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Oberflächengewässer

Jahresgang der Luft- und Wassertemperaturen in Potsdam als Grundlage für die Ermittlung der Effizienz einer Flußwärmepumpe. Quelle: Landeshauptstadt Potsdam

Ein Oberflächengewässer oder Gewässer ist in der Natur fließendes oder stehendes Wasser. Es ist in den natürlichen Wasserkreislauf eingebunden.

Zu den Oberflächengewässern zählen Flüsse, Seen, Übergangs- und Küstengewässer. Oberflächengewässer liegen in unterschiedlichen Naturräumen und unterscheiden sich aufgrund der Geologie im Einzugsgebiet, ihrer Gewässerstruktur und aufgrund der vorkommenden Tier- und Pflanzenarten. Daher wurde ein System entwickelt, das die Gewässer entsprechend ihrer naturräumlichen Eigenschaften nach gemeinsamen Merkmalen zu Gewässertypen zusammenfasst. Für die Typisierung werden Fließgewässer mit einem Einzugsgebiet größer 10 km², stehende Gewässer mit einer Oberfläche von mehr als 0,5 km², Übergangsgewässer sowie Küstengewässer innerhalb einer Seemeile seewärts von der Basislinie (entspricht meist der Niedrigwasserlinie) berücksichtigt.

Abschnitte eines Fließgewässers des gleichen Typs, in denen auch weitere wichtige Randbedingungen wie u. a. Fließcharakteristik und Belastungsschwerpunkte einheitlich sind, werden als Wasserkörper bezeichnet. Wasserkörper in Küstengewässern werden nach ihrem Salzgehalt und ihrer Tiefe unterschieden, während Seen im Allgemeinen nicht weiter in Wasserkörper unterteilt werden.

Oberflächengewässer werden zudem in natürliche und künstliche Wasserkörper unterschieden. Natürliche Gewässer können weiterhin aufgrund von morphologischen Veränderungen als erheblich verändert ausgewiesen werden. Diese Unterscheidung ist wichtig im Hinblick auf die geforderten Umweltziele. Die Vorgaben für erheblich veränderte und künstliche Gewässer sind aufgrund des besonderen Nutzungsdrucks weniger streng als für die natürlichen.

Die Lehre von den oberirdischen Gewässern ist die Hydrologie, eingeteilt in die der Binnengewässer (Limnologie), und die der Meere (Ozeanografie). Die Lehre von der unterirdischen Gewässer (Grundwasser) ist die Hydrogeologie.

Die Nutzung von Oberflächengewässern (wie Flüssen, Kanälen, Seen, Meer) zur Wärmeversorgung, oft als Aquathermie oder Gewässerthermie bezeichnet und ist ein Teilgebiet der Geothermie Es ist eine vielversprechende erneuerbare Technologie. Dabei wird die im Wasser gespeicherte Wärme mittels Wärmepumpen auf das nötige Temperaturniveau gehoben und so nutzbar gemacht.

Funktionsweise der Gewässerthermie

Oberflächengewässer speichern im Vergleich zur Luft effizienter Wärme und weisen meist stabilere Temperaturen auf, die durch Sonneneinstrahlung und atmosphärische Einflüsse regeneriert werden.

Die Wärmeentnahme erfolgt in der Regel über zwei Hauptsysteme:

Offenes System (Direkte Entnahme):
- Wasser wird direkt aus dem Gewässer entnommen.
- Es wird durch einen Wärmeübertrager an Land geleitet, der die thermische Energie auf ein Kältemittel überträgt.
- Anschließend wird das abgekühlte Wasser (meist nur um wenige Kelvin) in das Gewässer zurückgeführt (thermische Einleitung).
Geschlossenes System (Indirekte Entnahme):
- Ein Wärmeübertrager (Rohrschleifen oder Platten) wird direkt im Gewässer verlegt.
- Ein Wärmeträgermedium (Sole) zirkuliert in diesem geschlossenen Kreislauf, nimmt die Wärme aus dem Gewässer auf und leitet sie zur Wärmepumpe.
- Es erfolgt keine Wasserentnahme oder Rückleitung.

Großwärmepumpen heben die gewonnene niedrige Temperatur auf ein für Heizungen (z.B. Fernwärmenetze) nutzbares Niveau (bis zu über 60 °C oder mehr) an.

Potenziale und Einsatz

Großes Potenzial: Flüsse, Seen und Meere stellen eine weit verbreitete und zugängliche Wärmequelle dar. Studien zeigen, dass das Potenzial, beispielsweise von Flusssystemen, enorm ist und in vielen Regionen einen signifikanten Teil des Wärmebedarfs decken könnte.
Anbindung an Wärmenetze: Die Nutzung der Wärme aus Gewässern erfolgt oft zentral, um ganze Stadtteile (Quartiere) oder Kommunen über Wärmenetze zu versorgen.
Kühlung: Die Systeme können im Sommer auch umgekehrt zur Kühlung von Gebäuden genutzt werden, indem Wärme an das Gewässer abgegeben wird.
Beispiele (Deutschland): Es gibt bereits Projekte wie die Flusswasser-Wärmepumpe in Mannheim (Nutzung des Rheins) oder in Rosenheim (Nutzung von Bachwasser), die große Wärmeleistungen in Fernwärmenetze einspeisen.

Rechtliche und Ökologische Aspekte

Die Nutzung von Oberflächengewässern ist stets mit wasserrechtlichen Anforderungen und Umweltschutzbestimmungen verbunden, da sie eine Gewässerbenutzung darstellt und in der Regel eine behördliche Erlaubnis erfordert.

Thermische Veränderung: Die Abkühlung des Gewässers bei der Wärmeentnahme (Heizbetrieb im Winter) oder die Erwärmung bei der Kühlung (Sommer) muss im Hinblick auf das Ökosystem des Gewässers (insbesondere für Fische und andere Organismen) verträglich sein.
Schutz des Ökosystems: Es müssen Grenzwerte für die zulässige Temperaturveränderung eingehalten werden, um negative Auswirkungen zu minimieren. In Deutschland gelten hierfür in Fließgewässern oft strenge Regeln (z.B. maximale Abkühlung oder die Einhaltung einer Höchsttemperatur).
Wasserwirtschaftliche Einschränkungen: Die Nutzung kann durch geringen Wasserabfluss (Niedrigwasser) oder andere bestehende Nutzungen (z.B. Naturschutzgebiete) eingeschränkt sein.

Die Kommunale Wärmeplanung dient als wichtiges Instrument, um die Potenziale von Gewässerthermie in einer Region strategisch zu identifizieren und die notwendigen Rahmenbedingungen (wie Standorte, Netzanbindung und Genehmigungsverfahren) zu klären.

Beispiel Weser

In der Flussgebietseinheit Weser werden insgesamt 1.438 Oberflächenwasserkörper abgegrenzt (Stand 2015), davon entfallen 1.405 auf Fließgewässer, 26 auf stehende Gewässer und 7 auf Übergangs- und Küstengewässer. Die einzelnen Wasserkörper werden in einem Kartenserver dargestellt und kurz beschrieben.

Bedeutung für die Geothermie

Sowohl für die Oberflächennahe als auch für die Tiefengeothermie sind Oberflächengewässer einschließlich der Meere von Interesse. Ihre Nutzung zur Energiegewinnung insbesondere die Wärmegewinnung sind ein wesentlicher Bestandteil der Geothermie. Ein wesntlicher Faktor bei der thermischen Nutzung von Oberflächengewässern ist deren jährlicher Temperaturgang in Relations zum Wärmebedarf. Gerade im Winter, wenn viel Wärme gebraucht wird können die Wassertemperaturen sehr niedrig sein, was die Effizienz einer z.B. einer Flusswärmepumpe beeinflusst.

Die Oberflächengewässer stehen darüber hinaus in einem permanenten Austausch mit dem Grundwasser und so sind diese beiden Energiequellen oft als Einheit zu sehen.

Die Nutzung von Oberflächengewässern setzt nicht automatisch große Wärmepumpen voraus, sie lassen sich auch mit Kaltwärmenetzen und damit mit dezentralen kleinen Wärmepumpen kombinieren.

Oberflächengewässer können auch zur Kühlung bei Geothermiekraftwerken in Frage kommen.