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12 | 2013

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TECHNIK UND MANAGEMENT

TECHNIK UND MANAGEMENT Energie/Erneuerbare Energien Aufgrund ihrer großen erdberührten Fläche lassen Tunnelbauwerke ein großes geothermisches Potenzial erwarten. Eine Teststrecke inStuttgart liefert vielversprechende Ergebnisse. Bild 1: In den Spritzbeton der Tunnelschale wurden Absorberrohre integriert. Tunnel geothermischnutzen Silke Rott Umeinen Tunnel als geothermische Quelle oder Senke nutzen zukönnen, sind nur geringfügige technische Modifikationen erforderlich. Die Potenziale dieser Form der Energiegewinnung zum Beheizen oder Kühlen von Gebäudenuntersucht das vonden Institutenfür Gebäudeenergetik und Geotechnik der Universität StuttgartbearbeitetePilotprojekt „GeoTU6“. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie finanziert das Vorhaben in Koordinierung durchdas Forschungszentrum Jülich. Absorberrohre in der Tunnelschale Die Verlängerung der Stadtbahnlinie U6 im Stuttgarter Stadtteil Fasanenhof machte unteranderem denBau eines380 MeterlangenTunnels erforderlich. In diesem haben dieForscherder UniStuttgart eine Teststrecke installiert, mit der das geothermische Potenzial erfasst werden soll. Zu diesem Zweck wurden zwei Abschnitte,die sich durchihreTiefe im Gebirge unterscheiden,mit Absorberrohren versehen.Diese wurdeninder in Spritzbetonbauweise ausgeführten Tunnelschale aufeinerLänge vonjeweils zehnMetern integriert (siehe Bild 1). Bei derUmsetzung haben dieForscher mit der Stuttgarter Straßenbahnen AG kooperiert. Hauptziel der wissenschaftlichen Arbeit ist, die Leistungsfähigkeit des Absorbersystems zu ermitteln sowie die Reichweite der Temperaturveränderung im umgebenden Baugrund und derenzeitlichen Verlauf zubestimmen. Der Tunnel wurde dazu mit umfangreichen Messinstrumenten ausgestattet. Im Gebirge installierte Temperaturmesslanzen messen die Gebirgsreaktion. Außerdem werdendie Temperaturen in derInnenschale und derTunnelluft(sieheBild 2) sowiedie Strömungsgeschwindigkeit der Tunnellufterfasst. DieInbetriebnahme derTeststreckeerfolgte Mitte 2011. Wärme gewinnen oder abgeben Die Absorberrohre werden von einem Fluid durchströmt, das die imBaugrund und in derTunnelluftgespeicherte EnergieinFormvon Wärme aufnimmt und zu einer gekoppelten Wärmepumpe weiterleitet, diedie gewonnene Wärme aufein anderesTemperaturniveauhebt.Das Verfahren kann ebenso für Kühlanwendungen genutzt werden. Dabei wird die Wärme dem umgebenden Gebirge zugeführt. DieHöhe derEntzugsleistung kann über die Vorlauftemperatur beeinflusst werden. Durch die Messungen werden Einflüsse verschiedener Parameter, wie zum Beispiel der Außenlufttemperatur, bestimmt.Weiterhin könnenvariierende Betriebszyklen derAnlage betrieben werden. Die Leistungsfähigkeit der geothermischenTeststrecke und das Temperaturverhalten wurden an zwei stationären Grundsatzversuchen zum Heizen und Kühlen untersucht. Die thermischen Leistungen des Gesamtsystems imHeizund Kühlfall betragen bezogen auf die Wärmeübertragerfläche zwischen 5W/m²als Minimum und rund 37 W/m² alsMaximum. Einfluss von Tunnelluft und Grundwasser Parallel zuden durchgeführten Messungen wurdeimerstenTeildes Projekts ein zweidimensionales-Strömungsmodell entwickelt, das das thermische Verhaltendes umgebendenErdreichs sowie derAbsorberrohreabbildet.Die Validierung des numerischen Modells erfolgte über die aufgenommenen Messwerte. Im Zuge derSimulationenwurden der Wärmetransport im Absorbersystem sowie die Auswirkungen des geothermischenBetriebs aufdas umgebende Gebirge analysiert. Dabei war ein Schwerpunkt der Forschung die Untersuchung des Einflusses der Tunnelluft und des Grundwassers auf die Höhe der möglichen Entzugsleistung.Sowohl dienumerischen Berechnungen als auch die Messungen ergaben einen signifikanten Beitrag derTunnelgeothermiezueinernachhaltigen Energieversorgung, der Einfluss der Tunnellufttemperatur auf die Entzugsleistung kann mitunter größer sein, alsder Einfluss derGebirgstemperatur. Weiterhin zeigen die ermitteltenErgebnisse, dass sich dieTemperaturen im Nah- 30 UmweltMagazin Dezember 2013

If you talk Bilder (2): Institut für GebäudeEnergetik Bild 2: Der Aufbau der Geothermie- und Messeinheiten im Querschnitt say HOK ® . about environment and industries, bereich des Tunnels durch den Betrieb der Geothermie-Anlage verändern, eine Temperaturfeldveränderung im Abstand von mehr als zehn Metern allerdings nicht nachgewiesen werden kann.Damitist dieTemperaturfeldbeeinflussungdurchden geothermisch genutzten Tunnel nur geringfügig größer als durch einTunnelbauwerkohne Absorberbetrieb. Intervall- oder Durchlaufbetrieb Im Hinblick auf unterschiedliche Betriebszyklen ergab die Auswertung, dass bei einem Intervallbetrieb der Anlage aufgrund der regelmäßigen Regenerationsphase gegenüber dem Durchlaufbetriebdie größteEntzugsleistung und infolgeder reduzierten täglichenBetriebszeitdie geringsteEntzugsarbeiterzieltwird. DieEntzugsleistung verringertsichinden Monaten mit extremen Außentemperaturen. Eine Erhöhung des Volumenstroms sowie eine differenzierte Lastcharakteristik gegenüber demDurchlaufbetriebsind dann erforderlich. Im Anfang 2013 gestarteten Folgeprojektwirdaktuell ein zusätzliches Simulationsmodell erstellt, das neue Erkenntnisse hinsichtlichdes Einflusses derTunnelluftauf den Energieertrag geben soll. Für die Validierung des Modells wird zusätzliche Messtechnik im Tunnelinstalliert. Derzeit werden unterschiedliche Betriebszyklen der Anlage gemessen und ausgewertet. Insbesondere wirdder Einfluss von dauerhaftemBetrieb undverschiedenenIntervallbetrieben der Anlageauf die Entzugsleistung ermittelt. Die Kombination aus Messungen undBerechnungen durch Strömungssimulationen sollen den Einfluss von verschiedenenParametern,wie derLagedes Tunnels,der Außenluft-und Gebirgstemperatur,der Überdeckung und derBefahrung,aufzeigen.Auf Basis der Parameterstudiensoll eine Näherungsgleichung für die Tunnellufttemperatur in Abhängigkeit der genannten Parameter abgeleitet werden, die als Hilfestellung in zukünftigen Planungsprozessen eingesetzt werden kann, um Aussagenzum Potenzial derTunnelgeothermie auchinanderenTunneln herleiten zu können. And it’s okay. HOK ® Herdofenkoks. Adsorbens und Katalysator. Erste Wahl bei der Gasreinigung in Verbrennungsanlagen von Müll und Sondermüll sowie in der Metallurgie. Signifikante Minderung von Dioxinen und Furanen. Manchmal reicht eine einzige, wohldurchdachte Entscheidung um den Anforderungen Ihres Unternehmens und den Forderungen nach einer gesunden Umwelt gerecht zu werden. Die Lösung heißt HOK ® . HOK ® ist OK. Silke Rott, Universität Stuttgart, Institut für GebäudeEnergetik, info@ige.uni-stuttgart.de UmweltMagazin Dezember 2013 Rheinbraun Brennstoff GmbH D-50416 Köln Tel.: +49 221-480-25386 www.hok.de

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