Vertical Water Sponge: Wasserspeichersysteme zum Schutz vor Überschwemmungen und Hitze

Wenn Starkregen auf großflächig versiegelte Stadtflächen trifft oder längere Hitzephasen die Innenstädte aufheizen, geraten bestehende Entwässerungs- und Kühlkonzepte schnell an ihre Grenzen. Der Handlungsspielraum klassischer Maßnahmen ist insbesondere in dicht bebauten Innenstädten limitiert.  

Dazu gehören beispielsweise künstlich angelegte Rückhaltebecken, die überschüssiges Regenwasser vorübergehend speichern, oder Entsiegelungen, bei denen unter anderem Asphalt oder Beton entfernt werden, um den Boden wieder wasserdurchlässig zu machen. 

Im Forschungsprojekt Vertical Water Sponge des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen wird deshalb ein neuartiges Wasserrückhaltesystem entwickelt, das Fassaden und andere vertikale Flächen als Speicher für Regenwasser nutzt.

Im Interview mit NRW.Global Business spricht Dr. rer. nat. Holger Wack, Projektleiter und Gruppenleiter Building Materials am Fraunhofer UMSICHT, über den Vertical Water Sponge, innovative Ansätze für das urbane Wassermanagement sowie die Chancen für Forschung, Wirtschaft und den Innovationsstandort NRW.

Inwieweit fördert Vertical Water Sponge eine nachhaltige Stadtentwicklung und verhilft urbanen Räumen zu mehr Resilienz gegenüber Naturphänomenen wie Starkregen und Hitze?

Der Klimawandel stellt Städte zunehmend vor die doppelte Herausforderung häufiger Starkregenereignisse und längerer Hitzeperioden. Insbesondere Starkregen kann nahezu überall auftreten, entwickelt sich oft innerhalb kürzester Zeit und belastet die bestehende Entwässerungsinfrastruktur erheblich. Gleichzeitig gewinnt das Schwammstadtprinzip als Leitbild einer klimaangepassten Stadtentwicklung immer mehr an Bedeutung. Viele der bisher umgesetzten Maßnahmen erfordern jedoch Freiflächen, Entsiegelungen oder umfangreiche Tiefbaumaßnahmen – Möglichkeiten, die insbesondere in dicht bebauten Stadtquartieren häufig nur eingeschränkt zur Verfügung stehen.

Genau hier setzt das Konzept und System „Vertical Water Sponge“ an. Es erweitert das Schwammstadtprinzip um die bislang kaum genutzte vertikale Dimension und verwendet Fassaden als zusätzlichen Speicherraum für Regenwasser. Über die bestehende Dachentwässerung wird Niederschlagswasser direkt am Gebäude aufgenommen, zwischengespeichert und zeitverzögert durch Verdunstung wieder an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird der natürliche Verdunstungskreislauf gestärkt, das lokale Mikroklima durch Verdunstungskühlung verbessert und die Entstehung urbaner Hitzeinseln reduziert.

Gleichzeitig entlastet das System die Kanalisation bei Starkregenereignissen, verringert lokale Überflutungen und trägt damit zum Schutz von Menschen, Gebäuden und Infrastruktur bei. Da das System vollständig passiv arbeitet, benötigt es keine externe Energieversorgung und bleibt auch dann funktionsfähig, wenn diese beispielsweise infolge eines Extremwetterereignisses unterbrochen ist. Zudem lässt sich das System ohne aufwendige Tiefbauarbeiten sowohl im Neubau als auch – abhängig von den baulichen Voraussetzungen – im Gebäudebestand integrieren.

Das Herzstück des Systems ist ein mineralisches Granulat, das Niederschlagswasser aufnimmt und zeitverzögert durch Verdunstung abgibt. Welchen speziellen urbanen Anforderungen muss das Material standhalten? 

Das Speichermaterial übernimmt eine zentrale Funktion innerhalb des Vertical Water Sponge und muss daher zahlreiche Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Im Mittelpunkt stehen eine hohe Wasseraufnahme und -speicherung, gute kapillare Eigenschaften sowie eine gleichmäßige Wasserverteilung innerhalb des Materials. Nur so kann das gespeicherte Niederschlagswasser kontrolliert und zeitverzögert verdunsten und seine kühlende Wirkung über einen möglichst langen Zeitraum entfalten.

Ebenso entscheidend ist die Dauerhaftigkeit. Das Material muss Frost-Tau-Wechseln, UV-Strahlung, Witterungseinflüssen und Alterungsprozessen standhalten. Darüber hinaus darf es nach einer Vielzahl von Trocken-Nass-Zyklen seine Speicher- und Verdunstungsleistung keine nennenswerte Leistung einbüßen.

Für den Einsatz an Gebäuden spielen außerdem baupraktische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Das Material sollte ein möglichst geringes Eigengewicht besitzen und nicht brennbar sein, einen niedrigen Wartungsaufwand erfordern, recyclingfähig sowie möglichst aus Sekundärrohstoffen hergestellt werden. Gleichzeitig muss es wirtschaftlich einsetzbar sein. 

Aktuell verwenden wir Perlit als Speichermaterial. Perlit erfüllt bereits viele der genannten Anforderungen hinsichtlich Wasseraufnahme und Verdunstungsverhalten. Die Auswahl und Weiterentwicklung geeigneter Speichermaterialien ist jedoch weiterhin Gegenstand unserer Forschung, um das System hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit kontinuierlich zu optimieren.

Der Vertical Water Sponge vereint Kompetenzen aus Materialforschung, Wasserwirtschaft, Architektur und Stadtplanung. Welche Vorteile bietet die Forschungs- und Innovationslandschaft in NRW, um ein solches interdisziplinäres Projekt erfolgreich umzusetzen?

NRW bietet ideale Voraussetzungen für die Entwicklung und Umsetzung interdisziplinärer Innovationen wie den Vertical Water Sponge. Das Land verfügt über eine starke Forschungslandschaft mit Einrichtungen wie Fraunhofer-Instituten und Universitäten sowie über eine leistungsfähige Industrie. Diese Kombination ermöglicht einen engen Austausch zwischen Forschung und Praxis und beschleunigt den Transfer neuer Technologien in die Anwendung.

Hinzu kommen etablierte Netzwerke der Wasserwirtschaft, beispielsweise die Emschergenossenschaft, der Lippeverband, der DWA-Landesverband NRW oder das NRW-Landesnetzwerk Grundstücksentwässerung. Sie fördern den fachlichen Austausch und erleichtern die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Kommunen, Planungsbüros und Industriepartnern.

Darüber hinaus bietet NRW mit seiner hohen baulichen Dichte, den unterschiedlichsten Gebäudetypen, zahlreichen Neubauprojekten sowie einem großen Gebäudebestand ideale Bedingungen für Pilotprojekte und Reallabore. Innovative Lösungen können dadurch unter realen Einsatzbedingungen erprobt, wissenschaftlich begleitet und vergleichsweise schnell weiterentwickelt werden.

Auch politisch besitzt das Thema Klimaanpassung einen hohen Stellenwert. Förderprogramme wie KRiS (Klimaresiliente Region mit internationaler Strahlkraft) sowie zahlreiche kommunale Schwammstadtprojekte zeigen, dass innovative Ansätze ausdrücklich unterstützt werden. Insgesamt bietet NRW damit hervorragende Rahmenbedingungen, um Forschungsergebnisse effizient in praxistaugliche Lösungen für klimaresiliente Städte zu überführen.

Urbane Hitzewellen und Starkregen stellen Städte überall auf der Welt vor dieselben Herausforderungen. Inwieweit sehen Sie für den Vertical Water Sponge auch ein internationales Marktpotenzial? 

Wir sehen für den Vertical Water Sponge ein sehr großes internationales Marktpotenzial. Im Gegensatz zu Flusshochwasser ist Starkregen nicht auf bestimmte Regionen oder Gewässer beschränkt. Er kann grundsätzlich überall entstehen, entwickelt sich häufig innerhalb kurzer Zeit und lässt sich nur begrenzt vorhersagen. Gleichzeitig schreiten Urbanisierung und Flächenversiegelung weltweit voran, während viele Städte aufgrund ihrer dichten Bebauung kaum noch über Freiflächen für klassische Schwammstadtmaßnahmen verfügen. Hinzu kommen wachsende gesetzliche Anforderungen an die Klimaanpassung sowie international beachtete Vorreiterprojekte, etwa in Kopenhagen, die den Handlungsbedarf zusätzlich verdeutlichen.

Die Eigenschaften des Vertical Water Sponge eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten – von Wohn- und Bürogebäuden über öffentliche Einrichtungen und Industriegebäude bis hin zur Quartiersentwicklung oder kritischer Infrastruktur. Perspektivisch lässt sich das zugrunde liegende Prinzip auch auf weitere Anwendungen übertragen. Denkbar sind beispielsweise freistehende skulpturale Elemente oder integrierte Stadtmöbel mit Regenwasseranschluss, die Niederschlagswasser speichern und durch Verdunstung zur Kühlung stark frequentierter öffentlicher Räume beitragen. Ebenso sehen wir Potenzial für den Einsatz an Rechenzentren, bei denen die Verdunstungskühlung zur Reduzierung der thermischen Belastung der Gebäude beitragen kann. Aus unserer Sicht besitzt der Vertical Water Sponge damit das Potenzial, sich als international einsetzbarer Baustein einer klimaresilienten Stadtentwicklung zu etablieren.