Vertical Water Sponge - Wasserspeichersysteme zum Schutz vor Überschwemmungen und extremer Hitze

Warum brauchen wir eine neue Lösung?

Wenn Häuser, Straßen und Plätze einen großen Teil der Flächen versiegeln, werden Starkregenereignisse schnell zur Gefahr: Weil Versickerungskapazitäten fehlen, drohen die Überlastung der Kanalisation, Hochwasser und Schäden an Bausubstanz und Infrastruktur. Um solche Katastrophen zu vermeiden, steuern Stadtplanende mit vorbeugenden »Schwammstadt«-Maßnahmen gegen. Dazu gehören der Bau von ober- und unterirdischen Versickerungsanlagen oder Rückhaltebecken, die Entsiegelung, das Anlegen von Grünflächen, das Pflanzen von Bäumen und das Begrünen von Dächern. Allerdings lassen sich solche baulichen Eingriffe oft nur eingeschränkt einsetzen, vor allem weil der verfügbare Platz den Handlungsspielraum limitiert. Das Team um Dr. rer. nat. Holger Wack vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT hat mit »Vertical Water Sponge« einen Lösungsansatz entwickelt. 

Was macht das Projekt einzigartig?

»Vertical Water Sponge« erweitert den Werkzeugkasten für das innerstädtische Wassermanagement um einen innovativen Technologieansatz, der das weitgehend ungenutzte Potenzial von Fassaden, Wänden und anderen vertikalen Strukturen in großem Maßstab für die Wasserretention erschließt. Im Vergleich zu anderen Schwammstadt-Maßnahmen benötigen solche Rückhaltesysteme nur wenig Grundfläche, um große Mengen an Wasser zu binden und das Ablauf- und Kanalsystem dementsprechend zu entlasten. Kernelement der neuen Lösung sind Speichermodule mit einer feuchtigkeitsdurchlässigen Außenhülle und einer saug- und speicherfähigen Füllung aus mineralischem Granulat. Dieses nimmt den eingeleiteten Niederschlag von den Dachflächen wie ein Schwamm auf und gibt ihn später über Verdunstung wieder an die Umgebung ab.

»Vertical Water Sponge«-Systeme benötigen nicht nur wenig Grundfläche, sie lassen sich auch ohne Eingriffe in die bestehende Infrastruktur und vergleichsweise leicht realisieren: keine teuren Tiefbaumaßnahmen, wie die zum Anlegen unterirdischer Rückhaltebecken; keine aufwendige Pflege und Bewässerung in Trockenphasen, wie sie konventionelle Wand- oder Dachbegrünungen erfordern. Das spart Geld, Zeit und Ressourcen.

Doch »Vertical Water Sponge« hat noch andere Vorzüge. Die durch die Verdunstung entstehende Kälte könnte etwa bei sommerlicher Hitze kühlende Aufenthaltsorte schaffen, das Mikroklima der Innenstädte positiv beeinflussen oder an die Haustechnik angeschlossen zur Klimatisierung einzelner Gebäude beitragen. Denkbar sind auch funktional erweiterte Moduloberflächen. So ließen sich »Vertical Water Sponge«-Körper beispielsweise mit Sedum und Moosen extensiv begrünen oder mit Photovoltaik-Platten bestücken, die im Sommer durch die rückseitige Verdunstungskälte potenziell mehr leisten. 

Wem nutzt die neue Technologie?

»Vertical Water Sponge« ist prädestiniert für den großflächigen Einsatz im bebauten Raum, sowohl im Bestand als auch im Neubau, auf öffentlichen Flächen ebenso wie im Wohn- oder Industriebau. Städteplanende, Bauunternehmen, Architekturbüros und über Lizenznehmende auch private und öffentliche Bauherrschaften bekommen ein neues, nachhaltiges Instrument an die Hand – für effizientes Regenwassermanagement, Überflutungsprävention und die moderne, ästhetische Gestaltung von Fassaden und Stadtbild. Als Bestandteil eines breit angelegten Gesamtkonzepts im öffentlichen Raum könnten »Vertical Water Sponge«-Systeme dazu beitragen, dass sogar bei halbstündigen »außergewöhnlichen Starkregenereignissen« – mit bis zu 44 l/m² und einer Wiederkehrzeit von 100 Jahren – keine Schäden durch Hochwasser entstehen. Zugleich würden die vertikalen Wasserspeicher durch die Verdunstungskälte dem Urban-Heat-Island-Effekt entgegenwirken, also der städtischen Überwärmung durch dichte Bebauung und fehlende Grünflächen. Das könnte den Lebenskomfort für die Stadtbevölkerung steigern und in ausgeprägten Hitzephasen das Gesundheitssystem entlasten. 

Wie funktioniert die neue Lösung?

Die Wasserspeichermodule (Retentionskörper) gehören zu den zentralen Komponenten des Systems. Ihre durchlässige Außenhülle soll möglichst stabil sein und zugleich die verdunstete Feuchtigkeit ungehindert nach außen dringen lassen. Am Demonstrator des Fraunhofer-Instituts hat sich ein speziell angefertigtes Lochblech aus eloxiertem Aluminium bewährt. Beim wasserspeichernden, mineralischen Kern stehen insbesondere die Wasserspeicherkapazität und -leitfähigkeit im Fokus. Im Lauf des Projekts haben sich Perlit und Vermiculit als ideales Füllgranulat erwiesen und gegen alle bisher getesteten Alternativen durchgesetzt.

Die Retentionsmodule sind aktuell übereinander angeordnet. Jede Kaskade endet oben mit einer Regulierungseinheit. Das Regenwasser läuft über ein Ablaufsystem in diesen vorgelagerten Zwischenspeicher. Bei Erreichen eines bestimmten Füllstands öffnet sich automatisch mechanisch eine Art „Schleuse“ nach unten, und das Wasser tröpfelt über einen Wasserverteiler durch ein Sieb auf das wasserspeichernde Substrat. Mit welchem Tempo sich die Regulierungseinheit im Optimalfall entleert, ist für die Forschenden eine weitere zentrale Fragestellung. Bei Starkregen soll der Vorgang so schnell ablaufen, dass das mineralische Füllmaterial das gesamte Wasser vollständig aufnehmen kann, aber keine wertvolle Zeit ungenutzt verstreicht.

Denn wenn die Regulierungseinheit überzulaufen droht, wird der überschüssige Niederschlag zum Fallrohr und in die Kanalisation geleitet. Dies funktioniert ohne digitale Steuerung und Stromzufuhr; dadurch bleibt die Anlage auch dann uneingeschränkt einsatzbereit, wenn im Katastrophenfall die Energieversorgung ausfällt. Wie sich die Module an die Trägerbauten anfügen, liegt in den Händen des Architektur- oder Planungsbüros. Umsetzbar sind beispielsweise in die Wand integrierte Elemente oder vorgesetzte Fassaden – im Idealfall hinterlüftet, damit die Mauer dahinter weiter atmungsfähig bleibt.

Warum fördert die Fraunhofer-Zukunftsstiftung das Projekt?

Vertikale Retentionssysteme könnten bei Starkregenereignissen in großflächig versiegelten Innenstädten Überflutungen und Schäden an Bausubstanz und Infrastruktur verhindern. Zugleich würden sie den natürlichen, lokalen Wasserkreislauf unterstützen, weil die von ihnen gespeicherte Feuchtigkeit verdunstet und somit wieder zurück in die Umwelt gelangt. Die Verdunstungskälte könnte dabei helfen, das innerstädtische Mikroklima an heißen Tagen zu verbessern und die unmittelbare Umgebung zu kühlen. Dadurch ließe sich die Lösung für eine nachhaltige und resiliente Stadtentwicklung (SDG 11), zur Klimaanpassung (SDG13), für nachhaltiges Wassermanagement (SDG 6) und den Hitzeschutz einsetzen.