Dass Häuser mit Erdwärme geheizt werden können, ist nichts Neues. Dass Geothermie auch zur Kühlung von Gebäuden genutzt werden kann, ist ebenfalls bekannt. Ein KIT-Projekt forscht nun aber an einer neuen, effizienteren Technik – und möchte ein Vorzeigemodell für die Region Karlsruhe etablieren.
In ihrem eigenen Büro haben Paul Fleuchaus und Simon Schüppler keine Klimaanlage. Wenn es wie in den vergangenen Wochen in Karlsruhe mehr als dreißig Grad hat, kommen die beiden Doktoranden am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) auch mal ins Schwitzen. Und forschen vielleicht auch deswegen an einer Idee, wie große Gebäudekomplexe in Zukunft nachhaltig gekühlt werden könnten.
"Geospeicher.bw" heißt das Projekt, in dem Wissenschaftler vom KIT, dem Europäischen Institut für Energieforschung (EIFER), der Hochschule Biberach, der Uni Stuttgart und der Uni Heidelberg seit 2016 zusammenarbeiten. Die Idee: Das Grundwasser als saisonales Speichermedium zu nutzen – für Wärme und Kälte gleichermaßen.
In Karlsruhe kommt man leicht ans Grundwasser
"Das Potenzial in der Region ist sehr hoch", erklärt Paul Fleuchaus, "weil das Grundwasser direkt zur Verfügung steht". Vor allem im Karlsruher Stadtgebiet sei es einfach, heranzukommen. Der Grundwasserspiegel liegt im Oberrheingraben im Schnitt nur fünf bis 10 Meter unter der Oberfläche und ist damit nicht sonderlich tief.
Diese grundwasserführenden Schichten, auch Aquifere genannt, wollen die Wissenschaftler für die Gebäudetemperierung nutzen. Bei niedrigen Außentemperaturen im Winter soll die vorhandene Kälte im Grundwasser gespeichert werden – bis es im Sommer wieder wärmer wird und sie zur Kühlung nach oben befördert wird. Andersherum kann auch sommerliche Hitze im Grundwasser gespeichert werden, um sie im Winter zum Heizen zu nutzen.
Geringe bauliche Eingriffe im Untergrund
Die sogenannte Aquiferspeicherung funktioniert mit geringen Eingriffen im Grundwasserleiter selbst, erklären die Doktoranden. In der einfachsten Ausführung müssten für die Kühlung lediglich zwei Brunnen gebohrt werden: Einer, über den das Wasser an die Oberfläche gepumpt wird, wo es zum Beispiel mithilfe von Kühltürmen im Winter heruntergekühlt wird. Und ein zweiter, über den es dann zur Speicherung wieder in den Aquifer zurückgeleitet wird. Im Sommer wird die Pumprichtung umgedreht, um das gekühlte Grundwasser – die Forscher sprechen von einer Temperatur zwischen acht und elf Grad – für die Gebäudeklimatisierung zu nutzen.
"Es wird lediglich der Strom zur Förderung des Grundwassers benötigt. Dadurch lassen sich Energieeinsparungen von 50 bis 90 Prozent im Vergleich zu klassischen Kältemaschinen erzielen", erklärt Doktorand Fleuchaus. Er räumt jedoch auch ein: Die Nachfrage nach solchen umweltfreundlichen Kühlsystemen ist in Deutschland derzeit noch nicht sehr hoch. "Für Wohnhäuser ist es noch kein Thema. Potenzielle Abnehmer sind hauptsächlich große, öffentliche Gebäude, Industrieanlagen und Büros." Allerdings steige der Bedarf an Klimatisierung mit jeder neuen Hitzewelle.
In den Niederlanden ist die Technik schon verbreitet
Andere Länder nutzen Technik schon viel intensiver. In den Niederlanden gibt es laut Fleuchaus bereits ungefähr 3000 solcher Anlagen – auch weil sie bei Neubauten politisch gefördert werden und das Grundwasser dort mit seiner geringen Fließgeschwindigkeit gut für die Speicherung von Wärme und Kälte geeignet ist.
"Man kann das mit einer Wärmflasche vergleichen", erklärt Paul Fleuchaus. "Das Wasser kann aufgrund seiner hohen Wärmespeicherkapazität und geringen Leitfähigkeit viel Wärme über einen langen Zeitraum speichern." Mit Kälte funktioniert das Prinzip ähnlich. Würde man hingegen eine Stahlkugel erhitzen, würde sie die Wärme viel schneller wieder abgeben.
Geothermische Brunnenanlagen, die die natürliche Temperatur des Untergrunds nutzen, ohne sie durch Einspeisung und Speicherung zu beeinflussen, gibt es in Deutschland bereits einige. Auch in der Region Karlsruhe sollen solche Systeme ausgebaut werden , die mit sehr tiefen Bohrungen zum Heizen dienen sollen.
Ziel des Projekts "Geospeicher.bw" ist es hingegen, vor großen Neubauprojekten das Bewusstsein der Bauherren für nachhaltige Kühl- und Heizsysteme zu vergrößern. "Die oberflächennahen Aquiferspeicher versprechen bei ähnlich hohen Investitionskosten Energieeinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen oberflächennahen Geothermie-Systemen", sagt Fleuchaus.
Klinikum Karlsruhe hätte von Technik profitieren können
Simon Schüppler vom EIFER hat in einer Studie eine Wirtschaftlichkeitsanalyse für einen Bauabschnitt des Städtischen Klinikums Karlsruhe erstellt. Zwar befand sich das Gebäude zu dem Zeitpunkt schon im Bau, weswegen seine Untersuchung etwas zu spät kam. Hätten die Architekten sich aber für eine direkte Kühlung über einen Aquiferspeicher entschieden, so hätten sie laut Schüppler auf 30 Jahre gerechnet bis zu 80 Prozent an Energie einsparen können.
Die effizienteste Art, Gebäude zu kühlenDoktorand Simon Schüppler
Weil klassische Klimaanlagen, so wie sie nun stattdessen im Klinikum verbaut werden, auch viele Treibhausgase ausstoßen, wäre eine CO2-Einsparung in einem ähnlichen Bereich denkbar gewesen. "Das ökonomische Potenzial ist groß und steigt bei klimatisch bedingtem Anstieg des Kältebedarfs", sagt Schüppler. "Die direkte Verwendung des Grundwassers ist die effizienteste Art, Gebäude zu kühlen."
Pilotprojekt am KIT-Campus Nord?
In Deutschland erfolgt die Gebäudeklimatisierung über einen Aquiferspeicher aber erst an einem einzigen Ort: Seit 2009 versorgt diese Technologie ein Hotel und zwei Bürokomplexe in Bonn mit Kälte und Wärme.
Die insgesamt sieben Doktoranden der verschiedenen Forschungseinrichtungen, die am Projekt beteiligt sind, versuchen nun an ihren jeweiligen Standorten, mögliche Pilotprojekte in die Wege zu leiten. Für die Karlsruher Forscher kommt der Campus Nord des KIT in Frage: "Da haben wir eine alte Gebäudestruktur und veraltete Kälteanlagen, die man durch ein gemeinsames Kältenetz, gespeist von einem Aquiferspeicher, ersetzen könnte", erklärt Fleuchaus.
Noch ist aber der genaue Verlauf des Kältenetzes und die Finanzierung unklar. "Wir hoffen auf erste Fortschritte in zwei bis drei Jahren", sagt Fleuchaus. "Wahrscheinlich können nicht alle Demo-Standorte im Projekt Geospeicher.bw realisiert werden. Aber wir hoffen, in der Region Nachahmer zu finden." So seien die Forscher beispielsweise auch mit den Karlsruher Stadtwerken in Kontakt.
Schadet oberflächennahe Geothermie dem Grundwasser?
Wird die Temperatur des Grundwassers verändert, hat das auch Folgen für den Ökokreislauf: Der Stoffwechsel von Organismen und chemische Prozesse im Untergrund könnten beeinflusst werden. Bei guter Grundwasserqualität wirkt sich laut Umweltbundesamt aber "eine Erwärmung bzw. Abkühlung des Grundwassers um wenige Grad Celsius nur unwesentlich auf die Wasserbeschaffenheit und Ökosystemfunktionen aus". Laut Fleuchaus darf oberhalb von 400 Metern Tiefe sowieso nur Wasser mit einer Temperatur von mindestens fünf und maximal 20 Grad Celsius eingespeichert werden. Im urbanen Raum habe das Grundwasser durch den Effekt der „urbanen Wärmeinsel“ ohnehin nicht mehr seine ursprüngliche Temperatur und Qualität. In Karlsruhe habe sich das Grundwasser beispielsweise schon um mehr als fünf Grad erwärmt.
