Ein Metro-Tunnel, der in eine geothermische Energiequelle umgewandelt wurde

"Das Thema Bodenwärmerückgewinnung wurde in der Ausgabe 5/14 (Seite 12) des energeia Magazins behandelt. Anschließend stellte Professor Lyesse Laloui sein Forschungsprogramm vor Dieser EPFL-Artikel stellt die Entwicklung dieser Technologie seit der Veröffentlichung in energeia vor."

Den Forschern der EPFL ist es gelungen, den Wärmeaustausch in einem Tunnel genau zu quantifizieren. Mit Hilfe ihrer Berechnungen für die zukünftige M3-U-Bahnstrecke in Lausanne schätzten sie die Energieeinsparungen, die die Stadt durch die Ausrüstung des Tunnels mit einer Geothermieanlage erzielen würde. Das wäre eine Weltneuheit.

In einem Tunnel, in dem sich ein Zug oder eine Metro befindet, gibt es viele Wärmetauscher. Wenn die U-Bahn beispielsweise bremst und beschleunigt, erlebt der Tunnel einen Wärmespitzenwert. Diese heiße Luft wird mit der natürlich im Tunnel vorhandenen Luft und der vom Boden ausgehenden Wärme vermischt

Bisher wurde die Berechnung der Luftwärme von Ingenieuren ungenau durchgeführt. Forscher des EPFL-Labors für Bodenmechanik (LMS) haben dies gerade in einer Studie korrigiert, die in der Zeitschrift Applied Thermal Engineering veröffentlicht wurde. Die Ingenieure konnten eine genaue Schätzung dieses Schlüsselkoeffizienten, des so genannten thermischen Konvektionskoeffizienten, abgeben

Diese Entdeckung eröffnet den Weg für den Betrieb eines geothermischen Tunnels zugunsten von oberirdischen Gebäuden. Die Forscher testeten auch ihre Berechnungen am Fall des Tunnels der zukünftigen Lausanner Metro, der M3, die den Hauptbahnhof mit dem Norden der Stadt (Bezirk Blécherette) verbinden wird

Lieferung von 1500 Wohnungen
"Unsere Forschung zeigt, dass bei Nutzung von 50 bis 60% der geplanten Trasse 60.000 m2 des Tunnels mit dieser Geothermieanlage aktiviert werden könnten und 1500 Standardwohnungen mit einer durchschnittlichen Größe von 80m2 und 4000 Minergiewohnungen mit Wärme versorgt werden könnten", erklärt Margaux Peltier, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der LMS, dessen Masterprojekt hinter der Publikation steht. Der Vorteil dieses Systems ist, dass es Wärme speichern und zeitnah an die Haushalte verteilen kann. "Die Stadt würde den Ausstoß von 2 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr im Vergleich zu einer Gasheizung vermeiden", fügt der Forscher hinzu, bei dessen Berechnung die im Norden der Stadt geplanten U-Bahn-Stationen oder das Zugdepot nicht berücksichtigt wurden, die ebenfalls von dieser Energie profitieren könnten.

In der unterirdischen Infrastruktur neigt die Lufttemperatur dazu, ihre Stabilität zurückzugewinnen und überschüssige Wärme und Kühlung an die Oberfläche abzugeben. Diese Freisetzung führt zu Heißluftbewegungen, die manchmal zu spüren sind, wenn man in der Nähe einer U-Bahn-Mündung vorbeikommt. Es ist dieses physikalische Phänomen, das die Ingenieure zusätzlich zur Wärme, die natürlich im Feld vorhanden ist, nutzen wollen

Konkret schlagen die Forscher vor, in regelmäßigen Abständen Kunststoffrohre in die Betonkonstruktion des U-Bahn-Tunnels einzubringen und diese an eine Wärmepumpe anzuschließen. Eine Wärmeträgerflüssigkeit oder ganz einfach Wasser wird dann wie ein Kühlschrank in die Rohre eingeführt. Durch das Einleiten von Kaltwasser in die Tunnelröhren im Winter gibt das System Heißwasser an der Oberfläche ab und umgekehrt im Sommer. Die geothermische Ausrüstung des Tunnels hätte vernachlässigbare Investitionen und graue Energie, so die Forscher, für eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren. Nur Wärmepumpen sollten alle 25 Jahre ausgetauscht werden.

Heizung und Klimatisierung
Nach der Ausrüstung hätte der Tunnel den Vorteil, die umliegenden Wohnungen im Winter zu beheizen und bis zu 80% des Energiebedarfs zu decken. Der verbleibende Bedarf wird idealerweise durch eine weitere erneuerbare Energiequelle ergänzt. Im Sommer, und das ist die Besonderheit dieser Geostrukturen, könnten die Wohnungen auch mit der Geothermie gekühlt werden: "Der Tunnel würde das ganze Jahr über eine sehr zuverlässige Heizungs- und Klimaanlage bieten", sagt Margaux Peltier und weist darauf hin, dass der Fall Lausanne ein großes Klimatisierungspotenzial bietet. Insbesondere könnte das System zur Kühlung der für das zukünftige Ökoquartier "Métamorphose" geplanten Eisbahn genutzt werden

"Diese Publikation zeigt, dass die Energietunneltechnologie ausgereift ist und wir sie auf Quartiersniveau nutzen können", sagt Lyesse Laloui, Direktorin des LMS. "Es bleibt abzuwarten, ob die Schweizer Industrie bereit ist, auf diesem Gebiet eine Vorreiterrolle zu übernehmen, da bisher weltweit nur Teststrecken betrieben wurden." Es sei darauf hingewiesen, dass die Forschenden die Ergebnisse ihrer Studie den Lausanner Industriedienstleistungen, dem Lausanner Verkehrsbüro (TL), dem Kanton Waadt, dem Hauptauftragnehmer für die zukünftige U-Bahn und der Stadt Lausanne vorgelegt haben.

Sandrine Perroud, Mediacom EPFL
Der Artikel wurde veröffentlicht in ePFL-Nachrichten im Juni 2019

Bild: EPFL