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In U-Bahnen entsteht durch den Brems- und Beschleunigungsvorgang der Züge, die Menschenmassen und natürliche Gegebenheiten Wärme. Forschenden der EPFL ist es nun gelungen, den Wärmeaustausch in einem Tunnel genau zu quantifizieren. Aufgrund ihrer Berechnungen für die künftige M3-U-Bahnstrecke in Lausanne könnte diese Wärme mit einer Geothermie-Anlage genutzt und Energieeinsparungen erzielt werden.
In einem Tunnel, der für Züge oder eine Metro genutzt wird, gibt es viele Wärmetauscher. Brems- und Beschleunigungsvorgänge der Züge führen im Tunnel zu Wärmespitzenwerten, die sich mit der natürlich vorhandenen Luft und der vom Boden ausgehenden Wärme vermischt.
Bis dato nur ungenau
Bis anhin wurde die Berechnung der Luftwärme in Tunneln nur ungenau durchgeführt. EPFL-Forschende des Labors für Bodenmechanik (LMS) haben dies in ihrer Studie korrigiert. Die Ingenieure konnten eine genaue Schätzung des Schlüsselkoeffizienten, des so genannten thermischen Konvektionskoeffizienten, abgeben. Die Resultate wurden in der Zeitschrift Applied Thermal Engineering veröffentlicht. Diese Erkenntnis eröffnet den Weg für den Betrieb eines geothermischen Tunnels zugunsten oberirdischer Gebäude. Für die Studie berechneten die Forschenden als Beispiel die Werte des Tunnels der zukünftigen Lausanner Metro M3, die den Hauptbahnhof mit dem Norden der Stadt (Bezirk Blécherette) verbinden wird.
Wärme für 1500 Wohnungen
«Unsere Forschung zeigt, dass bei Nutzung von 50 bis 60 % der geplanten Trassse 60 000 m2 des Tunnels mit dieser Geothermie-Anlage betrieben werden könnten und 1500 Standardwohnungen mit einer durchschnittlichen Grösse von 80 m2 und 4000 Minergie-Wohnungen mit Wärme versorgt werden könnten», erklärt Margaux Peltier, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der LMS, deren Masterprojekt hinter der Publikation steht. Der Vorteil dieses Systems ist, dass es Wärme speichern und zeitnah an die Haushalte verteilen kann. «Im Vergleich zu einer Gasheizung würde die Stadt den Ausstoss von 2 Millionen Tonnen CO2 jährlich vermeiden», fügt die Forscherin hinzu. Bei ihren Berechnungen wurden die im Norden der Stadt geplanten U-Bahn-Stationen oder das Zugdepot nicht berücksichtigt. Sie könnten ebenfalls von dieser Energie profitieren.
Überdimensionale Wärmepumpe
Unterirdisch neigt die Luft dazu, ihre Stabilität zurückzugewinnen und überschüssige Wärme an die Oberfläche abzugeben. Dies führt zu Heissluftbewegungen, die manchmal zu spüren sind, wenn man in der Nähe eines U-Bahn-Eingangs vorbeikommt. Ingenieure wollen auch dieses physikalische Phänomen nutzen, um zusätzlich Energie zu gewinnen. Konkret schlagen sie vor, in regelmässigen Abständen Rohre in die Betonkonstruktion des U-Bahn-Tunnels einzubringen und diese an eine Wärmepumpe anzuschliessen. Durch das Einleiten von Kaltwasser in die Tunnelröhren im Winter gibt das System Heisswasser an die Oberfläche ab – und umgekehrt im Sommer. Die Investitionen in die geothermische Ausrüstung des Tunnels wären vernachlässigbar. Mit einer Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren rechnet sich auch die graue Energie, denn Wärmepumpen sollten nur alle 25 Jahre ausgetauscht werden.
Heizung und Klimatisierung
Die Ausrüstung des Tunnels erlauben, die umliegenden Wohnungen im Winter zu beheizen und könnte bis zu 80 % des Energiebedarfs decken. Der verbleibende Bedarf wird idealerweise durch eine weitere erneuerbare Energiequelle ergänzt. Im Sommer, und das ist die Besonderheit dieser Geostrukturen, könnten die Wohnungen auch dank Geothermie gekühlt werden: «Der Tunnel würde das ganze Jahr über eine sehr zuverlässige Heizungs- und Klimaanlage bieten», sagt Margaux Peltier. Sie weist darauf hin, dass der Fall Lausanne ein grosses Klimatisierungspotenzial bietet. Insbesondere könnte das System zur Kühlung der für das zukünftige Ökoquartier «Métamorphose» geplanten Eisbahn genutzt werden.
«Diese Publikation zeigt, dass die Energietunnel-Technologie ausgereift ist und wir sie auf Quartiersniveau nutzen können», sagt Lyesse Laloui, Direktor des LMS. «Es bleibt abzuwarten, ob die Schweizer Industrie bereit ist, auf diesem Gebiet eine Vorreiterrolle zu übernehmen, da bisher weltweit nur Teststrecken betrieben wurden.» Die Forschenden haben die Ergebnisse ihrer Studie den Lausanner Industriedienstleistungen, dem Lausanner Verkehrsbüro (TL), dem Kanton Waadt, dem Hauptauftragnehmer für die zukünftige U-Bahn und der Stadt Lausanne vorgelegt haben.
Veranstaltungshinweise
- 24. September 2019 , Instandhaltungstagung, Basel
- 25. September 2019, Anlagentagung, Dietikon
- 31. Oktober 2019, Faktor Energie, Zürich
- 6. November 2019, Leitungsbau 2019, Dietikon
Schweizer Energiemix informiert gestalten, ETH-Studie zur Zukunft der Stromversorgung (Artikel, bulletin.ch)
Solare Gebäude, Zukunftssichere Konzepte zur Energieversorgung (Artikel, bulletin.ch)
Calculating Switzerland's energy carbon footprint more accurately (Artikel, EPFL, Web, Englisch oder Französisch)
Sciene Fiction auf Ozeanen (Blog)
Quelle: Sandrine Perroud, Mediacom EPFL
Bild: Pixabay