i.WET-Demonstrationsvorhaben in Lünen

© Fraunhofer ISI
Funktionsweise des i.WET-Konzepts

Umsetzung des innovativen i.WET-Konzepts als Transitionsschritt hin zu einer zukunftsfähigen Wasserinfrastruktur

Urbane Wasserinfrastrukturen stehen infolge des Klimawandels und des demographischen Wandels vor tiefgreifenden Herausforderungen: Zunehmende Hitze‑ und Trockenperioden, häufigere Starkregenereignisse, steigender Sanierungsdruck bei leitungsgebundenen Systemen sowie wachsende Anforderungen an Ressourceneffizienz und Klimaschutz machen deutlich, dass konventionelle Wasser‑ und Abwassersysteme an ihre Grenzen stoßen. Die 2023 verabschiedete Nationale Wasserstrategie greift diese Problemlagen auf und fordert u. a. eine klimaangepasste Weiterentwicklung der Wasserinfrastrukturen sowie eine stärkere Verbindung von Wasser‑, Energie‑ und Stoffkreisläufen.

Vor diesem Hintergrund wurde am Fraunhofer ISI im BMBF‑Verbundprojekt TWIST++ das integrierte Wasser‑Energie‑Transitionskonzept i.WET entwickelt. Es kombiniert einen »blauen« Wiederverwertungsweg (Grauwasserrecycling, Regenwassernutzung und Wärmerückgewinnung aus Grauwasser) mit einem »grünen« Wiederverwertungsweg in Form naturnaher, bepflanzter Filter- und Retentionsstrukturen. Ziel ist ein schrittweise umsetzbarer Transformationspfad, der Trinkwasserverbrauch, Abwassermengen, Energiebedarf und stoffliche Einträge in Gewässer deutlich reduziert und gleichzeitig die Klimaresilienz von Stadtquartieren stärkt.

Das Demonstrationsvorhaben in Lünen setzte dieses Konzept erstmals unter realen Bedingungen um. Im neu errichteten Preußenquartier, einer Konversionsfläche mit Altlasten und ohne Versickerungsmöglichkeit, wurde gemeinsam mit dem Bauverein zu Lünen und dem Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen AöR ein integriertes Wasser‑Energie‑System geplant, gebaut und wissenschaftlich begleitet. Damit entstand ein Reallabor, in dem technische Leistungsfähigkeit, ökologische Wirkungen, Wirtschaftlichkeit sowie institutionelle Rahmenbedingungen eines zukunftsfähigen, modular erweiterbaren Wasserinfrastrukturkonzepts untersucht werden konnten. Die Ergebnisse und gesammelten Erfahrungen können für eine Übertragung auf weitere Quartiere und andere Kommunen genutzt werden.

Aufgabenstellung: Praxisprojekt als Demonstrationsvorhaben

Ziel des Demonstrationsvorhabens in Lünen war es, das am Fraunhofer ISI entwickelte integrierte Wasser‑Energie‑Transitionskonzept (i.WET) aus der Modell‑ in die Realanwendung zu überführen und seine technische, ökologische, ökonomische und institutionelle Tragfähigkeit unter Praxisbedingungen zu prüfen. Im neu entstehenden Preußenquartier sollte hierfür ein integriertes, ressourcen‑ und energieeffizientes Wasserinfrastruktursystem konzipiert, baulich umgesetzt und wissenschaftlich begleitet werden, das als Transitionsschritt hin zu klimaangepassten, kreislauforientierten Stadtquartieren dient.

Konkret umfasste die Aufgabenstellung die standortspezifische Planung, Dimensionierung und Realisierung der i.WET‑Komponenten: einer i.WET‑Allee als bepflanzter Bodenfilter mit Retentionsfunktion, dezentraler Grauwasseraufbereitung mit Hygienisierung zur Betriebswassernutzung, Grauwasser‑Wärmerückgewinnung sowie eines Regenwasserspeichersystems zur Bewässerung der Quartiersgrünflächen. Diese technischen Bausteine sollten mittels dynamischer Wasser‑ und Stoffstromanalysen, hydraulischer Bemessungsnachweise, lebenszyklusbasierter Kostenvergleiche sowie einer integralen Nachhaltigkeitsbewertung konzipiert und optimiert werden.

Flankierend waren die wasserrechtliche Genehmigung, die Ausarbeitung und Umsetzung eines Monitoringkonzepts sowie die Entwicklung und Erprobung neuer Rollen‑ und Geschäftsmodelle zwischen Wohnungswirtschaft, kommunaler Wasserwirtschaft, Energieversorgung und Stadtplanung zentrale Projektaufgaben. Auf dieser Basis sollten übertragbare Gestaltungsprinzipien, Handlungsempfehlungen und Bewertungsmaßstäbe abgeleitet werden, die Kommunen und Infrastruktur-Akteuren als Orientierung für die Planung künftiger, klimafester Wasserinfrastrukturen dienen können.

Video aus dem Praxisprojekt: Wassermanagement im Siedlungsbau – Bauverein zu Lünen

Ergebnisse

Im Folgenden sind die Ergebnisse aus dem Demonstrationsvorhaben in Lünen zusammengefasst. Der vollständige Abschlussbericht kann hier heruntergeladen werden.

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Das Preußenquartier als Reallabor

© Planungsunterlagen PGSJ Planungsgesellschaft mbH (2019), modifiziert
Ausschnitt aus dem Bauplan mit Markierung der i.WET-Elemente (GrW-WRG = Grauwasserwärmerückgewinnung; GrWA = Grauwasseraufbereitungsanlage)

Unter Einbeziehung wissenschaftlicher Vorarbeiten (Konzeption, Stoff- und Volumenstromanalysen) erfolgte die bauliche Umsetzung des i.WET-Konzepts im Preußenquartier. Zentrales Element ist eine i.WET‑Allee am nördlichen Rand des Quartiers: ein nach unten abgedichteter, bepflanzter Bodenfilter, der Straßen‑ und Garagendachabflüsse, Zisternenüberläufe sowie – zeitweise – Grauwasser aufnimmt, reinigt, zwischenspeichert und gedrosselt in ein Grabensystem zur Weiterleitung in ein Gewässer abgeleitet.

Dachflächen von sechs Mehrfamilienhäusern werden über drei jeweils 20 m³ große Regenwasserzisternen entwässert. Das gespeicherte Wasser dient der Bewässerung von rund 6.400 m² Grünflächen und reduziert zugleich Abflussspitzen bei Starkregen.

Im Gebäude 4 wird Duschgrauwasser separat erfasst, in einer Membranbioreaktor‑Anlage mit nachgeschalteter UV‑Desinfektion zu Betriebswasser aufbereitet und für die Toilettenspülung genutzt. Der Überlauf kann kontrolliert in die i.WET‑Allee geleitet werden.

Im Gebäude 3 wird Duschgrauwasser in einem Kellertank gesammelt und über einen integrierten Wärmetauscher und eine Sole‑/Wasser‑Wärmepumpe zur Heizungsunterstützung genutzt. Die einzelnen Komponenten wurden in einem Monitoring wasserchemisch, mikrobiologisch und energetisch erfasst und wissenschaftlich bewertet.
Trinkwassereinsparung und Abwasserreduktion

Im Preußenquartier zeigt das i.WET‑Konzept erhebliche Potenziale zur Trinkwassereinsparung und Abwasserreduktion. Modellrechnungen belegen, dass bei vollständiger Umsetzung des Grauwasserrecyclings und der Regenwassernutzung rund 30 bis 40 Prozent des häuslichen Trinkwasserverbrauchs substituiert werden können – dies entspricht etwa 17 m³/(EW·a) bzw. ca. 2.900 m³/a für das Quartier. Erste Betriebsdaten aus Haus 4 bestätigen diese Größenordnung: Unter Nutzung der Grauwasserrecyclinganlage können dort 80 bis 90 Prozent des Toilettenspülwassers durch aufbereitetes Duschgrauwasser ersetzt werden. Die zur Kläranlage abgeführte Schmutzwassermenge sinkt im gleichen Maß wie die eingesparte Trinkwassermenge.

Zugleich werden Niederschlagsabflüsse über drei jeweils 20 m³ große Regenwasserspeicher zur Bewässerung von ca. 6.400 m² Grünflächen genutzt und nur gedrosselt in die i.WET‑Allee abgegeben. Die Kombination aus Wasserwiederverwendung und Retention reduziert sowohl Abwasservolumen als auch Abflussspitzen und kann damit die hydraulische und stoffliche Belastung von Kanalisation und Vorfluter deutlich mindern.Dachflächen von sechs Mehrfamilienhäusern werden über drei jeweils 20 m³ große Regenwasserzisternen entwässert. Das gespeicherte Wasser dient der Bewässerung von rund 6.400 m² Grünflächen und reduziert zugleich Abflussspitzen bei Starkregen.

Im Gebäude 4 wird Duschgrauwasser separat erfasst, in einer Membranbioreaktor‑Anlage mit nachgeschalteter UV‑Desinfektion zu Betriebswasser aufbereitet und für die Toilettenspülung genutzt. Der Überlauf kann kontrolliert in die i.WET‑Allee eingeleitet werden.

Im Gebäude 3 wird Duschgrauwasser in einem Kellertank gesammelt und über einen integrierten Wärmetauscher und eine Sole‑/Wasser‑Wärmepumpe zur Heizungsunterstützung genutzt. Die einzelnen Komponenten wurden in einem Monitoring wasserchemisch, mikrobiologisch und energetisch erfasst und wissenschaftlich bewertet.
Reinigungsleistung der i.WET‑Allee

© Fraunhofer ISI
In die i.WET‑Allee in Lünen fließt Wasser von Straßen und Garagendächern, Überläufe aus Zisternen sowie – zeitweise – (un)aufbereitetes Duschgrauwasser.

© Thomas Palz
Die i.WET‑Allee filtert das Wasser und ermöglicht eine sichere Direkteinleitung in den Entwässerungsgraben.

Die i.WET‑Allee in Lünen übernimmt die Behandlung von Straßen‑ und Garagendachabflüssen, Zisternenüberläufen sowie – zeitweise – von (un)aufbereitetem Duschgrauwasser. Modellrechnungen und Stoffstromanalysen zeigten bereits ex ante, dass hydraulische Belastung und Schadstoffeinträge so begrenzt werden können, dass die einschlägigen Grenz‑ und Richtwerte nach DWA‑A 102/BWK‑A 3 2016 sowie die strengsten Anforderungen der Abwasserverordnung (AbwV 2004) sicher eingehalten werden.

Monitoringdaten aus den Jahren 2024 und 2025 bestätigen diese Annahmen: Chemischer und biologischer Sauerstoffbedarf sowie abfiltrierbare Stoffe (AFS) lagen im Ablauf durchweg deutlich unter den Anforderungen der Abwasserverordnung, AFS überwiegend unter der Nachweisgrenze. Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor bewegten sich – abgesehen von einem Einzelwert – in sehr niedrigen Konzentrationsbereichen; Schwermetalle waren nur in Spuren nachweisbar. Die mikrobiologischen Parameter (u. a. Escherichia coli, Enterokokken) blieben dauerhaft unterhalb der Orientierungswerte der EU‑Badegewässerrichtlinie (Richtlinie 2006/7/EG).

Damit erbringt die i.WET‑Allee eine dauerhaft hohe Reinigungsleistung und ermöglicht eine sichere Direkteinleitung des Ablaufes in den Entwässerungsgraben, bei gleichzeitiger Retention und Verdunstungskühlung im Quartier.
Grauwasseraufbereitung: Qualität des Betriebswassers

Im Preußenquartier wird in einem der Häuser das Duschgrauwasser (Typ A) über eine biologische Membranbioreaktor‑Anlage mit nachgeschalteter UV‑Desinfektion zu Betriebswasser für die Toilettenspülung aufbereitet.

Die Monitoringdaten 2024 zeigen eine deutliche Reduktion der organischen Belastung: Chemischer und biologischer Sauerstoffbedarf liegen im Ablauf überwiegend unter 15 mg/L bzw. 5 mg/L, abfiltrierbare Stoffe meist unter der Nachweisgrenze. Gesamtstickstoff bewegt sich im Bereich von rund 4–5 mg/L, Phosphor in niedrigen Zehntel‑mg/L‑Konzentrationen. Damit erfüllt das Betriebswasser die Anforderungen der Nutzungsklasse C1 und erreicht faktisch C2‑Niveau nach dem Merkblatt DWA‑M 277. Zuvor erstellte modellbasierte Voruntersuchungen hatten diese Größenordnung bereits prognostiziert.

Mikrobiologisch werden Coliforme, Escherichia coli, Enterokokken und Pseudomonas aeruginosa in der Regel um drei bis fünf Log‑Stufen reduziert; die gemessenen Werte liegen deutlich unter den Richtwerten des DWA‑M 277. Eine temporäre Qualitätsminderung infolge eines baulichen Mangels wurde identifiziert und behoben; seitdem arbeitet die Anlage nach Wiederinbetriebnahme wieder störungsfrei.
Wärmerückgewinnung aus Grauwasser

In einem weiteren Haus wird das warm anfallende Duschgrauwasser (ca. 25–30 °C) in einem ca. 2 m³ großen Kellertank gesammelt und über einen integrierten Edelstahl-Wärmetauscher einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe (»Grauwasserwärmepumpe«) zugeführt. Diese speist – parallel zur zentralen Luft-/Wasser-Wärmepumpe – das »kalte« Heiz- und Warmwassernetz des Gebäudes (Vorlauftemperatur ca. 43–45 °C). Damit wird ein bisher ungenutztes Abwasserwärmepotenzial dezentral erschlossen.

Monitoringdaten aus den Jahren 2024 und 2025 belegen die grundsätzliche technische Funktionsfähigkeit. Es besteht allerdings Optimierungsbedarf bei der Umsetzung, vor allem für die Steuerung und quellengeführte Betriebsweise, um das Potenzial noch besser ausnutzen zu können. So deckt die Grauwasser-Wärmepumpe bereits rund sechs Prozent des jährlichen Wärmebedarfs des Gebäudes ab, bei einer realisierten Jahresarbeitszahl von etwa 2,7. Modellrechnungen zeigen jedoch, dass bei optimierter, quellgeführter Betriebsweise und Ausbau auf alle Gebäude des Quartiers der Primärenergiebedarf für die Warmwasserbereitung um bis zu 20 Prozent (nur Wärmetauscher) bzw. 50 Prozent (Wärmetauscher + Wärmepumpe) sinken und eine CO₂‑Minderung von bis zu ca. 14 t/a erzielt werden kann. Insgesamt bestätigt das Demonstrationsvorhaben das erhebliche Effizienz- und Klimaschutzpotenzial der Wärmerückgewinnung aus Grauwasser im Mehrfamilienhausmaßstab.
Beitrag zu Zukunftszielen für nachhaltige Entwicklung (SDG)

Das i.WET-Konzept im Preußenquartier adressiert zentrale Ziele für nachhaltige Entwicklung (»sustainable development goals«, SDG) der Agenda 2030 und der Vereinten Nationen. Dies umfasst insbesondere SDG 6 (Wasser und Sanitärversorgung), SDG 11 (Nachhaltige Städte), SDG 12 (Nachhaltige Konsum und Produktionsmuster) und SDG 13 (Klimaschutz und -anpassung).
Akteure, Rollen und neue Geschäftsmodelle

© Fraunhofer ISI
Infrastructure Transition Canvas zu iWET zur Erfassung der relevanten Elemente bei der Umsetzung innovativer Wasserinfrastrukturkonzepte (Hohmann und Bieker (2023), eigene Darstellung nach Hohmann und Truffer (2022))

Die Umsetzung des i.WET‑Konzepts im Preußenquartier erforderte neue Rollenverteilungen und Geschäftsmodelle, im konkreten Anwendungsfall u.a. zwischen dem Bauverein zu Lünen, dem Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen (SAL), den Stadtwerken, der Stadtverwaltung und der Mieterschaft. Der Bauverein investiert in gebäudenahe Innovationen (Grauwasseraufbereitung, Wärmerückgewinnung) und übernimmt Teile des Anlagenbetriebs, während die SAL mit der i.WET‑Allee vom reinen Abwasserableitungsbetrieb zur Betreiberin einer blau‑grünen Infrastruktur mit Behandlungsfunktion wird. Gleichzeitig verändern Grauwasserrecycling und Regenwassernutzung die Gebührenbasis von Trinkwasser‑ und Abwasserwirtschaft.

Zur strukturierten Bearbeitung dieser Transformationsfragen wurde das »Infrastructure Transition Canvas« entwickelt (Hohmann und Truffer 2022; Hohmann und Bieker 2023). Es erweitert klassische Business‑Model‑Ansätze auf Infrastruktursysteme und macht Schlüsselakteure, Aktivitäten, Ressourcen, Stakeholder, Werte, Kosten, Risiken, Koordination sowie Anreiz‑ und Ausgleichsmechanismen sichtbar. In einem Projektworkshop 2021 diente das Canvas als gemeinsame Diskussionsgrundlage, um Verantwortlichkeiten, Zahlungsströme und Governance‑Optionen für i.WET in Lünen zu klären.

Die Erfahrungen zeigen, dass solche Instrumente entscheidend sind, um technische Innovationen mit institutionellen und ökonomischen Anpassungen zu verbinden und damit die Übertragbarkeit integrierter Wasser‑Energie‑Konzepte auf weitere Quartiere zu unterstützen.

Allgemeine Infos zum Forschungsprojekt

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Publikationen

Hillenbrand, T.; Lesmeister, L.; Niederste-Hollenberg, J.; Tettenborn, F. (2026): Innovative Wasser-Energie-Transition (i.WET): Demonstrationsvorhaben in Lünen. Umsetzung eines innovativen Konzepts als Transitionsschritt hin zu einer zukunftsfähigen Wasserinfrastruktur. Abschlussbericht. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe.
Hohmann, C.; Bieker, S. (2023): Klimaanpassung mittels blaugrüner Infrastrukturen. Beschleunigung von Nachhaltigkeitstransformationen mit dem Infrastructure-Transition-Canvas (ITC). Transforming cities 3, S. 71–75.
Hillenbrand, T.; Niederste-Hollenberg, J. (2023): Wasserressourcenmanagement in Zeiten des Klimawandels. wwt Wasserwirtschaft Wassertechnik (07–08/2023).
Hillenbrand, T.; Niederste-Hollenberg, J. (2022): Konkrete Umsetzung innovativer Konzepte – Akteure, Organisation, rechtlicher Rahmen. Seminar: Wasserbewusste Stadtentwicklung durch ressourcenorientierte Sanitärsysteme (NASS), 29. März 2022, Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA), Hennef.
Hillenbrand, T. (2022): Kopplung von Wasser- und Energieströmen – Umsetzung des i.WET-Konzepts in Lünen. Seminar: Ressourcenorientierte Sanitärsysteme (NASS) – Wasserknappheit in der Stadt, 19. Januar 2022, Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA), Hennef.
Hohmann, C.; Truffer, B. (2022): The infrastructure transition canvas: A tool for strategic urban infrastructure planning. Nature-Based Solutions 2, 100039. DOI: 10.1016/j.nbsj.2022.100039.
Niederste-Hollenberg, J.; Winkler, J.; Fritz, M.; Zheng, L.; Hillenbrand, T.; Kolisch, G.; Schirmer, G.; Borger, J.; Doderer, H.; Dörrfuß, I. (2021): Klimaschutz- und Energieeffizienzpotenziale in der Abwasserwirtschaft – aktueller Stand und Perspektiven. UBA-Texte 50/2021, Dessau.
Niederste-Hollenberg, J.; Hillenbrand, T. (2020): Von der Siedlungsentwässerung zum Wassermanagement – Transition am Beispiel eines Stadtquartiers. fbr-Wasserspiegel 04/20, S. 3–8.
Hillenbrand, T.; Hohmann, C.; Bieker, S.; Niederste-Hollenberg, J.; Tettenborn, F.; Grimm, A. (2019): Kopplung technischer Infrastruktursysteme am Beispiel Wasser. Potenziale, Hemmnisse und deren Überwindung. Transforming cities 4 (4), S. 75–79.
Sartorius, C.; Hillenbrand, T.; Niederste-Hollenberg, J. (2019): Multikriterielle Bewertung von Wasserinfrastruktursystemen im Kontext der SDGs. In: Leal Filho, W. (Hrsg.): Aktuelle Ansätze zur Umsetzung der UN-Nachhaltigkeitsziele. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg, S. 271–289. DOI: 10.1007/978-3-662-58717-1_15.

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