Klimatisieren mit Erdwärme aus U-Bahn-Tunneln

Projektinfo 09/2013
Energieforschung konkret
Klimatisieren mit Erdwärme
aus U-Bahn-Tunneln
Geothermische Anlagen lassen sich in neue
Tunnelbauwerke in Innenstädten integrieren
Beim Neubau einer U-Bahn kann mit geringen Zusatzkosten
eine geothermische Anlage integriert werden. Das ist eine
gute Möglichkeit, um diese erneuerbare Energiequelle in
unterirdisch dicht bebauten Städten zu nutzen. Eine Test­
anlage ist an der U-Bahn-Linie 6 am Stuttgarter Fasanenhof
in Betrieb. Wissenschaftler der Universität Stuttgart unter­
suchen, welche Auswirkungen die geothermische Aktivierung
des Tunnels auf den Untergrund hat.
Dieses Forschungsprojekt
wird gefördert vom
Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi)
Durch ihre großen, erdberührenden Flächen haben Tunnelbauwerke ein hohes
geothermisches Potenzial. Neu gebaute Tunnel liegen nahe bei möglichen Verbrauchern. Büros, Wohnungen und Gewerbebetriebe können mittels Erdwärme
geheizt und gekühlt werden. Es bedarf nur geringer technischer Modifikationen,
um einen Tunnel als Wärme- und Kältequelle zu nutzen. So steigen die Kosten für
den Rohbau durch die geothermische Aktivierung nach ersten Prognosen lediglich
um zwei Prozent. Die Absorberleitungen können auf dem Spritzbeton der Tunnel­
außenschale montiert und mit dem Ortbeton der Tunnelinnenschale eingegossen
werden. Dieses Verfahren eignet sich für bergmännisch hergestellte Neubauten.
Dabei wird der Tunnel gebohrt oder ausgebaggert. Die alternative offene Tunnelbauweise, bei der ein Tunnel ähnlich wie ein Keller rechteckig gebaut und anschließend zugeschüttet wird, wurde nicht betrachtet. Zwei Tunnelröhren der Stadtbahn wurden auf einer Länge von je 10 Metern mit Absorberleitungen ausgestattet.
Die beiden Tunnelabschnitte liegen in Schichten von Sandstein und Tonstein. Sie
haben jeweils zwei Absorberkreisläufe. Jeder Teilkreislauf wurde mit zwei mal rund
200 Metern Absorberleitung auf einer Fläche von jeweils rund 90 m² installiert.
Die Absorberkreisläufe sind über Anschlussleitungen mit einer Wärmepumpe im
Betriebsraum der Haltestelle Europa­platz verbunden. Mit der Wärmepumpe fahren
die Wissenschaftler unterschiedliche Lastprofile des Heiz- und Kühlbetriebes.
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BINE-Projektinfo 09/2013
Wie bei einer Erdwärmesonde werden die Wärmetauscherrohre von einer Absorberflüssigkeit durchströmt.
Das Wasser-Mono-Ethylenglykol-Gemisch nimmt die im
Baugrund gespeicherte und in der Tunnelluft enthaltene
Wärme auf, beziehungsweise gibt diese ab.
Messungen und Berechnungen zeigen Einfluss
Beim Neubau des Stadtbahntunnels Stuttgart-Fasanenhof
installierten Wissenschaftler der Universität Stuttgart eine
Testanlage. Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, die von
unterschiedlichen Randbedingungen abhängige mögliche
Energieextraktion zu untersuchen. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler die Auswirkungen der geothermischen Aktivierung des Tunnels auf das Erdreich. Dazu führten sie Messungen und numerische Berechnungen durch.
Mit umfangreicher Messtechnik wurden die Temperaturfelder in Baugrund, Bauwerk und Tunnelluft bestimmt.
Außerdem haben die Forscher die Strömungsgeschwindigkeit der Tunnelluft gemessen. Auch die thermischen
Eigenschaften des Gesteins, wie die Wärmeleitfähigkeit
und die spezifische Wärmekapazität, ermittelten sie.
Die Wissenschafter messen die Vor- und Rücklauftemperatur der Absorberkreise im Tunnel sowie die zuge­
hörigen Massenströme, um die Leistungsfähigkeit des
Absorbersystems zu bestimmen. Im Betriebsraum werden
die Vor- und Rücklauftemperaturen der gesamten Anlage
erfasst. Hinzu kommt der Volumenstrom des Hauptkreislaufes. Damit werden Energiebilanzen berechnet. Um
den Wärmeübergang an der Innenseite der Tunnelschale
zu berechnen, erfassen die Wissenschaftler auch die
Luftgeschwindigkeit im Tunnel. Mit zweidimensionalen
numerischen Wärmetransportberechnungen untersuchen
sie den Einfluss der Temperatur der Tunnelluft auf die
Leistungsfähigkeit der Anlage. Das Modell wird durch
umfangreiche Messreihen kalibriert.
Erdtemperatur nur im Nahbereich verändert
Im Projekt haben die Forscher untersucht, welchen Einfluss
die geothermische Nutzung auf die Temperatur im Erdreich hat. Durch den Bau eines Tunnels verändert sich
die Temperatur in der direkten Umgebung. Die Messungen zeigen, dass die Temperatur nur in einer Entfernung
von bis zu acht Metern um den Tunnel beeinflusst wird.
Im weiter entfernten Untergrund konnten die Forscher
keinen Einfluss mehr finden.
Die ungestörte Baugrundtemperatur am Fasanenhof beträgt in mehr als acht Metern horizontaler Entfernung vom
U-Bahn-Tunnel circa 12 °C. Die Temperatur der Tunnelluft
schwankt durch das Wetter. Dadurch verändert sich auch
die Erdtemperatur in bis zu acht Metern Entfernung des
Tunnels. Die im tunnelnahen Bereich gemessenen Temperaturen liegen zwischen 2 °C und 18 °C.
Die geothermische Aktivierung des Tunnels beeinflusst
die Temperaturen im Nahbereich des Tunnels zusätzlich.
Die Messungen zeigen, dass sich die Temperatur im
Nahbereich bei Dauerbetrieb der Wärmepumpe der Vorlauftemperatur angleicht. Die konkrete Veränderung hängt
dabei von der Betriebsweise ab.
Die geothermische Anlage wird über die Vorlauftemperatur und den Volumenstrom des Absorberfluids gesteuert.
Für die Teststrecke gelten für die Vorlauftemperatur die
Vorgaben des Amtes für Umwelt der Stadt Stuttgart. Demnach soll die Grundwassertemperatur in der Nähe des
Tunnels 0 °C nicht unterschreiten. Diese Grenze gilt, wenn
mit der geothermischen Anlage geheizt wird. Wird die
Anlage zur Kühlung eingesetzt, wird Wärme in den Unter­
Abb. 1 Diese 3-D-Ansicht zeigt den Energieblock im Fasanenhoftunnel mit Absorberleitungen
zwischen Innen- und Außenschale und die Zuleitung in der Tunnelsohle.
Quelle: Universität Stuttgart
5,00
8 Temperaturfühler
a = 0,5 m – 1,25 m
10,00
5,00
12 Temperaturfühler
a = 0,5 m – 1,5 m
8 Temperaturfühler
a = 0,5 m – 1,25 m
ca 0,40
0,15
Abb. 2 Ein Querschnitt durch den Tunnel und das umgebende Gebirge mit den
Temperaturmesslanzen. Oben links ist ein detaillierter Ausschnitt der Absorberrohre und
Wandtemperaturmessstellen aufgeführt. Unten links wird die Wanddurchführung der
Messlanzen gezeigt.
Quelle: Universität Stuttgart
grund geleitet. In diesem Fall soll im Nahbereich des Tunnels die Grundwassertemperatur 25 °C nicht überschreiten.
Mit Versuchen zum Heizen und Kühlen untersuchen die Wissenschaftler die
Leistungsfähigkeit und das Temperaturverhalten des Absorbersystems. Dabei
halten sie die Vorlauftemperatur zu den Absorbern und den Massenstrom
des Systems konstant. Die thermische Leistung des Gesamtsystems beträgt
jahreszeitabhängig zwischen 5 W/m² und 37 W/m².
Tunnelluft und Grundwasser steigern Wärmegewinnung
Bei der Tunnel-Geothermie beeinflusst die stark schwankende Temperatur
der Tunnelluft die thermische Leistung. Andere Bedingungen gelten für Erdwärmesonden. Sie sind von allen Seiten vom Erdreich umschlossen, welches
eine relativ konstante Temperatur hat. Die Temperatur der Tunnelluft hängt
von der Außenlufttemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und weiteren
Wärmequellen, wie den U-Bahnen, ab.
BINE-Projektinfo 09/2013
Temperaturmessstelle Tunnelluft
außenliegende Bewehrung Innenschale
Trennlage
Spritzbeton
Fels
Absorberleitung
Temperaturmessstelle Beton
Beton Innenschale
innenliegende Bewehrung Innenschale
8
150
6
100
4
2
1
Entzugsarbeit W [kWh/d]
Entzugsleistung Q [kW]
Abb. 3 Die Grafik zeigt den Aufbau der Tunnelwand zur Nutzung der
geothermischen Energie im neugebauten U-Bahn-Tunnel.
Quelle: Universität Stuttgart
50
2
3
0
1
2
Zeit in Monaten
Entzugsarbeit
3
4
5
6
0
Techniken zur Nutzung der
oberflächennahen Geothermie
Zum Klimatisieren von Gebäuden kommt die Geothermie
als eine nahezu unerschöpfliche Wärmequelle in Frage.
Dazu eignet sich vor allem die oberflächennahe Geothermie mit Bohrungen von bis zu 400 Metern Tiefe.
Abhängig von der Bodenbeschaffenheit und dem Fundament des Gebäudes eignen sich verschiedene Techniken. Der verbreitetste Anlagetyp in Mittel- und Nordeuropa sind Erdwärmesonden. Meist werden sie mit
Bohrungen in 50 bis 100 Metern Tiefe eingesetzt. Um
den Bedarf größerer Gewerbebauten oder Wohnanlagen
zu decken, werden mehrere Sondenlöcher gebohrt.
Die Sonden werden meistens mit einer senkrechten
Bohrung in 50 bis 160 Metern eingebracht. In den Rohren zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, welche die
Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und an die Oberfläche zur Wärmepumpe transportiert.
Eine weitere Bauform sind Energiepfähle. Dabei werden
die Sondenrohre direkt in die Gründungspfähle eines
Gebäudes integriert. Energiepfähle dringen üblicherweise in eine Tiefe von 10 bis 30 Meter vor. Es können
auch horizontale Leitungen in oder unterhalb der Bodenplatte angebracht werden. Diese heißen Bodenabsorber.
Eine andere Variante stellen die sogenannten HorizontalErdwärme-Kollektoren dar. Dabei werden die Absorberrohre in circa zwei bis drei Meter tiefe Gräben, beispielsweise unter Parkplätzen oder Gartenflächen, verlegt.
Eine Mischform ergibt sich durch die Anwendung in
sogenannten Erdwärmekörben. Sie nutzen zudem gezielt das Wärmepotenzial von Regenwasser.
Derzeit sind in Deutschland nach Angaben des Bundesverbandes Geothermie rund 290.000 oberflächennahe
Geothermieanlagen in Betrieb. Jährlich kommen zahlreiche Neuinstallationen hinzu. Im Jahr 2012 waren es
rund 22.200 Anlagen.
Entzugsleistung
Abb. 4 Die Grafik zeigt die Entzugsleistung Q und Entzugsarbeit W in
Abhängigkeit der Zeit im Kühlfall. Die Vorlauftemperatur wurde konstant bei
rund 25 °C gehalten. Der Massenstrom wurde in Phase 2 im Vergleich zu Phase 1
verdoppelt und zu Phase 3 halbiert. Wird der Massenstrom erhöht, steigt auch
die Entzugsleistung Q. Die Absorberfläche beträgt rund 180 m².
Quelle: Universität Stuttgart
Messungen an der Teststrecke zeigen, dass die Tunnelluft einen signifikanten Einfluss auf die Energiegewinnung hat. Einen positiven Einfluss hat die
Tunnelluft zum Beispiel im Frühjahr. Während sich das Erdreich nur langsam
erwärmt, heizt sich die Luft schnell auf. Kommt nun wieder ein kalter Tag,
steht der geothermischen Anlage eine größere Heizleistung durch die erwärmte Tunnelluft zur Verfügung.
Steigt im Sommer die Lufttemperatur an, sinkt damit die Leistung der Anlage zum
Kühlen eines Gebäudes. Analoges gilt für die Bedingungen im Herbst und Winter.
Um die geothermische Anlage optimal zu planen, ist es wichtig, die Lufttemperaturen im Tunnel zu kennen. Insbesondere sind zwei kritische Betriebsbedingungen zu beachten: Im Heizfall kann die Tunnellufttemperatur
unter die Vorlauftemperatur fallen. Im Kühlfall kann sie über die Vorlauftemperatur steigen. Dadurch sinkt die Leistung der geothermischen Anlage stark.
In diesem Fall muss beispielsweise der Volumenstrom erhöht werden, um
mehr Energie abrufen zu können.
An den Stellen, an denen der Tunnel einen Grundwasserfluss berührt, untersuchten die Wissenschaftler die Einwirkung. Die Strömung des Grundwassers sorgt für einen
thermischen Ausgleich der Temperatur im Umfeld des
Tunnels.
Dieser Effekt hängt von der hydraulischen Durchlässigkeit
des Gebirges und dem hydraulischen Gradienten ab. Der
Grundwasserstrom steigert die Energiegewinnung der
tunnelgeothermischen Anlage. Insbesondere in den kalten
und heizintensiven Wintermonaten steigert er die Entzugsleistung deutlich.
Im Folgeprojekt simulieren die Wissenschaftler nun die
Verbindung mit einem Gebäude. In den kommenden zwei
Jahren lassen sie temperierte Flüssigkeit durch die Teststrecke laufen, um ein realistisches Entnahmeprofil zu
erstellen.
Weiterer Forschungsbedarf besteht noch bezüglich der
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Insbesondere fehlt
bisher ein Geschäftsmodell. Die Betreiber von Tunnelanlagen können durch die geothermische Aktivierung
zu Energieversorgern werden. Allerdings müssen sie schon
beim Bau entscheiden, wie viele Meter des Tunnels mit
Rohrleitungen bestückt werden. Dafür müsste der Bedarf von möglichen Verbrauchern, wie Bürogebäuden,
prognostiziert werden.
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BINE Projektinfo 01/2010
BINE-Projektinfo
09/2013
Thermische Aktivierung von Tunneln
In Österreich wird bereits ein Gebäude mit einem geothermisch aktivierten Tunnel geheizt.
Die Pilotanlage beheizt über Tunnel-Geothermie den Bauhof der Gemeinde Jenbach.
Auf 54 Metern wurde ein 3,5 Kilometer langer Eisenbahntunnel mit Absorberleitungen
ausgestattet. Den Wärmebedarf des städtischen Bauhofs von 40 kW hat die Anlage im
ersten Winter vollständig gedeckt. Es hätte sogar noch mehr Wärme bereitgestellt werden
können, zeigt das Monitoring der Anlage.
Während beim Stadtbahntunnel der U6 in Stuttgart eine bergmännische Umsetzung
durchgeführt wurde, wurde in Jenbach die maschinelle Tunnelbauweise mit Tunnelbohrmaschine
angewandt. In Stuttgart wurden die Absorberrohre zwischen die Spritzbetonschichten und
der inneren Betontragschale platziert.
In Jenbach wurde der Zubringer zum Brenner-Basis-Tunnel in Segmentbauweise errichtet.
Dabei werden mit einer Tunnelbohrmaschine die Betonsegmente, sogenannte Tübbinge,
installiert. In den vorgefertigten Betonsegmenten werden die Absorberrohre bereits bei der
Herstellung eingebracht. Sobald ein vollständiger Segmentring installiert ist, werden die
Absorberrohre an den Aussparungen verbunden. Diese Technik hat Rehau gemeinsam mit
Züblin entwickelt und als „Energietübbing“ patentieren lassen. Sie können auch für den Bau
von Tunneln für Straßenbahnen, Abwasser und Versorgungstunneln ausgeführt werden.
Je nach Bodenbedingungen und Temperatur im Tunnel ist eine Energieausbeute von 10 bis
30 W/m² Tunneloberfläche erreichbar. Tunnelbauwerke können als Quelle für Wärme und
als Energiesenke für die Kühlung von Gebäuden, zum Beispiel Büros, dienen.
Projektorganisation
Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Rolf Stricker
52425 Jülich
Förderkennzeichen
0327459A
Impressum
ISSN
0937 - 8367
Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut
für Informationsinfrastruktur
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Autorin
Christina Geimer
Titelbild
Stuttgarter Straßenbahnen AG
Projektbeteiligte
Urheberrecht
Eine Verwendung von Text und
Abbildungen aus dieser Publikation ist
nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion
gestattet. Sprechen Sie uns an.
>> Konzept und Monitoring: Universität Stuttgart. Institut für Gebäudeenergetik,
Prof. Dr. Michael Schmidt, E-Mail: [email protected]
>> Projektbeteiligung: Universität Stuttgart. Institut für Geotechnik
>> Projektbeteiligung: Stuttgarter Straßenbahnen AG
Links und Literatur
>> www.uni-stuttgart.de/igs/igs_forschung/aktuelle_Projekte/GeoTU6.html
>> www.ige.uni-stuttgart.de/forschung/laufende-projekte/tu.html
>> Tunnelbau zur geothermischen Nutzung: www.rehau.de/tunnelbau
>> Schneider, M.: Zur energetischen Nutzung von Tunnelbauwerken – Messungen und numerische
Berechnungen am Beispiel Fasanenhoftunnel. Manuskript zur Dissertation, Universität Stuttgart.
Institut für Geotechnik. 2012
>> Schlosser, T.; Schmidt, M.; Schneider, M. u. a.: Potenzial der Tunnelbaustrecke des Bahnprojektes
Stuttgart 21 zur Wärme- und Kältenutzung. Universität Stuttgart. Institut für Gebäudeenergetik
(Hrsg.). Juli 2007. 80 S. Verfügbar unter: http://www.ige.uni-stuttgart.de/fileadmin/ressourcen
Redakteure/pdf/Berichte//Tunnel_S21.pdf
>> Wärme lieferndes Fertigteil, Energietübbing. Patentanmelder: Ed. Züblin AG, Stuttgart. Verfügbar
unter: http://www.patent-de.com/20080515/EP1905947.html
>> Markiewicz, R.: Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung geothermischer Energie mittels erdberührter Bauteile und Neuentwicklungen für den Tunnelbau.
Dissertation,Technische Universität Wien. 2004. 345 S. Verfügbar unter http://www.ub.tuwien.
ac.at/diss/AC04371695.pdf
>> Verband Beratender Ingenieure (VBI), Berlin (Hrsg.): Leitfaden Oberflächennahe Geothermie. 2012.
97 S., 3., erw. Aufl., VBI-Schriftenreihe. Bd. 18
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