Im Rahmen des Projekts wird eine Potenzialanalyse für Deutschland aufgestellt, die Regelsetzung begleitet und Technologien neu entwickelt oder miteinander verglichen.

Prinzip der Aquathermie

Aquathermie, auch Fluss- oder Seewärmegewinnung genannt, nutzt die vorhandene Wärme aus Oberflächengewässern, um Wärme für Industrieprozesse, Gebäudebeheizung und/oder Trinkwarmwassererwärmung bereitzustellen. Im Gegensatz zur Außenluft als Wärmequelle sorgen die im Winter höheren Temperaturen der Oberflächengewässer für eine effizientere Wärmegewinnung.

Je nach Senkentemperatur sind bei einer Wassertemperatur von 4 °C folgende COPs möglich [1]:

Senkentemperatur COP
80 °C ca. 2,4
120 °C ca. 1,9

Die Werte variieren mit der verwendeten Systemkonfiguration und der Quelltemperatur.

Typische Unterscheidungen in der Systemkonfiguration sind:

  • Offene Systeme, geschlossene Systeme oder Sonderkonfigurationen wie die Direktkontaktverdampfung
  • Systeme mit Zwischenkreis, ohne Zwischenkreis oder mit offenem Kältekreis (Das Kältemittel ist verdampftes Wasser aus dem Gewässer)
  • 1-stufige oder 2-stufige Wärmepumpen (z. B. mit Flashtank oder Kaskadenschaltung)
  • Wahl des Kältemittels

Da Oberflächengewässer ökologisch wertvoll sind, müssen bei der Wärmeentnahme verschiedene Aspekte für eine Genehmigung betrachtet werden. In Deutschland gibt es hierfür bisher kein einheitliches Regelwerk, jedoch verschiedene Leitlinien (Stand 05/2026) [2].

Technologie-Übersicht

In diesem Abschnitt wird genauer auf die Systemkonfigurationen von Gewässerwärmepumpen eingegangen. Behandelt wird der Pfad von der Gewässererschließung über die Systeme zur Wärmeübertragung bis hin zu den Eigenschaften der Wärmepumpe.

Abbildung 1 zeigt in Anlehnung an [3] die in den folgenden Abschnitten betrachteten Systemkonfigurationen.

Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der Systemkomponenten für Gewässerwärmepumpen nach [3]

Im Folgenden wird genauer auf die Bereiche Quelle, Wärmeentnahme und Wärmepumpensystem eingegangen.

Quellenübersicht

Im Rahmen der Aquathermie wird meist zwischen den drei Quelltypen Fließgewässer, Seen und Meer unterschieden. Ergänzend werden häufig auch Kläranlagenabwasser und Trinkwasserleitungen als Quellen genannt.

Fließgewässer

Bei der Wärmeentnahme an Fließgewässern kann Aquathermie eingesetzt werden, sobald bestimmte Randbedingungen erfüllt sind:

  • Der Fluss muss eine Mindestdurchflussmenge aufweisen.
  • Aus regulatorischen und technischen Gründen sollte die Wärmepumpe nur betrieben werden, solange die Gewässertemperatur über 3 °C liegt.
  • Technische Komponenten müssen vor schwimmenden Teilen und hoher Sedimentbelastung geschützt werden.
Seen

🚧 In Arbeit – Inhalte zu dieser Quelle werden derzeit erarbeitet und in Kürze ergänzt.

Meer

🚧 In Arbeit – Inhalte zu dieser Quelle werden derzeit erarbeitet und in Kürze ergänzt.

Wärmeentnahme

Die Wärmeentnahme erfolgt je nach Leistungsklasse und regulatorischen sowie ökologischen Anforderungen meist über offene oder geschlossene Systeme. Weitere Systeme, wie die Direktkontaktverdampfung, sind noch nicht marktüblich und befinden sich oft im Forschungsstadium.

System Leistungsbereich Vorteile Herausforderungen
Geschlossen meist < 500 kW thermisch Kein Wasserentnahmerecht nötig, kein Entnahmebauwerk Flächenbedarf im Gewässer skaliert linear mit der Leistung, konstante Strömung nötig
Offen gut skalierbar für große Leistungen Hohe, gut regelbare Leistung bei geringem Flächenbedarf im Gewässer Filter/Reinigung gegen Sedimente und Biofouling nötig
Direktkontaktverdampfung – Nutzung der Vereisungsenthalpie, Wärmegewinnung auch bei geringen Temperaturen möglich Noch im Forschungsstadium, nicht marktüblich
Geschlossene Systeme

Bei geschlossenen Systemen wird der Wärmeübertrager direkt im Gewässer platziert. Meist kommt ein Zwischenkreis mit einem Trägermedium (Glykol) zum Einsatz. In FluSeeQ wird jedoch auch die Entwicklung ohne Zwischenkreis mit Verdampfung im Gewässer vorangetrieben.

Vorteile:

  • Kein Wasserentnahmerecht nötig
  • Kein Entnahmebauwerk am Gewässer erforderlich

Um eine konstante Wärmeleistung am Wärmeübertrager zu gewährleisten, sind konstante Strömungsverhältnisse wichtig. In Flüssen werden die Systeme deshalb oft an vorhandener Infrastrukutr, wie z.B. Mühlen mit Entnahmekanälen, integriert oder speziell im Fluss platziert. In Seen kann die natürliche Konvektion für eine konstante Wärmeleistung sorgen, reicht diese nicht aus, kann ein Rührwerk ergänzt werden.

In der Regel werden geschlossene Systeme für weniger als 500 kW thermisch eingesetzt, da die im Wasser benötigte Fläche für den Wärmetauscher linear mit der Leistung skaliert.

Offene Systeme

Offene Systeme entnehmen Wasser direkt aus dem Gewässer und führen es einem externen Wärmeübertrager zu. Das abgekühlte Wasser wird anschließend wieder in den Fluss oder See eingeleitet.

Vorteile:

  • Höhere und besser regelbare Leistung bei geringem Flächenbedarf im Gewässer
  • Sehr gute Skalierbarkeit in großen Leistungsklassen

Aufgrund von Sedimenten oder Biofouling sollten Filter- und/oder Reinigungssysteme integriert werden. Hierzu gibt es verschiedene Ansätze wie Online-Cleaning oder Offline-Cleaning (Ausbau und Reinigung des Wärmeübertragers). Zusätzlich wird ein Wasserentnahmerecht benötigt.

Direktkontaktverdampfung

Bei der Direktkontaktverdampfung wird ein Teilstrom des Gewässers direkt als Kältemittel genutzt: Das Wasser wird im nahezu Vakuum verdampft, entgast und dem Kompressor als Kältemittel zugeführt.

Vorteile:

  • Reduzierte Anforderungen an ökologische und technische Sicherheit durch Wasser als Kältemittel
  • Nutzung der Vereisungsenthalpie am Triplepunkt von Wasser. Dadurch entsteht Eis, und es kann eine größere Energiemenge bei gleichem Massenstrom entzogen werden
  • Wärmegewinnung auch bei geringen Wassertemperaturen möglich

Nachteile:

  • Niedrige Verdampfungstemperaturen führen zu geringeren COP.
Zwischenkreis

Ein Zwischenkreis führt zu einer geringeren Temperatur am Verdampfer und damit zu einem geringeren COP der Wärmepumpe. Der Einbau hat jedoch oft sicherheitstechnische, technische oder regulatorische Gründe:

  • In geschlossenen Systemen reduziert der Zwischenkreis die benötigte Kältemittelmenge und damit den Pumpaufwand bei weit entfernten Wärmepumpen.
  • Wassergefährdende Kältemittel (z. B. Ammoniak) können durch einen Zwischenkreis sicher eingesetzt werden.

Systeme ohne Zwischenkreis haben einen höheren Wirkungsgrad, jedoch können sich neben sicherheitstechnischen Aspekten auch die Verdampfer mit Sedimenten oder Biofouling zusetzen.

Ähnliche Projekte und verwandte Literatur

Die folgende Übersicht listet vergleichbare Projekte und relevante weiterführende Quellen. Die Zusammenstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit (Stand: 06/2026).

Literatur

[1]
Agora Energiewende, and Fraunhofer IEG, “Roll-Out von Großwärmepumpen in Deutschland – Strategien Für Den Markthochlauf in Wärmenetzen Und Industrie,” Agora Energiewende, Anna-Louisa-Karsch-Straße 2, 10178 Berlin, 2023.
[2]
Leßmann, D., and Riedmüller, U., “Grundlagen Und Leitlinien für Eine ökologisch Verträgliche Nutzung von Gewässern Zur wärmegewinnung: Empfehlungen Zu ökologischen Anforderungen für Fließgewässer Und Seen für Den Behördlichen Vollzug,” LAWA -- LFP 2023, Projekt O 5.23, Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA), Cottbus / Titisee-Neustadt, 2025.
[3]
Hamburg Institut, “Gewässerpumpen Aus Naturschutzsicht,” Nov2025.