Technologie

Wärme aus dem Tunnel

08.10.2019 - In Basel wird die nachhaltige Nutzung von erwärmten Grundwasser zum Heizen geprüft.

In Basel ist die Temperatur des Grund­wassers in den letzten Jahren stark angestiegen. Tunnelprojekte wie das Basler Herzstück könnten in Zukunft dabei helfen, diese überschüssige Wärme nachhaltig zu nutzen. Normalerweise entspricht die Temperatur des Grundwassers der Jahresmittel­temperatur der Luft, die in Basel etwa zehn Grad beträgt. Doch die tatsächlich gemessenen Werte sind wesentlich höher – an manchen Stellen wie etwa dem Klybeck-Areal, kletterte die Temperatur des Grund­wassers in den letzten Jahren auf über 18 Grad.

„Eine solche Erwärmung des Grundwassers lässt sich in vielen Städten auf der ganzen Welt beobachten“, sagt der Hydro­geologe Jannis Epting vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. „Dies lässt sich vor allem auf Untergrund­strukturen zurückführen.“ Also auf die Abwärme von Kellern, Parkhäusern und Labor­gebäuden, die in Basel viele Stockwerke in die Tiefe reichen und oft schlecht isoliert sind. Damit diese Abwärme nicht im Untergrund verloren geht, führen Epting und sein Team derzeit eine Machbarkeits­studie im Auftrag des Bundesamts für Energie durch. Diese soll klären, ob es möglich ist, dem Grundwasser mithilfe von unter­irdischen Verkehrs­wegen Wärme zu entziehen. „Die so zurück­gewonnene Energie könnte dann zum Heizen verwendet werden und außerdem würde dabei auch das Grundwasser wieder abkühlen“, so Epting.

Grundsätzlich gibt es dafür zwei mögliche Verfahren: Bei Tunneln mit geringem Durchmesser, etwa für S-Bahnen, können vorgefertigte Wärme­absorber in die Verschalung eingebaut werden. Diese entziehen dem Grundwasser passiv Wärme, welche zu einem Wärme­tauscher geleitet wird. So lässt sich auch die Abwärme zurückgewinnen, welche Züge im Inneren des Tunnels erzeugen. In ihrer Studie prüfen die Basler Forscher, welche Strecken­abschnitte des geplanten Basler Herzstücks – die unter­irdische S-Bahn-Verbindung zwischen dem Bahnhof SBB und dem Badischem Bahnhof sowie dem Bahnhof St. Johann – dafür geeignet sind.

Für größere Straßen­bauwerke wie dem Rheintunnel, der eines Tages den Rhein zwischen Birsfelden und dem Schwarzwald­tunnel unterqueren soll, wollen die Wissen­schaftler Dükersysteme nutzen – Rohr­leitungen, die das Grundwasser sammeln und um den Tunnel herumleiten. Die Wärme des in den Dükern zirku­lierenden Grundwassers könnte aktiv durch eine Wärmepumpe entzogen werden. Das abgekühlte Grundwasser würde danach wieder in den Untergrund geleitet. Das funktioniert allerdings nur an Stellen, wo der Grundwasser­strom quer zum Tunnel verläuft. Um die Machbarkeit dieser Projekte zu testen, hat die Forschung­sgruppe in den letzten Jahren ein umfassendes 3D Modell des Grundwassers unter dem Großraum Basel erstellt: Hierfür werteten sie unter anderem Daten aus über hundert Grund­wasser-Mess­stellen im Stadtgebiet aus.

Solche Modelle erlauben es, die Grundwasser­strömung, das Durchfluss­volumen und den Wärme­transport zu simulieren, wobei auch die Beschaffenheit des Untergrunds berücksichtigt wird. Besonders hilfreich waren dabei sieben tiefen­differenzierte Messsysteme, welche vor einigen Jahren installiert wurden. Diese Sensoren stehen in direktem Kontakt mit dem Untergrund und messen die Grundwassertemperatur in verschiedenen Tiefen im Abstand von einem halben bis zu einem Meter. „Dies gibt uns eine einmalige Dateng­rundlage für die Untersuchung verschiedener Wärmetranport­prozesse, denn solche Mess­stellen hat unseres Wissens sonst weltweit niemand im urbanen Gebiet“, so Epting.

Das Modell zeigt, dass sich beide Bauvorhaben grund­sätzlich für die Wärme­gewinnung eignen: Für das Herzstück wären die besten Abschnitte im Bereich der Tunneleingänge am Bahnhof St. Johann und am Badischen Bahnhof, denn dort führt die geplante Trasse durch die Locker­gesteine quer zum Grundwasser­strom. Für den Autobahn­tunnel gibt es gute Voraussetzungen bei der Tunneleinfahrt in Birsfelden und auf Höhe des Schwarzwald­tunnels, auch hier fliesst das Wasser quer zum Tunnel. Nach ersten Schätzungen ließen sich durch die Grundwasser­wärmenutzung entlang einzelner Strecken­abschnitte pro Heizperiode zwischen einer und zehn Gigawatt­stunden an Wärme gewinnen, was etwa der Leistung von bis zu drei grossen Windturbinen entspricht. „Natürlich ist diese Effizienz im Vergleich zu anderen Methoden nicht sehr groß, aber dafür ist es nachhaltig“, findet Epting. „Wir müssen schließlich jetzt schon für die Zukunft planen.“

U. Basel / JOL

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