Pilotprojekt zur Nutzung von Tiefengeothermie

Wärmeleiter

In Aachen wurde im Herbst vergangenen Jahres das Studentenservicecenter der Technischen Hochschule eröffnet, dessen Energieversorgung über eine Erdsonde 2500 Meter in die Tiefe reicht. Das Projekt soll Erkenntnisse über sogenannte geschlossene Geothermie-Systeme und deren Wirtschaftlichkeit liefern.

  • Architekten: Fritzer + Pape
  • Text: Karl Kegler Fotos: Tomas Riehle, Jörg Hempel, RWTH Aachen
Eine Tiefenbohrung macht dieses Gebäude zum Pilotprojekt: Zwischen Juli und November 2004 bohrte ein Tiefbauunternehmen ein zweieinhalb Kilometer tiefes Loch direkt neben das historische Hauptgebäude der Aachener TH am Rande der Innenstadt. Ziel dieser Maßnahme ist die Nutzung »tiefer« Erdwärme beim Neubau des Service- und Veranstaltungszentrums für die Studierenden der Aachener Universität. Das spektakuläre und zeichenhafte Gebäude, das wegen seiner Form »SuperC« getauft wurde, erhebt sich nun seit einigen Monaten über der Bohrstelle. Durch ein in den Boden eingelassenes großes Sichtfenster, das zugleich als Revisionsöffnung dient, kann der Besucher im Außenbereich die obersten Meter des Stahlrohres der Bohrung bestaunen.
Wärme wird aus dem vorbereiteten Anschluss allerdings noch nicht gefördert. Erst die nächsten Monate werden zeigen, ob sich das Energiekonzept als effizient und wirtschaftlich erweist. Sollte dies gelingen, kann der Aachener Bau mit einigen Innovationen glänzen, die in diesem Projekt zum Einsatz kommen. Neue Materialien, ein »geschlossenes« System der Erdwärmegewinnung und der innenstadtnahe Standort der Tiefenbohrung machen das Vorhaben in mehrfacher Hinsicht interessant.
Im Kontext hoher Energiepreise und des Treibhauseffekts ist der Nutzung von Erdwärme in jüngster Zeit verstärkte Aufmerksamkeit zugewandt worden. Dies gilt nicht zuletzt für die Förderung durch öffentliche Haushalte, die auch das Aachener Pilotprojekt zu einem wesentlichen Teil mitfinanziert haben. Erdwärme erzeugt keine Emissionen und steht unabhängig von Wetter und Jahreszeiten zur Verfügung. Nach aufwendigen Anfangsinvestitionen fallen nur noch Kosten für den Betrieb der Pumpen, die den Wärmekreislauf aufrecht erhalten, sowie für den Unterhalt der Anlage an. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Wärme ohne Umwandlung in eine andere Energieform direkt zur Beheizung genutzt werden kann.
In Deutschland ist die Nutzung oberflächennaher Geothermie mit Bohrungen bis rund hundert Meter Tiefe ein mittlerweile häufiger angewandtes Verfahren (siehe z. B. auch db 2/2007, S. 64 ff.). Allerdings sind für die Versorgung größerer Bauten mehrere Erdwärmesonden notwendig, die eine größere Fläche benötigen und wegen möglicher Wartungsarbeiten zugänglich bleiben sollten. In dicht bebauten Arealen ist diese Technik wegen des notwendigen Flächenbedarfs daher nur schwer einsetzbar.
Ein zweites, bereits erprobtes Verfahren ist die Hydrogeothermie. Dieser Begriff beschreibt die Nutzung von heißem Wasser aus tiefen Erdschichten. Da in Deutschland – je nach geologischen Verhältnissen – die Gesteins-temperatur um etwa 33 °C pro Kilometer Tiefe zunimmt, kann im Prinzip jedes aus großer Tiefe geförderte Wasser als Träger von Wärmeenergie genutzt werden. Das heiße, unterirdische Wasser wird zu diesem Zweck durch eine Bohrung nach oben gefördert, durch einen Wärmetauscher geleitet und durch eine zweite, meist mehrere hundert Meter entfernte Bohrung wieder in die betreffende Schicht zurückpumpt. Es handelt sich dabei um so genannte offene Systeme, die einen Eingriff in die wasserführenden unterirdischen Schichten bedeuten. Mehrere kleinere Kraftwerke, die dieses Verfahren zur Fernwärmeversorgung nutzen, sind derzeit in Ost- und Süddeutschland in Betrieb. Seit 2003 läuft in der mecklenburgischen Kleinstadt Neustadt-Glewe auch ein Projekt, das Erdwärme zur Stromerzeugung einsetzt.
Ist kein unterirdisches Vorkommen vorhanden, kann im sogenannten Hot-Dry-Rock-Verfahren Wasser durch eine Bohrung in den Untergrund gepresst werden. Durch das anfangs mit hohem Druck eingepresste Wasser weiten sich Spalten im Gestein, die als Fließwege dienen. Das umgebende Material heizt das Wasser auf, welches als Transportmittel für die unterirdische Wärmeenergie dann über eine zweite Bohrung wieder nach oben gefördert wird. In Europa wird diese Nutzung von Erdwärme für die Stromerzeugung seit 2008 im elsässischen Soultz-sous-Forêts erprobt; die Bohrungen reichen hier bis in eine Tiefe von 5000 Metern.
Als traditionsreicher Bade- und Kurort, der vor allem im 18. und frühen 19. Jahrhundert wegen seiner schwefelhaltigen Thermalquellen viele Besucher anzog, besitzt Aachen im Prinzip sehr gute Voraussetzungen für die Nutzung von Hydrogeothermie. Die bekannten Quellzonen liegen allerdings nicht am Standort der TH, sondern in den historischen Kurbereichen in der Innenstadt und im Vorort Burtscheid. Da man außerdem jede negative Beeinflussung der sensiblen und weitgehend unbekannten hydrologischen Verhältnisse im Untergrund ausschließen musste, ist die Erdwärmenutzung des SuperC als geschlossenes System konzipiert: Durch eine einzige, »verrohrte« Tiefenbohrung gibt es keinen Kontakt zum Untergrundwasser.
Prinzip
Dieses Verfahren kommt in Aachen erstmals in einem dicht bebauten städtischen Umfeld zur Anwendung. Kühles Wasser fließt nach unten, heizt sich auf diesem Weg auf eine Temperatur zwischen 70 und 80 °C auf und wird am tiefsten Punkt in einem innenliegenden, konzentrischen Rohr nach oben zurückgepumpt. Im oberen Teil muss dieses Förderrohr isoliert sein, um eine Abkühlung des heißen Wassers durch das außen herabströmende, kalte Wasser zu vermeiden. Die geförderte Wärmeenergie wird in einem Wärmetauscher auf einen zweiten geschlossenen Wasserkreislauf übertragen, der während der Heizperiode zur Wärmeversorgung des Gebäudes dient. Während der heißen Sommermonate wird die geförderte Wärme genutzt, um über eine Adsorptionskältemaschine Kälteleistung zu erzeugen. Das Wasser des zweiten Kreislaufs wird dann zur Kühlung ›
› eingesetzt. Ein Vorteil dieses geschlossenen Systems ist, dass Korrosionsprobleme durch häufig stark mineralisierte unterirdische Thermalwässer ausgeschlossen werden können. Die 2500 Meter tiefe Erdwärmesonde funktioniert im Prinzip wie ein langgestreckter Wärmetauscher.
Hindernisse
So zumindest ist das Konzept der Pilotanlage. Bis zum Betriebsstart muss allerdings noch eine maßgeschneiderte Lösung für das innere Rohr zur Förderung des aufgeheizten Wassers entwickelt werden. Erfahrungen im Rahmen eines ähnlich gelagerten Vorhabens in Arnsberg haben – für die Planer überraschend – inzwischen verdeutlicht, dass die bisher für das Hochpumpen des heißen Wassers vorgesehenen Rohre nicht einsetzbar sind: Dort musste ein gebrochenes Förderrohr mit erheblichem Aufwand aus der Tiefe geborgen werden. Bei den gegenwärtig lieferbaren Systemen handelt es sich um glasfaserverstärkte Kunststoffrohre, die aus der Erdölfördertechnik stammen. Für die wechselnden Druck- und Temperaturspannungen, die durch die Begegnung der beiden Wärmeströme entstehen, sind die bisher verfügbaren Materialien nicht ausgelegt.
Derzeit wird an der Entwicklung eines neuen Systems gearbeitet, das zugleich bessere Eigenschaften zur Entkopplung der Temperaturströme aufweisen soll. Erst die Erfahrungen mit diesem Material und sein Einsatz im Dauerbetrieb werden zeigen, inwiefern das in Aachen installierte System wirtschaftlich und effizient arbeitet. Für den Energiegewinn ist nämlich entscheidend, wie viel von der in 2500 Metern Tiefe vorhandenen Wärme auch oben ankommt. In ersten Schätzungen rechnet man mit einer aus der Geothermie erzielbaren Leistung von 450 bis 480 kW – ein Wert, der noch über der erforderlichen Anschlussleistung (Wärme) für das Gebäude von 400 kW liegt. Kann die Erdwärmesonde die erwartete Leistung liefern, können im Vergleich zu einer konventionellen Heizung beziehungsweise Kühlung 340 Tonnen CO2-Emissionen im Jahr eingespart werden – ein zweifellos attraktives und verantwortungsbewusstes Ziel. Die geförderte Leistung hängt zudem davon ab, ob das umgebende Gestein, dem im Betrieb Wärme ent-zogen wird, einen gleichbleibenden Wärmefluss nachliefert.
Die Erdwärmeversorgung des SuperC erweist sich insofern als »wirkliches« Forschungsprojekt, das mit mehreren unbekannten Faktoren arbeitet. Dieser Umstand spiegelt sich auch in der Bauherrenkonstellation. Während der Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW in Aachen Bauherr des Gebäudes ist, fällt die Geothermienutzung als Demonstrations- und Forschungsanlage in den Verantwortungsbereich der RWTH, die für dieses Projekt Fördermittel der Europäischen Union und des Landes NRW erhalten hat.
Da der experimentelle Charakter der Erdwärmeversorgung bei der Errichtung des Gebäudes von vornherein klar war, wurde für Problemfälle vorgesorgt: Die Wärme- und Kältetechnik ist so ausgelegt, dass auch auf eine in unmittelbarer Nähe verlaufende Fernwärmeleitung zugegriffen werden kann. Im Gebäude wird die Grundlast des erforderlichen Wärme- beziehungsweise Kältebedarfs durch Betonkernaktivierung abgedeckt, die an die Erdwärmesonde oder – wie gegenwärtig der Fall – an das Fernwärmenetz angeschlossen werden kann. Ergänzend sind im Erdgeschoss und im Untergeschoss Unterflurkonvektoren eingebaut. Auf die Idee, den Strom zum Betrieb der Pumpen der Erdwärmesonde durch eine Photovoltaikanlage auf dem Dach zu liefern, wurde aus Kostengründen verzichtet.
Super C ?
Eine Reihe von Besonderheiten ergibt sich auch durch die bauliche Gestalt. Das herausragende architektonische Merkmal ist zweifellos das über einem vergleichsweise schmalen Schaft von sechs Stockwerken in 20 Meter Höhe und 16 Meter nach Süden frei auskragende oberste Geschoss. Durch diese Konstruktion, deren Querschnitt man als »7« oder (wenn man das Untergeschoss hinzunimmt) als »C« ansehen kann, entsteht eine südorientierte, überdachte Plaza. Hinter dieser Figur steht der Entwurfsgedanke, den Stu-
dierenden der TH einen zusätzlichen Treffpunkt und geschützten Freiraum im Kernbereich des Hochschulgeländes anzubieten. Die Universität öffnet sich mit dieser großen Geste symbolisch zur Stadt. Höhe und Baukanten des Baus orientieren sich am angrenzenden historischen Hauptgebäude der RWTH aus dem Jahr 1871. Die ungewöhnliche Gebäudeform wirkt erstaunlich gut integriert. Dies ist nicht zuletzt darauf zurückzuführen, dass mit erheblichem Aufwand während der Bauzeit mehrere große alte Bäume erhalten wurden – ein Aspekt, den man auf jeden Fall mit zur Nachhaltigkeitsbilanz des Projektes zählen sollte.
Auch energetisch ist die mit großem statischen Aufwand verwirklichte Konstruktion von einiger Wirkung. Das auskragende Obergeschoss beschattet in den Sommermonaten die völlig verglaste Südfassade, so dass kein äußerer Sonnenschutz notwendig ist. In den Wintermonaten ermöglicht die tieferstehende Sonne einen passiven Energiegewinn. Hinter der riesigen Glasfassade sind Tagungs- und Besprechungsräume platziert, die durch ein zentral gesteuertes System von Fassadenklappen belüftet werden können. Im auskragenden Obergeschoss und im Untergeschoss sind Versammlungs- beziehungsweise Ausstellungsräume untergebracht, die im Bedarfsfall durch eine raumlufttechnische Anlage gekühlt und belüftet werden müssen. Nach Norden weist der Bau eine Lochfassade mit individuell zu öffnenden Fenstern auf, hinter denen Büros liegen. Der geschlossene Charakter der Nordrichtung ist günstig für die Energiebilanz, die nüchternen, einheitlich grau gestalteten Metallelemente der Außenverkleidung tragen allerdings wenig zu einer freundlichen Ausstrahlung der sonnenabgewandten Seite bei. Vielleicht hätte schon ein Minimum an farblicher Variation diesen Eindruck aufbrechen können. So erweist sich die Nordfassade im Vergleich zu den übrigen spektakulären Ansichten leider als wirkliche »Rückseite«. Die Stärke des Entwurfs, der durch seine unkonventionelle architektonische Gestalt die Bildung eines neuen städtischen Freiraums ermöglicht, wird durch diesen Kritikpunkt allerdings nicht geschmälert.
Eine Nachhaltigkeitsbilanz des Gesamtprojektes kann zur Zeit noch nicht gegeben werden. Derzeit bereitet die Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (siehe db 3/2008, S. 68 ff.) eine Zertifizierung des Gebäudes vor, die Ergebnisse sollen Anfang dieses Jahres vorliegen. Ein erstes Ergebnis des Projektes ist – jenseits der noch zu ermittelnden Erfahrungen aus dem Dauerbetrieb – fraglos darin zu sehen, dass tiefe Geothermiebohrungen mit der entsprechenden Öffentlichkeitsarbeit auch im städtischen Bereich hohe Akzeptanz finden können. Immerhin wurde über Monate hinweg im 24-Stunden-Betrieb sieben Tage in der Woche gebohrt, was für die Anwohner eine andauernde Belastung durch Lärm bedeutete. Während dieser Zeit wurden nicht mehr als zwei Beschwerden gezählt.
Seiner Funktion als architektonisches Ausrufezeichen für eine große technische Hochschule wird das Gebäude mit dem ehrgeizigen »Super« im Namen gerecht. Es bleibt zu hoffen, dass sich seine energietechnischen Innovationen als ähnlich wirksam erweisen. •
Bauherr: Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW, Niederlassung Aachen Nutzer: RWTH Aachen Architekten: Entwurf: Fritzer + Pape Architekturbüro, Aachen/Graz, Mitarbeit: Frank Znottka; Ausführung: Pape Architekturbüro, Aachen/Köln, Mitarbeit: Oliver Hans; Künstlerische Objektüberwachung: Eva-Maria Pape, Till Sattler Tragwerksplanung: Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart Gebäudetechnik/Fassadenplanung: ARUP Deutschland, Berlin Bauphysik/Akustik: Graner & Partner, Bergisch-Gladbach Brandschutzgutachten: Kempen Ingenieure, Aachen Generalunternehmer: HOCHTIEF Construction AG, Aachen Baukosten: 18 Mio. Euro (KG 300 + 400) (ohne Geothermiebohrung und Anschluss, dies hat nach Angaben der EU 5,141 Mio. Euro gekostet) Bruttorauminhalt: 31 500 m3 Nutzfläche: 4800 m2 Baubeginn: Mai 2006 Fertigstellung: Juli 2008