Benutzerspezifische Werkzeuge
Sie sind hier: Startseite Wissen Energie aus dem Untergrund

Energie aus dem Untergrund

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 02.07.2014 16:05

Städte sind wärmer als das umgebende Land, weil die Massierung von Asphalt und Beton mehr Sonnenenergie speichert und gleichzeitig noch zahlreiche menschengemachte Energiequellen unaufhörlich sprudeln. Dieser Effekt der urbanen Wärmeinsel ist in der Umweltforschung schon lange bekannt. Er wirkt sich jedoch auch bis in unsere Grundwasserleiter aus, und könnte dort für ein nutzbares Energiereservoir sorgen. Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) haben dieses Potenzial ausgelotet.

So funktioniert eine Urbane Wärmeinsel. (Bild: Philipp Blum/Peter Bayer/Kathrin Menberg)Unter unseren Städten liegt eine Energiequelle mit großem Potenzial, das nahezu brach liegt. "Man könnte beispielsweise in Karlsruhe 20 Prozent des Heiz- und Kühlbedarfs decken, wenn man die Energie nutzt, die jedes Jahr dem oberem Grundwasser zugeführt wird", meint Kathrin Menberg, post doc am Institut für Geologie der ETH in Zürich. Dass Städte Wärmeinseln bilden, in denen die Temperaturen zum Teil deutlich über denen des Umlandes liegen, ist unter Umweltforschern schon lange bekannt. Dass diese Wärme auch tief in den Untergrund eindringt, wundert da nicht.  "Das geschieht durch die Gebäude und deren Keller, durch Tunnel, die auch wärmer sind als der Untergrund", sagt Menberg, "und dann haben wir auch in den Städten viele versiegelte und dunkle Oberflächen wie Straßen und Plätze, die auch wärmer sind als zum Beispiel ein Grasboden."

In den vergangenen Jahren ist dieser Energiestrom in den Untergrund gewachsen. "1977 betrug der durchschnittliche Wärmeenergieeintrag in Karlsruhe 759 Milliwatt pro Quadratmeter", berichtet Philipp Blum, Professor am KIT-Institut für Angewandte Geologie, "2011 haben wir einen Wert von 828 Milliwatt gemessen." In den Grundwasserleitern unter den Städten sammelt sich so ein gewaltiges Energiepotenzial an. "Bei einer natürlichen Jahresdurchschnittstemperatur von acht Grad in Süddeutschland und zehn in Westdeutschland kommen noch einmal zwischen vier und acht Grad durch diesen Wärmeinseleffekt hinzu", sagt Kathrin Menberg, die in Karlsruhe gearbeitet hat, bevor sie nach Zürich ging.

Temperaturzonen unterhalb von Köln. (Bild: Philipp Blum/Peter Bayer)Bei ihren Messungen sind die Forscher um Blum und Menberg zu durchaus kuriosen Ergebnissen gekommen. So ergab eine Messung in Frankfurt überraschenderweise einen Temperatursprung gegenüber dem Hintergrund von 20 Grad. Statt der normalen zehn Grad zeigte der Fühler auf einmal 30 Grad an. Die Erklärung war ebenso einfach wie ungewöhnlich: "Ein Swimmingpool war undicht, und wir haben das nur durch diese Messung gemerkt", erinnert sich Peter Bayer, Oberassistent am ETH-Institut für Ingenieurgeologie. Auffällig sind auch vielerorts die Fernwärmeleitungen, die unzureichend isoliert sind und so unbeabsichtigt den Erdboden heizen, in den sie verlegt wurden. Bei Messungen in Zürich haben die Forscher zum Beispiel Temperatursprünge von zehn Grad und mehr festgestellt.

Solche Extreme sollten zu allererst natürlich abgestellt werden, doch den normalen Wärmeinseleffekt im Untergrund kann man darüber hinaus durch handelsübliche Erdwärme- und Grundwasserwärmepumpen nutzen, also ein dezentrales System. Ob ein Netz solcher Wärmepumpen wirtschaftlich zu betreiben ist, muss geklärt werden, wenn es in die konkrete Umsetzung geht. Bislang haben die Wissenschaftler um Philipp Blum erst untersucht, ob grundsätzlich genug Energie zur Verfügung steht. Und dies ist offenbar der Fall. "Es gilt nicht nur für Karlsruhe, sondern für viele Städte in Deutschland", erklärt Peter Bayer, "wir kommen in den Städten, die wir näher angeschaut haben, auf ähnliche Prozentsätze."  Blum, Bayer und Menberg haben neben Karlsruhe Köln, München und Berlin untersucht. Bereits eine frühere Untersuchung, an der Bayer und Blum beteiligt waren, hatte ergeben, dass man in Köln den Heizbedarf einer ganzen Millionenstadt decken könnte, wenn man die Temperatur der Grundwasserleiter um zwei Grad senkte.

Temperaturzonen im Untergrund von Karlsruhe. (Bild: Philipp Blum/Peter Bayer/Kathrin Menberg)Doch die Umsetzung ist offenbar nicht ganz einfach. Gerade in den dichtbebauten Stadtzentren sind die Energiedichten in den Grundwasserkörpern besonders hoch, gleichzeitig treffen Vorhaben, die teilweise viele Meter in die Erde reichen auf besonders hohe Hürden: komplizierte Eigentumsverhältnisse und zahllose Netze der verschiedensten Infrastrukturleitungen im Untergrund. Interesse bei den Behörden sei allerdings vorhanden, schließlich gibt es in allen Kommunen großen Bedarf an Heizenergie im Winter und Kühlenergie im Sommer. Die Geowissenschaftler können zudem noch ein weiteres Argument anführen, dass bei Umweltbehörden verfängt. "Urbane Wärmeinseln im Untergrund sind im Prinzip auch etwas Kritisches, weil die Temperatur zum Teil erheblich vom natürlichen Niveau abweicht, und die Verantwortlichen immer daran interessiert sind, den natürlichen Zustand zu erhalten", so Peter Bayer. Die Erdwärmenutzung in großem Maßstab böte so die Möglichkeit, den Temperaturhaushalt der Grundwasserleiter im Gleichgewicht zu halten und gleichzeitig zahlreiche Gebäude darüber zu versorgen. Am KIT-Standort Karlsruhe laufen derzeit Gespräche, ein paar innenstadtnahe Industriegebiete mit Wärmepumpen zu versorgen.