Assessing the seasonal potential of wastewater and rivers as heat sources for district heating: Methodology and example application for the federal state of Hesse, Germany

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Joachim Sieglar
https://orcid.org/0009-0006-8969-0504
Johannes Zipplies
https://orcid.org/0009-0003-6376-3507
Valerie Liese
https://orcid.org/0009-0008-3032-1194
Nele Siebert
https://orcid.org/0009-0007-6400-6486
Tobias Morck
https://orcid.org/0000-0002-9780-0703
Stephan Theobald
https://orcid.org/0000-0003-2953-3997
Klaus Vajen
https://orcid.org/0000-0002-3583-9741
Ulrike Jordan
https://orcid.org/0000-0002-6614-9006

Abstract

The transition to a sustainable energy system requires the consideration of all available renewable heat sources. This study assesses the potential of wastewater and river heat for district heating networks in the federal state of Hesse, Germany, considering the seasonality of available heat and heat demand. Using standardised temperature and flow profiles for 443 wastewater treatment plants as well as interpolated river temperature and flow data for approx. 1,500 km of rivers, the study quantifies the heat extraction potential. By matching with heat demand profiles at daily resolution, based on forecast heat demand data for the year 2045, the long-term usable potential is determined. Possible heat network areas are identified based on the heat density indicator. For all building blocks with heat densities above 175 MWh/(ha·a), the usable heat potential amounts to 4.5 TWh/a for river heat pumps and 4.9 TWh/a for wastewater heat pumps. Applying a higher threshold of 415 MWh/(ha·a) reduces the potential to 1.3 TWh/a and 2.4 TWh/a, respectively. The usable potential of both sources together corresponds to 11 % to 28 % of Hesse's heating demand for space heating and domestic hot water. Using a new 1D energy balance model for an exemplary river it is shown that the heat extraction from the river is acceptable concerning cumulative cooling. The study provides municipalities with a comprehensive database that facilitates the incorporation of these underutilised heat sources into their mandatory heat planning. The methodology presented can be adapted to other regions.

Article Details

How to Cite
Sieglar, J., Zipplies, J., Liese, V., Siebert, N., Morck, T., Theobald, S., … Jordan, U. (2026). Assessing the seasonal potential of wastewater and rivers as heat sources for district heating: Methodology and example application for the federal state of Hesse, Germany. International Journal of Sustainable Energy Planning and Management, 49, 5–25. https://doi.org/10.54337/ijsepm.11196
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References

[1] Masiukiewicz M, Tańczuk M, Anweiler S, Streckienė G, Boldyryev S, Chacartegui R et al. Performance variability of air-water heat pumps in cold and warm years across European climate zones. Energy 2025. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136001.

[2] Rezaie B, Rosen MA. District heating and cooling: Review of technology and potential enhancements. Applied Energy 2012. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.04.020.

[3] Culha O, Gunerhan H, Biyik E, Ekren O, Hepbasli A. Heat exchanger applications in wastewater source heat pumps for buildings: A key review. Energy and Buildings 2015. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.07.013.

[4] Łokietek T, Tuchowski W, Leciej-Pirczewska D, Głowacka A. Heat Recovery from a Wastewater Treatment Process—Case Study. Energies 2023. https://doi.org/10.3390/en16010044.

[5] Hamburg Wasser. Hamburg gewinnt Wärme aus Abwasser. [November 20, 2025]; Available from: https://www.hamburgwasser.de/presse/pressemitteilungen/hamburg-gewinnt-waerme-aus-abwasser.

[6] BEW Berliner Energie und Wärme GmbH. Das Energiedreieck Ruhleben. [November 20, 2025]; Available from: https://www.bew.berlin/fernwaermesystem/waermewende/energiedreieck-ruhleben/.

[7] Sun J, Li Y, Kashif N, Liu X, Lian J, Pagnotti A et al. Comparative performance assessment of air-source and ground-source heat pumps using CO₂ and R-410A with water well integration: A simulation study. Journal of Building Engineering 2025. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2025.114453.

[8] Jung JW, Nam JS, Kim HS. Cases of Water Source Energy Utilization of Sewage and River water in Korea. Water Future 2017.

[9] Ferstl J, Wettberg N, Hinterstocker M, Möbius A. Wärmepumpen an Fließgewässern: Analyse des theoretischen Potenzials in Bayern. München; 2024.

[10] Andy Pearson. River Source Heat Pumps for Residential and Commercial Heat Networks - A Case Study: IoR Annual Conference – The Journey to Net Zero Heating and Cooling. Glasgow; 2021.

[11] Deutscher Bundestag. Gesetz für die Wärmeplanung und zur Dekarbonisierung der Wärmenetze - Wärmeplanungsgesetz: WPG; 2023.

[12] Pieper H, Lepiksaar K, Volkova A. GIS-based approach to identifying potential heat sources for heat pumps and chillers providing district heating and cooling. IJSEPM 2022. https://doi.org/10.54337/ijsepm.7021.

[13] Dénarié A, Fattori F, Spirito G, Macchi S, Cirillo VF, Motta M et al. Assessment of waste and renewable heat recovery in DH through GIS mapping: The national potential in Italy. Smart Energy 2021. https://doi.org/10.1016/j.segy.2021.100008.

[14] Neugebauer G, Kretschmer F, Kollmann R, Narodoslawsky M, Ertl T, Stoeglehner G. Mapping Thermal Energy Resource Potentials from Wastewater Treatment Plants. Sustainability 2015. https://doi.org/10.3390/su71012988.

[15] Živković M, Ivezić D. Utilizing sewage wastewater heat in district heating systems in Serbia: effects on sustainability. Clean Techn Environ Policy 2022. https://doi.org/10.1007/S10098-021-02063-6.

[16] Münch K, Blömer S, Lütkes L, Pehnt M, Schoor B, Schmidt C et al. Abwasserwärmenutzung aus dem Auslauf von Kläranlagen: Lokalisierung von Standorten in Baden-Württemberg; 2022.

[17] Dering N, Dülger E, Eickhoff P, Fleiter E, Hülfenhaus V, Jansen R et al. Potenzialstudie zur zukünftigen Wärmeversorgung in NRW: Kurzdokumentation: Abwasser; 2025.

[18] Sres A. Weissbuch Fernwärme Schweiz - VFS Strategie: Langfristperspektiven für erneuerbare und energieeffiziente Nah- und Fernwärme in der Schweiz. Schlussbericht Phase 2: GIS-Analyse und Potentialstudie; 2014.

[19] Pelda J, Reuter S, Cozzini M, Gebetsroither-Geringer E, Salaymeh A, Paradiso R et al. Advanced algorithm for spatial identification, evaluation of temporal availability and economic assessment of waste heat sources and their local representation: IEA DHC/CHP Report; 2023.

[20] Spriet J, McNabola A, Neugebauer G, Stoeglehner G, Ertl T, Kretschmer F. Spatial and temporal considerations in the performance of wastewater heat recovery systems. Journal of Cleaner Production 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119583.

[21] European Parliament. Directive 2000/60/EC: Establishing a framework for Community action in the field of water policy - Water Framework Directive: WFD; 2014.

[22] Leßmann D, 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. Abschlussbericht LAWA – LFP 2023, Projekt O 5.23; 2025.

[23] Seidel C, Ostermann L. Grüne Nah- und Fernwärme aus Fließgewässern Untersuchung für die 80 Großstädte in Deutschland. Abschlussbericht. Braunschweig; 2024.

[24] Wirtschaftsförderung Land Brandenburg GmbH. Energieportal Brandenburg: Potenzial Wärmeerzeugung - Flussgewässerthermie. [July 15, 2025]; Available from: https://energieportal-brandenburg.de/cms/inhalte/tools/werkzeugkasten-waermewende/methodik/potenzial-waermeerzeugung-flussgewaesserthermie.

[25] Born H. Wärmestudie NRW: Daten für die Wärmewende: Fachforum 2: Abwasser & Oberflächengewässer; 2024.

[26] Salaymeh A, Eck J, Holler S, Peters I. Techno-spatial evaluation of the sustainable thermal potential and water withdrawal rates of waterbodies. Energy 2025. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.137093.

[27] Baes S. Aquathermie Potentieel Oost-Vlaanderen; 2023.

[28] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA), Landesverband Mitte. Leistungsnachweis kommunaler Kläranlagen; 2023.

[29] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. DWA-A 198 - Ermittlung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen; 2022.

[30] Astaraky D. RPubs - Time Series Analysis in R - Decomposing Time Series. [November 12, 2025]; Available from: https://rpubs.com/davoodastaraky/TSA1.

[31] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Merkblatt DWA-M 114 - Abwasserwärmenutzung; 2020.

[32] Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie. Geodienste Wasser. [July 18, 2025]; Available from: https://www.hlnug.de/themen/geografische-informationssysteme/geodienste/wasser.

[33] Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie. Wasser / Aktuelle Messdaten. [July 18, 2025]; Available from: https://www.hlnug.de/static/pegel/wiskiweb3/webpublic/.

[34] Generaldirektion Wasserstraßen und Schifffahrt. PEGELONLINE. [July 18, 2025]; Available from: https://www.pegelonline.wsv.de/.

[35] Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg. Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch im Internet: DGJ-Pegeldaten und Gewässerkundliche Jahrbücher des Bundes und der Länder. [July 18, 2025]; Available from: https://www.dgj.de/.

[36] Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie. Geodienste Naturschutz. [July 24, 2025]; Available from: https://www.hlnug.de/themen/geografische-informationssysteme/geodienste/naturschutz.

[37] Bundesanstalt für Gewässerkunde, Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Pegeldatenbank. [August 23, 2025]; Available from: https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/Wasserstaende/wasserstaende_node.html.

[38] Hersbach H, Comyn-Platt E, Bell B, Berrisford P, Biavati G, Horányi A et al. ERA5 post-processed daily-statistics on pressure levels from 1940 to present. https://doi.org/10.24381/CDS.4991CF48.

[39] Bormans M, Webster IT. Dynamics of Temperature Stratification in Lowland Rivers. Journal of Hydraulic Engineering 1998.

[40] LARSIM-Entwicklergemeinschaft. Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM: Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele. LARSIM-Entwicklergemeinschaft (LEG); 2024.

[41] Bartholow JM. A modeling assessment of the thermal regime for an urban sport fishery. Environmental Management 1991. https://doi.org/10.1007/BF02394821.

[42] Bartholow JM. SSTEMP for Windows: The Stream Segment Temperature Model (Version 2).

[43] Bowen IS. The Ratio of Heat Losses by Conduction and by Evaporation from any Water Surface. Physical Review 1926. https://doi.org/10.1103/PhysRev.27.779.

[44] Stein K. Langzeitsimulation der Wassertemperatur von Fließgewässern mit Berücksichtigung der Beschattungsdynamik durch Ufergehölze [Dissertation]. Braunschweig: Technische Universität Carolo-Wilhelmina; 2018.

[45] Länderarbeitsgemeinschaft Wasser. Grundlagen für die Beurteilung der Wärmebelastungen von Gewässern: Teil 1: Binnengewässer. 2. verbesserte Auflage 1977; 1977.

[46] Möller F. Einführung in die Meteorologie. Mannheim: BI-Wissenschaftsverl; 1984.

[47] Dugdale SJ, Malcolm IA, Kantola K, Hannah DM. Stream temperature under contrasting riparian forest cover: Understanding thermal dynamics and heat exchange processes. Sci Total Environ 2018. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.198.

[48] Blömer S, Mellwig P, Ochse S, Drahorad S, Huber B, Jäger S. Wärmeatlas Hessen - Dokumentation; 2023.

[49] Ortner S, Paar A, Johannsen L, Wachter P, Hering D, Pehnt M et al. Leitfaden Wärmeplanung: Empfehlungen zur methodischen Vorgehensweise für Kommunen und andere Planungsverantwortliche; 2024.

[50] Bürger S, Grotelüschen L, Klausing R. Datenaggregation nach dem WPG - Zusammenfassung der Ergebnisse der Facharbeitsgruppe Aggregation (FAGA); 2025.

[51] BDEW, VKU, GEODE. Abwicklung von Standardlastprofilen Gas. Berlin; 2024.

[52] Loga T, Großklos M, Landgraf K. Gradtagzahltool: Gradtagzahlen-Deutschland.xlsx. Institut Wohnen und Umwelt GmbH (IWU); 2025.

[53] Jesper M, Schlosser F, Pag F, Walmsley TG, Schmitt B, Vajen K. Large-scale heat pumps: Uptake and performance modelling of market-available devices. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2021. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110646.