In einer Region wie Stuttgart, in der es viele Tunnel gibt, könnte es sich lohnen, die Erdwärme anzuzapfen. Forscher der Universität Stuttgart testen das im Fasanenhof-Tunnel der Stadtbahnlinie U6.
Stuttgart - Erst seit knapp einem Jahr tummeln sich auf dem Gelände der Stadtgärtnerei in Fasanenhof wieder die bunt gefiederten Namensgeber des Stuttgarter Stadtteils: Fasanen. Vor fast 300 Jahren hatte Herzog Eberhard Ludwig von Württemberg hier die erste Fasanerie anlegen lassen – für höfische Jagdgesellschaften und für das herzogliche Mahl. Was man von oben nicht ahnt: ein Stück nördlich der Fasanerie haben Stuttgarter Forscher eine Geothermie-Anlage in einem Tunnel installiert. Um aus der Erde und der Tunnelluft Wärme zu gewinnen, klinkten sich die Wissenschaftler in den Bau des Fasanenhof-Tunnels für die Stadtbahn-Linie U6 ein, der Ende 2010 fertiggestellt wurde. Sie bauten ein Röhrensystem in die Tunnelwand, durch das Wasser fließt, welches Wärme aus der Erde nach oben oder aus Gebäuden nach unten befördern kann. Auf diese Weise können im Winter Gebäude geheizt und im Sommer gekühlt werden – bisher allerdings nur in der Theorie.
„Wenn man heutzutage ‚Geothermie’ sagt, denken viele Leute an Erdsonden“, sagt Michael Schmidt, der Leiter des Instituts für Gebäude-Energetik der Universität Stuttgart. Diese seien aber teuer. „Die Idee war also: in einer Gegend wie Stuttgart, wo es sowieso viele Tunnelbauwerke gibt, könnte man die Kosten senken, indem die Tunnelwände zum Sammeln von Erdwärme genutzt werden.“ Gemeinsam mit den Kollegen vom Institut für Geotechnik bekam er schließlich die Genehmigung von der Stuttgarter Straßenbahnen AG.
Während der Fasanenhoftunnel ausgebaut wurde, kleideten die Forscher zweimal zehn Meter Tunnelwand zwischen den Haltestellen „Fasanenhof-Bonhoefferkirche“ und „EnBW City“ mit widerstandsfähigen Kunststoffrohren aus; zwei „Energieblöcke“, wie die Wissenschaftler sagen, mit einem Abstand von 80 Metern. Somit kann die Anlage in unterschiedlichen Tiefen getestet werden. Mit fünf bis zehn Metern liegt der Tunnel allerdings dicht unter der Oberfläche. Daher müssen die Forscher auch damit rechnen, dass die gemessenen Temperaturen im Sommer höher und im Winter niedriger sind.
Im Sommer wird das Wasser im Tunnel gekühlt
400 Meter Rohrleitung wurden im Zickzack auf der Tunnelaußenwand aus Beton verlegt. Außerdem wurden Sensoren für die Temperaturmessungen angebracht und die Leitungen mit einer zweiten Betonschicht verdeckt. „Wenn man also heute durch den Tunnel fährt, sieht man davon gar nichts“, sagt Schmidt. Für den Fall, dass ein einbetoniertes Rohr kaputt geht, was die Forscher bei dem widerstandsfähigen Material und den vielen Drucktests vorab nicht vermuten, wurde jeder Testblock in zwei Rohrkreisläufe unterteilt, die auch unabhängig voneinander funktionieren.
Ein Messraum befindet sich an der Haltestelle „Europaplatz“, inzwischen können die Forscher aber auch über einen Fernzugriff vom Institut aus an die Daten gelangen. Wo die Rohre im Messraum an die Oberfläche kommen, befindet sich eine Wärmepumpe, die das durch die Tunnelluft und die umliegende Erde erwärmte oder abgekühlte Wasser nach oben pumpt. Für die Heizung eines Gebäudes müsste das warme Wasser von unten noch zusätzlich erwärmt werden, denn die Temperatur um den Tunnel herum beträgt nur etwa 12 Grad. In dem Stuttgarter Pilotprojekt ist aber kein echtes Gebäude an den Wärmekreislauf angeschlossen: Die Forscher simulieren die Klimatisierung am Computer.
Zur Zeit wird das Wasser auf 25 Grad erwärmt, bevor es durch die Tunnelwand geschickt wird. So testen Michael Schmidt und seine Kollegen die Kühlung eines potenziell angeschlossenen Gebäudes. In diesem Fall würden sie einem Raum Wärme entziehen – wie zum Beispiel bei einem herkömmlichen Kühlschrank – und diese in die Erde leiten. Eine blaue Linie auf einem Computerbildschirm im Messraum zeigt an, dass die Wassertemperatur nach dem Fluss durch die Tunnelwand nur noch 21,6 Grad beträgt. „Warm fließt zu kalt“, lautet die thermodynamische Grundregel, die für die Temperaturabnahme des wärmeren Wassers in der kälteren Umgebung sorgt. Aus dem Temperaturunterschied können die Wissenschaftler die Kühlleistung berechnen.
Die Testanlage ist zu klein, um sich auszuzahlen
Die spezifische Entzugsleistung der Anlage liegt zwischen 5 und rund 37 Watt pro Quadratmeter Tunnelwand. Ein kommerzieller Betrieb der verhältnismäßig kleinen Testblöcke würde sich daher nicht rentieren, auch weil die Wärmepumpe zusätzlich Strom braucht. Eine Hochrechnung des Geologen Marcus Schneider, der seine Dissertation über das Stuttgarter Projekt verfasst hat, ergab jedoch, dass die zusätzlichen Kosten für eine Geothermie-Anlage, die sich auf den ganzen Tunnel erstreckte, weniger als ein Prozent der Gesamtkosten des Tunnelbaus ausmachen würde, umgerechnet 425 Euro pro Tunnelmeter.
In der Schweiz wird bereits seit 1979 das Unterhaltungszentrum des Gotthard-Straßentunnels durch Tunnelwärme mit einer Leistung von 1860 Kilowatt geheizt und gekühlt. Diese Anlage funktioniert nicht mittels Absorberrohren wie in Stuttgart, sondern hydrogeothermisch, das heißt: durch Energiegewinnung aus Bergwasser. Auch in der österreichischen Gemeinde Jenbach wird seit einiger Zeit ein Bauhof mit Energie aus einem Tunnel versorgt.
Laut Michael Schmidt würden sich solche Anlagen auch in Stuttgart anbieten, da es hier viele Tunnelbauwerke in Stadtnähe gibt. Die Energie könnte also direkt genutzt werden. Bis 2015 wollen die Forscher sicherstellen, dass durch die Erdwärmegewinnung keine langfristigen Veränderungen im Untergrund hervorgerufen werden. Das Amt für Umweltschutz schreibt vor, dass der Temperaturunterschied in Tunnelnähe 25 Grad nicht überschreiten darf. In 50 Metern Abstand vom Tunnel darf außerdem die Grundwassertemperatur nur um maximal zwei Grad verändert werden. Bisher hätten selbst „extreme Lastfälle“, das heißt ein Dauerbetrieb der Anlage, keine Probleme bereitet, so Marcus Schneider. Im Idealfall könnte langfristig Wärme, die der Erde im Sommer zugeführt wird, im Winter wiederum zur Heizung von Gebäuden entzogen werden. Ob und in welchem Maß die Energie in der Erde gespeichert wird, ist jedoch noch unklar.
Weitere Geothermie-Projekte in Tunneln
Prinzip
Über Absorberrohre in der Tunnelwand lässt sich im Prinzip Wärme gewinnen, weil die Wand einen großflächigen Kontakt zum Erduntergrund hat. Bei anderen Verfahren wird die Wärme aus dem Grundwasser oder dem Bergwasser in der Umgebung des Tunnels gewonnen.
Projekte
In der Schweiz wurde die erste geothermische Anlage in einem Tunnel 1979 in Betrieb genommen. Neben dem Projekt im Stuttgarter Fasanenhoftunnel gibt es in Deutschland bisher nur eine weitere Testanlage im Katzenbergtunnel zwischen Freiburg und Basel.
Leistung
Eine Untersuchung des schweizerischen Bundesamtes für Energie ergab 1995, dass in 130 der 600 Tunnel und Stollen des Landes Wärme gewonnen werden kann. Das Gesamtpotenzial beträgt 30.000 Kilowatt. Nach einer Schätzung von Stuttgarter Forschern der beiden Universitätsinstitute für Gebäude-Energetik und Geotechnik aus dem Jahr 2007 beträgt das geothermische Potenzial des geplanten Fildertunnels zwischen dem Stuttgarter Hauptbahnhof und dem Flughafen 1555 Kilowatt zum Heizen und 864 Kilowatt zum Kühlen. Eine geothermische Nutzung kommt hier nach Einschätzung von Michael Schmidt dennoch nicht mehr infrage, da die Planungen schon zu weit vorangeschritten sind.