GeoTU6 – ein tunnelgeothermisches Forschungsprojekt

Untertägige Hohlräume stehen im Fokus geothermischer Überlegungen für Niedrigenergiesysteme. Sie weisen einen hohen Grad an Erdberührung auf und können mit relativ geringem technischem Zusatzaufwand neben der originären statisch-konstruktiven auch eine thermisch-energetische Funktion übernehmen. Ausführungsbeispiele im Tunnelbau sind sowohl aus der konventionell bergmännischen als auch aus der maschinellen Bauweise bekannt. Sie beschränken sich weitestgehend auf die D-A-CH-Staaten Deutschland, Österreich und Schweiz.

Im Zuge der Herstellung des Stadtbahnanschlusses Stuttgart-Fasanenhof (U6) durch die Stuttgarter Straßenbahnen AG konnte in einem in Spritzbetonbauweise aufgefahrenen Tunnelabschnitt eine geothermische Teststrecke auf Basis eines Wärmetauschersystems eingerichtet werden. Der Tun-nel wurde umfangreich mit Temperaturmessstellen für Baugrund, Beton und Tunnelluft versehen. Zur Ermittlung der geothermischen Bodenparame-ter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität wurde ein Laborprogramm durchgeführt, das durch einen „tunnelgeothermischen Response Test“ ergänzt wurde. Das als GeoTU6 bezeichnete Forschungsvorhaben wird durch numerische Untersuchungen ergänzt werden.

Tunnelgeothermie – ein Überblick

Untertägige Hohlräume stehen nicht erst seit kurzem im Blickpunkt geothermischer Überlegungen für Niedrigenergiesysteme [7, 8]. Untersuchun-gen des geothermischen Poten-zials des Projekts Stuttgart 21 [6] zeigen, dass auch die Tun-nelluft einen nicht unerheblichen Beitrag zur Energieextraktion liefert, der sich überschlägigen analytischen Berechnungen zufolge in einer Größenordnung von 20 bis 30% bewegen kann.

Die statisch-konstruktiv erforderlichen Tunnelschalen können durch relativ geringen technischen Zusatzaufwand um eine thermisch-energetische Aufgabe ergänzt werden. Die Recherche zeigt jedoch, zumindest den Tunnelbau betreffend, dass geothermische Anwendungen einerseits in geringer Zahl und andererseits weiterhin auf die DACH-Staaten begrenzt sind. Die Schweiz ist auf diesem Gebiet seit Jahrzehnten Vorreiter. Bereits seit den 1970er-Jahren wird dort einigen Tunnelbauwerken auf „hydrogeothermischem“ Wege, d.h. unter Nutzung des Wassers aus der Bergwasserdränage, Wärme entnommen. Beispielhaft sei hier der Hauensteintunnel genannt, der ca. 2,3 MW thermischer Leistung liefert [10]. Bei den tunnelgeothermischen Anwendungen in Österreich und Deutschland steht bislang die Absorbertechnologie im Vor-dergrund. In die Tunnelschale integrierte Leitungen werden dabei von einem Absorberfluid durchströmt, das die im Baugrund gespeicherte Energie in Form von Wärme aufnimmt und der Wärmepumpe zuführt, um diese auf ein höheres Energieniveau anzuheben. Wäh-rend des U-Bahn-Baus in Wien wurden im Zuge der Linie U2 in den letzten Jahren bislang 4 Haltestellen für die geothermische Bewirtschaftung ausgestattet. Meist sind es Installationen, die mit dem Spezialtiefbau verknüpft sind, wie etwa Energieschlitzwände, Energiepfähle, aber auch Elemente der Massivbetonabsorbertechnologie. Der in bergmännischer Bauweise erstellte Lainzer Tunnel wurde in einem Pilotbereich des Bauloses LT 22 mit einem so genannten Energievlies zwischen Außen- und Innen-schale ausgestattet – die erste Anwendung dieser Art in der Spritzbetonbauweise [3]. Im Rahmen des nachfolgend vorgestellten tunnelgeothermischen Forschungsprojekts GeoTU6 wurde dieses Modell modifiziert und mit anderen wissenschaftlichen Schwerpunkten versehen, sodass in Stuttgart die erste in Spritzbetonbauweise hergestellte Anlage zur Gewinnung geothermischer Energie in Deutschland realisiert werden konnte.

Die Absorbertechnologie wurde durch die Konstruktion des Energietübbings (Bild 1) auf die maschinelle Tunnelbauweise erweitert [7]. Bei der Fabrikation der Stahlbetontübbinge werden Absorberleitungen am Bewehrungskorb montiert. Die flüssigkeitsdichte Anbindung der Absorberleitungen zwischen 2 Tübbingringen erfolgt im vorliegenden Beispiel in der Ringfuge mit speziellen Kopplungselementen, die eine mechanische (Kopplungskräfte) und eine hydraulische Funktion aufweisen.

Die zur Gewährleistung der allseitigen Bettung des Tübbingringes erforderliche Ringspaltverfüllung stellt die thermische Anbindung zwischen Tübbing-ring und dem als Energielieferant bzw. als Thermospeicher wirkenden Gebirge her. Hier ist eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit gefordert, die durch Integration thermoaktiver Zemente bewerkstelligt werden kann. Energietübbinge anderer Bauart wurden bislang in einem kurzen Testbereich im Katzen-bergtunnel (ABS/NBS Karlsruhe–Basel) und im Tunnel Jenbach (Unterinntal) in einem Teilabschnitt von rd. 50 m Länge eingebaut [1].

Tunnel geothermisches Forschungsvorhaben GeoTU6

Gegenstand des Projekts GeoTU6 ist die Untersuchung einer tunnelgeothermischen Nutzung in einem innerstädtischen Bereich. Die konstruktive Umsetzung konnte am bergmännisch vorgetriebenen Fasanenhoftunnel realisiert werden, einem seicht liegenden Tunnel mit einer Länge von rd. 380 m.

Das interdisziplinär ausgerichtete Projekt wird durch die Institute für Geotechnik und Gebäudeenergetik der Universität Stuttgart bearbeitet. Die wissenschaftlichen Kernpunkte von GeoTU6 betreffen

■ den Bau der geothermischen Teststrecke,

■ die Untersuchung geothermischer Baugrundeigenschaften,

■ Temperaturaufzeichnungen von Baugrund, Beton und Luft,

■ numerische Untersuchungen und Simulationen zur Ermitt-lung der Leistungsfähigkeit der Absorbersysteme und zur Bestimmung der Reichweite der Temperaturveränderung im umgebenden Baugrund sowie

■ die Bestimmung von Auslegungskenngrößen für zukünftige geothermische Anwendungen im Tunnelbau.

Konstruktiver Aufbau der Energieanlage im Fasanenhoftunnel

Bei 2 der überwiegend 10 m langen Betonierabschnitte der Innenschale wurden im Gewölbebereich zwischen Spritzbetonaußen- und Ortbetoninnenschale systematisch Absorberleitungen eingebaut (Energieblöcke). Aus Redundanzgründen wurden jeweils 2 Teilkreisläufe ausgebildet. Diese wurden mit rd. 400m Absorberleitung über eine Fläche von rd. 180 m² pro Block versehen.

Die Montage der Leitungen erfolgte auf Fixierschienen über der gemäß ZTV-ING einzubauenden Trennlage (Geotextil) zwischen beiden Tunnelschalen (Bild 2). Zur Verwendung kamen hochdruckvernetzte PE-Rohre (25 x 2,3 mm), die gegenüber herkömmlichem PE den Vorteil einer wesentlich höheren Festigkeit und Unempfindlichkeit u.a. gegenüber Kerbeinwirkungen besitzen, die z. B. durch Bewehrungsarbeiten hervorgerufen werden können.

Die Anordnung der Absorberleitungen erfolgte in Parallelschaltung. Diese trägt zusammen mit der Auftrennung in 2 Teilkreisläufe pro Block zu einer hydraulischen Optimierung des Systems bei. Sie sorgt für einen geringeren Aufwand beim Betrieb der Umwälzpumpe sowie für eine Vereinfachung der Entlüftung der Leitungen infolge der Vermeidung zahlreicher Hochpunkte. Bild 3 zeigt aufmontierte Absorberleitungen vor dem Einbau der Innenschalbewehrung.

Vor- und Rücklauf der beiden Teilkreisläufe werden in einer großen Verteileraussparung in der Gewölbeschale zusammengeführt. Die Koppelung mit der auf der Sohle verlaufenden Hauptleitung wird über eine durch den Sohlbeton verlaufende Anschlussleitung sichergestellt. Die Hauptleitung verbindet die Absorbersysteme mit der im Betriebsraum befindlichen Wärmepumpe. Einen Energieblock in Gesamtdarstel-lung zeigt Bild 4.

Im Zuge des Betriebes sollen künftig unterschiedliche thermische Lastfälle in den Betriebsarten Kühlen und Heizen untersucht werden. Die in den beiden Energieblöcken gewonnene Energie wird verwendet, um die Klimatisierung des Betriebsraumes in der Haltestelle Europaplatz zu unterstützen.

Numerische Untersuchungen im Vorfeld ergaben, dass für langfristige Betriebszustände mit Entzugsleistungen von 3 bis 8 W/m² Tunnelfläche gerechnet werden kann. Bei einer Gesamtfläche von rd. 360 m² entspricht das einer Leistung von ca. 1,1 bis 2,9 kW. Kurzzeitig sind auch größere Entnahmemengen abrufbar.

Messtechnische Ausrüstung

Der Fasanenhoftunnel wurde umfangreich mit Messtechnik bestückt. Die Erhebung der Messdaten dient der Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Absorbersystems, der Bewertung der Veränderung der Untergrundtemperatur im Zuge thermischer Belastung sowie der Validierung numerischer Modelle. Darüber hinaus wird eine Aussage über den Anteil der Tunnelluft an der Energieextraktion angestrebt. Die Messungen konzentrieren sich demzufolge auf Gebirge, Beton und Tunnelluft.

Die Energieblöcke wurden mit jeweils 3 Temperaturmesslanzen ausgerüstet, die 5 m bzw. 10 m tief in den Baugrund reichen. Die Temperaturmessungen erfolgen über Thermistorenketten, die zwischen 8 bzw. 12 Messgeber mit variablen Abständen zwischen 50 cm bis 175 cm aufweisen. Parallel werden in den Energieblöcken künftig Betontemperaturen in je einer Messstelle und in 5 weiteren Tunnelblöcken Lufttemperatur und Luftströmungsgeschwindigkeit aufgezeichnet.

Geologische Verhältnisse

Der Baugrund besteht im oberen Abschnitt aus bindiger Auffüllung und bindigen Deckschichten.Die darunter befindlichen Gesteine sind dem Lias (a) zuzuordnen und waren durch den Vortrieb zu durchörtern.

Es handelt sich hierbei um eine Wechsellagerung zwischen Kalk-, Kalkmergel-, Kalksand- und Sandsteinen teils sehr hoher Festigkeit und entfestigten bis stark entfestigten schluffigen Ton- und Tonmergelsteinen, die zur Tiefe hin dominieren.

Geothermische Baugrundeigenschaften

Die Kenntnis über die geothermischen Untergrundeigen-schaften ist existenziell für die Bewertung und Dimensionierung einer Anlage zur Gewinnung geothermischer Energie. Daher wurde ein Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Ermittlung der thermischen Gesteins- und Gebirgskennwerte gelegt. Ergänzend wurden boden- und felsmechanische Versuche sowie mineralogische Analysen durchgeführt.

Von zentraler Bedeutung in der Geothermie sind die physikalischen Größen:

■ Wärmeleitfähigkeit l [W/mK],

■ Temperaturleitfähigkeit k [m²/s],

■ Spezifische Wärmekapazität c_p [J/kg K] und

■ Volumetrische Wärmekapazität c_v [MJ/m³K].

Die geothermischen Ge-steinskennwerte wurden mit Hilfe eines Optischen Scanners nach Popov [4] ermittelt. Ein Teil der rd. 400 im Zuge der Vortriebsarbeiten gewonnenen Proben wurde sowohl auf den Einfluss des Wassergehaltes auf die Wärmeleitfähigkeit als auch auf ein mögliches Anisotropieverhalten hin untersucht. Aus den Untersuchungen sollen hier die Wärmeleitfähigkeitsmessungen herausgestellt werden. Bild 5 zeigt die Ergebnisse der gesteinsspezifischen Werte über die Tunnellänge, während das Diagramm in Bild 6 die Mittelwerte der Wärmeleitfähigkeit der 3 wesentlichen Gesteinsarten Tonstein, Kalkstein und Sandstein in Abhängigkeit von Messrichtung und Wassergehalt aufzeigt.

Die für die Tonsteine und Kalksteine ermittelten Wärmeleitfähigkeitswerte liegen innerhalb bisheriger Erfahrungsgrenzen (z. B. VDI 4640 [9]), während die Sandsteine aufgrund ihres zum Teil beträchtlichen Quarzgehaltes und mitunter hohen Eisengehaltes demgegenüber erhöhte Werte ergaben.

Die Laboruntersuchungen wurden durch 2 insitu-Versuche zur Untersuchung der Gebirgseigenschaften ergänzt. Drei 10 m lange horizontale, parallel angeordnete Bohrungen im Ulmenbereich wurden einerseits mit Heizstäben und andererseits mit Temperaturmessfühlern ausgerüstet und im Anschluss mit einer thermoaktiven Suspension verfüllt. Das im untersuchten Bereich aus entfestigtem Tonstein bestehende Gebirge wurde im Zuge zweier Response-Tests für einen Zeitraum von 3 Tagen mit einer konstanten Heizleistung von 125 W/m bzw. 100 W/m belastet. Die numerische Analyse nach Auswertung der Temperaturaufzeichnungen ergab eine mittlere Wärmeleitfähigkeit des Gebirges von (l)_Geb = 1,9 W/mK. Zumindest für den Tonstein zeigt sich somit nur eine geringe Abweichung der Gebirgs- von den Gesteinswerten.

Ausblick

Die Teststrecke befindet sich in der Fertigstellungsphase. Die Messphase hat aktuell begonnen. Sie wird von numerischen Simulationen begleitet werden. Die Inbetriebnahme des Fasanenhoftunnels ist für Herbst 2010 vorgesehen.

Dank

GeoTU6 wird durch das BMWi, in Koordinierung durch den Projektträger Jülich sowie durch den Bauherrn, die Stuttgarter Straßenbahnen AG, finanziell getragen. Den Förderern wird an dieser Stelle gedankt.