Durch die Frankfurter Brücken werden rund 438 GWh/a thermische Energie erzeugt bzw. gesammelt und zur Speicherung weitergeleitet

Mithilfe der 15.000 Säulen der Frankfurter Brücken können dem Boden rund 35 GWh thermische Energie pro Jahr entnommen werden – eine klassische Nutzung von oberflächennaher Geothermie.

Darüber hinaus können durch 1 Mio. Quadratmeter PVT-Solarmodule auf und entlang der Brücken ca. 303 GWh thermische Energie pro Jahr erzeugt werden. Weitere 100 GWh/a können durch Abwärme von Rechenzentren und Industrieparks in Frankfurt gewonnen werden. Von dieser Gesamtmenge von rund 403 GWh/a an thermischer „Energie-Ernte“ können 107 GWh/a im Winter direkt nach Erzeugung verbraucht werden. Die restlichen 296 GWh/a können mithilfe von mehreren tausend Borehole Thermal Energy Storages (BTES) im Boden gespeichert werden, so dass bei einem Effizienzfaktor von ca. 30 bis 35 % rund 92 GWh/a im Winter für Raumwärme wieder entnommen und genutzt werden können.

Kapitelinhalt: Natürliche Erdwärme wird dem Boden entnommen und zudem wird oberirdisch gesammelte Wärme im Boden gespeichert

Der Boden in Frankfurt ist oberflächennah mit einer Temperatur von 14 °C vergleichsweise warm. Die Säulen der Frankfurter Brücken ragen mit ihren Gründungspfeilern 15 bis 20 m tief in den Boden. Sonden in den Pfeilern können durch thermischen Austausch je nach Bedarf Raumwärme oder -kühlung für die Gebäude auf den Brücken realisieren.

Die Wärme, die sich hinter den Photovoltaik-Oberflächen ansammelt, wird – mit einer umweltverträglichen Flüssigkeit als Träger – durch Sondenfelder in die Tiefe geschickt, dort gespeichert und bei Bedarf wieder nach oben geholt. Die Sondenfelder können im Zuge des Brückenbaus im (ohnehin) aufgerissenen Boden installiert werden und ragen bis zu 250 m tief hinunter.

Beide Systeme nutzen de facto Sonnenenergie und keine Erdwärme aus dem Planeteninneren, wie es bei der bodentiefen bzw. „klassischen“ Geothermie der Fall ist.

Geothermiepfähle können genutzt werden, um die im Boden vorhandene Wärme zum Heizen zu entnehmen oder aber um oberirdisch eingesammelte Solarwärme in den Boden hinunterzuschicken und bis zur Entnahme dort zu speichern

Geothermiepfähle unter Frankfurts Hochhäusern haben beide Funktionen

Klassische Geothermie mithilfe von Gründungspfeilern im Boden findet in Frankfurt bereits Anwendung, insbesondere bei Hochhäusern: Hier wird seit über 20 Jahren direkt schon beim Bauen daran gedacht, unter einem Hochhaus die Gründungspfähle 30 bis 100 m tief hinabragen zu lassen und mit Leitungsschleifen (Sonden) auszustatten, um die sogenannte „oberflächennahe Geothermie“ zu nutzen, aber auch um Wärme, die sich – insbesondere durch die großen Fensterfronten – ansammelt, hinunter in den Boden zu transportieren, damit dieser thermisch regeneriert bzw. die Wärme dort im Sommer für die Entnahme im Winter gespeichert wird.

Allerdings lässt sich das leider nicht mit einem stadtweiten Roll-Out auf andere Gebäude übertragen, da der nachträgliche Einbau von tiefen, geothermisch genutzten Gründungspfählen bei Bestandsgebäuden unmöglich ist.

Auf den Frankfurter Brücken wird mit zwei Grundmechanismen für Wärmetransport gearbeitet:

I) Die Gründungspfeiler der Brückensäulen werden für konvektiven Wärmetransport ausgestattet

&

II) in der direkten Umgebung der Brücken werden Sondenfelder für konduktiven Wärmetransport angelegt

Konvektiver Wärmetransport

Hier erfolgt der Wärmetransport in Abhängigkeit von der Grundwasser-Temperatur und vor allem der Grundwasser-Strömung: Hat das Grundwasser (und damit der Boden, in dem die Sonden sich zwecks Wärmeentnahme befinden) z.B. 14 °C, strömt jedoch langsam oder kaum, dann kühlt die Stelle über die Jahre hinweg ab, weil nicht genug Wasser mit der Temperatur von 14 °C nachströmt.

Entsprechend ist die Effektivität von konvektivem Wärmetransport abhängig von der Porosität des Bodens und der damit gegebenen Fließgeschwindigkeit des Grundwassers: In poröserem Erdreich fließt das Wasser schneller.

In Frankfurt ist der Boden in weiten Teilen für konvektiven Wärmetransport geeignet: 12.750 der 15.000 Säulen der Brücken können schätzungsweise dafür ausgelegt werden.

Konduktiver Wärmetransport

Konduktiver Wärmetransport erfolgt entlang von Temperaturgradienten: Abhängig von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Untergrundes kann Wärme in den Boden geschickt und dort gespeichert werden: Das Boden-Umfeld der Sonden speichert die Wärme, bis sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder entnommen wird.

Wie gut Wärme gespeichert werden kann, hängt von der Gesteinsart und Porosität ab, aber auch von der Wassersättigung: Eine gewisse Sättigung an sich ist für die Wärmeaufnahme nicht schlecht, verfügt das Wasser jedoch über eine zu hohe Fließgeschwindigkeit, wird zu viel Wärme wegtransportiert anstatt lokal gespeichert zu bleiben.

Sondenfelder werden bei dem Bau der Frankfurter Brücken vor allem nördlich des Mains angelegt, wo der Frankfurter Ton mit guten Speichereigenschaften verstärkt vorkommt.

Maßgeblich beeinflussend für den Wärmetransport ist die hydraulische Durchlässigkeit des Bodens. Frankfurt hat im Süden relativ sandigen Boden, im Norden hingegen liegt oft bereits direkt unter der Oberfläche der „Frankfurter Ton“

Bei hoher hydraulischer Durchlässigkeit ist die Ausbreitung der sogenannten „Wärmefahne“ deutlich von konvektivem Wärmetransport geprägt – was positiv ist, wenn man nur auf Bodenwärme angewiesen ist (sprich auf den Zustrom von Wärme durch Grundwasser). Für thermische Speicherung im Untergrund hingegen ist die hohe hydraulische Durchlässigkeit von Wärme, die oberidisch gesammelt wurde, weniger geeignet. Da in Frankfurt fast überall auf den ersten 20 Metern in der Tiefe Grundwasser zu finden ist, können 85 % der Pfähle der Brückensäulen mit Sonden für den konvektiven Wärmetransport ausgestattet werden.

Bei geringer hydraulischer Durchlässigkeit ist die Ausbreitung der Wärmefahne überwiegend durch konduktiven Wärmetransport geprägt: Für die Entnahme der bodeneigenen Wärme ist dies zwar ungeeignet, da kein „Nachschub“ an Wärme über das Grundwasser erfolgt. Dafür eignet sich der Untergrund aber umso besser für die thermische Speicherung von Wärme, die oberirdisch gesammelt wurde.

Beim Bau der Frankfurter Brücken wird der Straßenbelag jeweils erneuert werden, so dass bei dieser Gelegenheit Sondenfelder im Straßenrandbereich entlang der Brücken installiert werden können.

Beide geothermischen Konzepte kommen auf den Brücken zum Einsatz: Die Säulen entziehen dem Boden dort vorhandene Wärme in Höhe von insgesamt 35 GWh pro Jahr. Zusätzlich werden jährlich ca. 403 GWh Wärme oberirdisch gesammelt: Rund 303 GWh kommen durch PVT-Module und weitere 100 GWh durch Abwärme von Rechenzentren hinzu. Der Anteil davon, der im Sommer erzeugt wird, wird im Boden gespeichert, der Anteil, der im Winter anfällt, wird direkt verbraucht.

Je nachdem, ob die bereits im Boden vorhandene Wärme genutzt wird oder aber die oberirdisch gesammelte Solarwärme zur Speicherung in den Boden geschickt wird, müssen verschiedene Erdsonden-Installationen verwendet werden.

Wärmeaustausch zwischen Boden und Sonden erfolgt bei den Frankfurter Brücken mit zwei Systemen

Fall 1: Die Frankfurter Brücken nutzen Bodenwärme, indem sie über die Pfähle ihrer Säulen, in denen Sonden angebracht sind, dem Boden seine Wärme entziehen

Bis zu zwanzig Meter reichen die Säulen der Frankfurter Brücken in die Tiefe, um dort insgesamt 35 GWh/a Energie zu entziehen:

Bevor beim Bau der Säulen der Bewehrungsstahl in das Bohrloch hinabgelassen wird, um dann mit Beton verfüllt zu werden, werden innen „Sonden“ (schwarze Kunststoffröhren) in sie eingelassen. Durch sie fließt später die Sole, die im Winter Wärme aus dem Boden nach oben fördert und umgekehrt im Sommer die Wärme von oben in den Boden hinuntertransportiert.

Die Energiepfähle der Frankfurter Brücken haben einen Durchmesser von 90 cm.

In den obersten 10-15 Metern wird die Bodentemperatur durch das Klima, sprich atmosphärische Faktoren, wie Sonneneinstrahlung, Luftkontakt und die Temperatur und Menge des versickernden Regenwassers bestimmt (darunter bis in ca. 50 Meter Tiefe herrschen über das Jahr konstant etwa 10 °C, lautet eine Faustregel für Mitteleuropa). Die Bodentemperatur in Frankfurt beträgt aufgrund seiner Lage im Oberrheingraben ab 2 m Tiefe an vielen Stellen ca. 12 °C oder mehr.

Oberflächennahe Geothermie nutzt nicht die Wärme des Erdmantels

Die Säulenpfeiler der Frankfurter Brücken sind ca. 20 m tief gegründet und werden mit geothermischen Sonden ausgestattet. Auch da erreicht man noch lange nicht die Erdwärme des Erdmantels, wie sie bei den schönen Geysiren in Island zutage tritt, sondern nutzt lediglich die Sonnenwärme, die in die Erdoberfläche eindringt.

Wieviel Wärme der Boden einer Region speichert, hängt nicht nur von dem Klima der Region ab, sondern auch von der Beschaffenheit des Erdreichs. Den Effekt kennt jeder: Manche Materialien heizen sich in der Sonne schnell auf und geben die Wärme aber auch schnell wieder ab, wenn es kalt wird; andere Materialien wiederum brauchen eine Weile, bis sie warm sind, aber dann halten sie die Wärme auch.

Wieviel Energie oberflächennah im Boden gespeichert bzw. aus dem Boden entnommen werden kann, hängt (1) vom Klima der Region und (2) von der geologischen Beschaffenheit des Untergrundes ab

Im Rahmen der mehrjährigen Vorplanung für die Frankfurter Brücken muss durch geologische Gutachten für jeden Teilabschnitt des Brückenverlaufes bestimmt werden, wie der jeweilige Untergrund aufgebaut ist und welche Temperatur er aufweist bzw. wie warm er bei Zufuhr von Energie werden kann. Denn manche Schichten speichern Wärme besser, andere weniger gut.

Der Boden unter einer Stadt ist meist sehr heterogen, so auch in Frankfurt. Laienhaft und pauschalisiert kann man sagen: Südlich vom Main ist er eher sandig, nördlich vom Main trifft man beim Graben recht schnell auf Ton. Steckt ein Säulenpfahl in einer sandigen Umgebung, nimmt dieser leichter Wärme auf, gibt sie aber auch schneller wieder ab. Tonhaltige Erde hingegen braucht mehr Zeit, um sich aufzuheizen, hält die Wärme dann aber auch länger.

So nah unter der Erdoberfläche ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Wärmespeicher-Kapazität des Bodens das Grundwasser, auf das man in Frankfurt beim Graben schon nach wenigen Metern trifft: Wenn durch den Boden viel Grundwasser mit relativ hoher Geschwindigkeit durchsickert (wie es bei sehr sandigem Boden der Fall ist), dann kann das für den Wärmetransport der Pfähle in zwei Richtungen Folgen haben: Zum einen bedeutet das, dass stets eine gewisse Grundtemperatur „zufließt“, denn das Grundwasser unter Frankfurt hat zwischen 12 und 14 °C – vereinzelt sogar noch mehr. Andererseits wird zusätzliche Wärme, die von den Pfählen im Sommer hinuntergeführt wird, auch schneller wieder abtransportiert.

Will man also berechnen, wieviel Wärme man aus dem Boden von Frankfurt holen kann bzw. wieviel man dort speichern kann, benötigt man für unterschiedliche geologische Abschnitte komplexe geothermische Berechnungsmodelle.

(3) Das Grundwasser ist der dritte wichtige Faktor für die Wärme-Speicherfähigkeit eines Bodes

Das Grundwasser unter Frankfurt hat im Schnitt 12 bis 14 °C, ähnlich wie der Boden, durch den es fließt. Die Pfähle der Säulen entziehen dem Boden im Winter Wärme, speisen aber im Sommer auch wieder große Mengen an Wärme ein (sonst würde der Boden über die Jahre hinweg auskühlen).

Nun kann man sich leicht vorstellen, dass das Grundwasser in sandigem Boden schneller fließt als in Tonschichten. Wenn es die Pfähle „umspült“, können diese die im Durchschnitt 13 °C betragende Wärme der Umgebung sehr gut aufnehmen – besser als aus „trockenem“ Boden. Aber wenn die Pfähle Wärme hinunterleiten, dann wird diese zum Teil auch vom Grundwasser mitgenommen bzw. weggespült.

Deshalb ist es wichtig, die Fließgeschwindigkeit pro Bodenschicht zu bestimmen, um daraus abzuleiten, wie speicherfähig ein Boden auf Dauer ist.

Die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers im oberflächennahen Bereich ist in Frankfurt an den meisten Stellen gering. Aber es gibt vereinzelt auch reißende Ströme. Ein umfassendes Grundwasser-Modell gibt es für Frankfurt derzeit noch nicht.

Auf Grundwasser stößt man in Frankfurt nach ca. 2 bis 5 Metern Tiefe, je nachdem wo man gräbt. Das sind dann noch keine „rauschenden“ Flüsse (die gibt es zwar auch, aber meist erst viel tiefer), sondern Feuchtigkeit, die den Boden durchsickert.

Ein Energiepfahl einer Säule der Frankfurter Brücken kann dem Boden schätzungsweise durchschnittlich 1 kW Wärme entziehen

Das ergibt sich aus der Betrachtung, wieviel Wärmeentzug pro Meter (W/m) möglich sind: Dieser unterscheidet sich von Erdschicht zu Erdschicht, deshalb gewichtet man ihn mit der „Dicke“, die Fachwelt spricht von der „Mächtigkeit“, der jeweiligen Erdschicht

– also jeweiliger Wärmeentzug (W/m) x jeweilige Mächtigkeit (m).

Das Resultat der Berechnung: Der Wärmeentzug (W) eines 20 m-Pfahls betrug in der Szenarioberechnung für die Frankfurter Brücken zwischen 885 und 1148 W. Entsprechend wurden pro Pfahl ein durchschnittlicher Wärmeentzug von 1000 W bzw. 1 kW angesetzt.

Wichtig ist bei der Analyse die Abschätzung der Entwicklung der Grundwassertemperatur im Abstrom von Energiepfählen

Es lassen sich nicht alle Streckenabschnitte gleichzeitig geothermisch nutzen, da sich die Energiepfähle gegenseitig beeinflussen, vor allem wenn sie in Grundwasserfließrichtung liegen.

Die Gesamtstrecke (ca. 60 km) wird daher vereinfacht in zwei Abschnittstypen unterteilt:

Streckenabschnitte A: Streckenabschnitte in Grundwasserfließrichtung - diese haben ein gemindertes Energiepotential

Streckenabschnitte B: alle anderen Streckenabschnitte - diese können das geothermische Energiepotential ausschöpfen

Ob es eine gegenseitige Beeinflussung der Energiepfähle gibt, ist abhängig von der Grundwasserfließrichtung

Auswirkung der Grundwasserfließrichtung auf die Gesamtheit der Säulen-Energiepfähle der Frankfurter Brücken

Die rund 60 km lange Brückenstrecke wird von rund 15.000 Säulen getragen, von denen 12.750 Stück mit geothermischen Pfählen versehen sind. Da von den 8.760 Stunden, die das Jahr hat, nur ein Drittel der Zeit (2.700 Stunden) die geothermische Pfahlanlage in Nutzung ist, kommen zeitversetzt fast alle Pfähle zum Einsatz.

Regeneration: Insbesondere im Sommer – aber auch bei intensiven Sonnentagen im Winter – muss überschüssige Wärme in den Boden geschickt werden, damit er über die Jahre hinweg nicht auskühlt

Einige Gemeinden haben bereits die leidvolle Erfahrung gemacht: Holt man zum Beheizen von Häusern durch oberflächennahe Geothermie permanent Wärme aus der Erde, ohne auch wieder Wärme hinunterzuschicken, dann kühlt der Boden über die Jahre hinweg aus.

Im ersten von vielen Wintern könnte man in Frankfurt also dem Boden Wärme entziehen: Der Boden samt Grundwasser hat in Frankfurt im Schnitt eine Temperatur von ca. 12 – 14 °C. Bereits im nächsten Winter wäre die Bodentemperatur an der Stelle der Wärmeentnahme jedoch schon geringfügig niedriger. Über mehrere Jahre hinweg würde sich der Effekt zu einem Temperaturverlust von mehreren Grad Celsius aufaddieren. Deshalb muss jeden Sommer für die „Regeneration“ des Bodens gesorgt werden, das bedeutet: Es muss auch wieder Wärme in den Boden hinuntergeschickt werden.

Im Fall der Frankfurter Brücken werden zwei Wärmequellen für die Regeneration verwendet: 1) die Wohngebäudekühlung der Brückengebäude im Sommer und 2) die Wärme der PVT-Module (photovoltaic thermal collectors). Durch diese sogenannten „Kopplungssysteme“ wird die Bodentemperatur wiederhergestellt, indem die erwärmte Flüssigkeit, die von oben durch die Sonden hinunterfließt, ihre Wärme an den umgebenden Boden abgibt.

Kopplungssysteme sorgen dafür, dass die Bodentemperatur trotz jahrzehntelanger Nutzung fast gleich bleibt – Beispielsimulation für die Kennedyallee in Frankfurt

Im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie wurde für einen Teilabschnitt der Frankfurter Brücken an der Kennedy-Allee die Entwicklung der Sondeneintrittstemperatur über 100 Jahre hinweg simuliert, unter Nutzung von Kopplungssystemen, die für die Regeneration der Bodentemperatur sorgen.

Das Resultat bestätigt die Wirksamkeit von Kopplungssystemen: Die höchste Sondeneintrittstemperatur tritt nur im ersten Jahr auf (11,1 °C) und sinkt bis zum 100. Jahr geringfügig (10,8 °C). Die geringste Sondeneintrittstemperatur liegt im ersten Jahr bei 9,4 °C und sinkt bis zum 100. Jahr auf 9,1 °C.

Von den 35 GWh/a Erdwärme, die das Heizen der Brücken-Gebäude unterstützen, werden 40 Prozent in nur zwei Monaten, von Dezember bis Januar, aus dem Boden geholt

Ein großer Teil der Regeneration wird durch die bei der Gebäudekühlung abgeführte Wärme im Sommer realisiert; nur ein kleiner Teil der Regeneration erfolgt durch Solarthermie an sonnigen Tagen im Winter.

Fall 2: Oberirdisch gesammelte Wärme wird über gruppierte Erdsonden in den Boden geschickt, dort gespeichert und bedarfsweise zum Heizen von dort wieder entnommen.

Wo die Frankfurter Brücken gebaut werden, wird der Belag der Straßen unter ihnen im Zuge des Bauvorhabens erneuert werden müssen. Diese Gelegenheit wird genutzt, um entlang der Fahrbahn Sondenfelder anzulegen.

Diese Sonden reichen bis zu 250 m tief. Auf den ersten 20 m sind sie gut isoliert, da sie dort potentiell durch grundwasserhaltige Erdschichten führen und ihre Wärme verfrüht abgeben bzw. das Grundwasser aufheizen würden. Unterhalb davon geben sie dann die Wärme zur Speicherung an den umgebenden Boden ab.

Gesammelt wird die Wärme oberirdisch durch Hybridkollektoren. Diese erzeugen beides: Strom und thermische Energie

Durch PVT-Hybridkollektoren (PVT: Photovoltaic-Thermal hybrid solar collector) werden gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Bei den PVT-Hybridkollektoren befindet sich auf der Rückseite der PV-Module ein thermischer Kollektor, der die Wärme der Sonnenstrahlen aufnimmt und an einen Wärmetauscher weitergeben kann. Manchmal findet man auf Dächern noch beide Funktionen – Photovoltaik und Wärmekollektoren – getrennt angebracht.

Bei den Frankfurter Brücken befinden sich PVT-Hybridkollektoren auf Dächern, Baldachinen, den Seiten des Brückenkorpus und an den Fassaden der Brückengebäude. Zudem werden die Parkplätze neben den Brücken auf Kosten der Brückengesellschaft überdacht und mit PVT-Hybridkollektoren ausgestattet.

Insgesamt werden ca. 303 GWh/a Wärme durch PVT-Hybridkollektoren erzeugt

Mit 1 Mio. Quadratmeter PVT-Hybridkollektoren werden ca. 303 GWh/a Wärme erzeugt; ca. die Hälfte davon befindet sich auf den Brücken und die andere Hälfte auf den Parkplatzüberdachungen neben den Brücken.

Rund 80 % der Wärme (246 GWh/a) wird im Sommer erzeugt, wenn fast kein Wärmebedarf besteht. Deswegen wird die erzeugte Wärme im Sommer unterirdisch in BTES (Borehole Thermal Energy Storage) gespeichert und im Winter zum Heizen mit Niedrigtemperaturen wieder hervorgeholt.

Im Winter werden die restlichen 20 % Wärme (57 GWh/a) erzeugt. Diese wird direkt zum Verbraucher weitergleitet.

Eine weitere Quelle für thermische Energie: Abwärme. Das Abwärmepotenzial aus Rechenzentren, Industrieparks und auch Abwasser beläuft sich in Frankfurt auf rund 190 MW bzw. mehr als 1,66 TWh pro Jahr

Laut dem Frankfurter Abwärmekataster teilen sich die 1.660 GWh pro Jahr folgendermaßen auf:

• 100 MW (876 GWh) Wärme aus Abwasser,

• 40 MW (350 GWh) Abwärme aus Industrieparks,

• 50 MW (438 GWh) Abwärme aus Rechenzentren

Das ist etwa ein Drittel des Wärmeverbrauchs der Frankfurter Haushalte. Allerdings liegt die thermische Energie nur als Niedrigenergie-Abwärme vor und wäre daher nur in Gebäuden mit Wärmepumpen-Heizung nutzbar.

Bislang konnte die Abwärme der Rechenzentren bzw. Industrieparks in Frankfurt jedoch gar nicht genutzt werden, da ein Leitungssystem fehlt, das die erwärmte Sole-Flüssigkeit zu den Wärmetauschern von Gebäudenutzern transportieren kann. In die Fernwärmeleitung der Mainova kann sie leider auch nicht eingespeist werden, da diese auf 80 bis 90 °C heiße Flüssigkeit ausgelegt ist.

Beim Bau der Frankfurter Brücken wird daher entlang der Brücken ein Leitungssystem geschaffen, das nicht nur die von PVT-Hybridkollektoren gesammelte Wärme im Boden speichert, sondern auch die Abwärme von Rechenzentren und Industrieparks, wie sie sich vor allem an der Hanauer Landstraße und in Sossenheim finden, sammelt und weiterleitet.

Für diese Rechenzentren und Industrieparks stellen die Frankfurter Brücken den direkten Draht zur Nutzung ihrer Abwärme in Gebäuden oder bei anderen Abnehmern dar.

Die Frankfurter Brücken verlaufen an einigen kritischen Stellen vorbei, wo Rechenzentren extrem viel Abwärme erzeugen – eine sehr nützliche Energiequelle, gerade an weniger sonnigen bzw. warmen Tagen im Herbst oder Winter

In Brückennähe erzeugen 30 Rechenzentren sowie der Cassella Industriepark ca. 200 GWh/a Niedrigtemperatur-Abwärme, die derzeit ungenutzt bleibt. Die Hälfte davon (100 GWh/a) kann mithilfe der Brücken eingesammelt und verwendet werden.

Nicht nur im Sommer ist thermische Energie verfügbar

Etwa 246 GWh/a Niedrigtemperatur-Wärme (ca. 35°C) aus PVT-Modulen und rund 50 GWh/a Abwärme von Rechenzentren werden von April bis September unterirdisch gespeichert. Aber auch zwischen Januar und März sowie Oktober und Dezember wird die erzeugte Wärme entweder zwecks Regeneration in den Boden geleitet oder direkt zum Verbraucher transportiert.

Die im Sommer gesammelte thermische Energie (ca. 296 GWh/a) wird nicht direkt verbraucht, sondern in langfristigen Speichern aufbewahrt

Wärme aus PVT-Modulen und auch Abwärme von Rechenzentren werden im Untergrund in „Sondenfeldern“ gespeichert

Die Frankfurter Brücken bieten die Möglichkeit, an strategisch günstigen Orten, z.B. unter den Versorgungszentralen oder Fahrbahnen unterhalb der Brücken, Sondenfelder zu installieren, sogenannte Borehole Thermal Energy Storages (BTES), um – wie der Name schon sagt – überschüssige Wärme zu speichern. So kann die Zeit zwischen Angebot (Sommer) und Nachfrage (Winter) überbrückt werden.

Die Speichereffizienz von einzelnen Erdwärmesonden ist vergleichsweise gering. Deshalb legt man sogenannte „Erdwärmesondenfelder“ an, die im Kreis oder Quadrat angeordnet am effizientesten die Wärme speichern. Es empfiehlt sich, einen Abstand von weniger als 10 m anzusetzen (optimal: 3 bis 5 m).

Weitere Faktoren, die für die Effizienz entscheidend sind:

• thermische Eigenschaften des Untergrundes

• Grundwasserfließgeschwindigkeit

• Verhältnis von Oberfläche zu Volumen

• Arbeitstemperaturen und zeitliche Steuerung

Zur Abschätzung von Speicherpotential und -nutzungsgrad wurden numerische Modelle aufgebaut und eine langjährige Simulation des Speicherbetriebes durchgeführt.

Das Modell des Borehole Thermal Energy Storage (BTES) berechnet die gespeicherte bzw. entnommene Wärmeenergie sowie Outlet-Temperaturen pro Speicherzyklus – und dadurch auch den Speichernutzungsgrad von BTES

Voraussetzungen:

• Model mit „4 auf 8 Sonden-Anordnung“, also 32 Erdwärmesonden (EWS) mit jeweils 4 m Abstand

• zugeführte Wassertemperatur im Sommer von 35 °C und im Winter von 4 °C

• Oberer Aquifer bis 10 m unter Geländeoberkante (u GOK), danach Ton

• EWS von 20 bis 200 m u GOK (Slice 5-23)

• Hydraulischer Gradient von 6,5 %

• EWS als 1D-line element implementiert

Erdwärmesonden des BTES:

• U-Sonden mit Standardmaßen

- 150 mm Bohrdurchmesser

- 32 mm Sondendurchmesser

• Konstanter Volumenstrom mit 10 m3/d je Sonde

• Vereinfachter Ansatz: ohne komplexe Verschaltung der EWS untereinander, jede EWS ein einzelner Kreislauf

Für die Abschätzung der Sondenfelder-Performance entlang der Frankfurter Brücken wurden drei Szenarien mit jeweils unterschiedlichen geologischen Gegebenheiten, die im Frankfurter Raum vorkommen, simuliert

Szenario 1 (S1): Idealer Fall für Speicherung in komplett durchgängiger Tonschicht mit hydraulischer Durchlässigkeit von k_f=10^-7 m/s, somit kaum konvektive Wärmeverluste durch fließendes Grundwasser
Szenario 2 (S2): Ton von zwei Sandschichten (k_f =2*10^-4 m/s) mit 2 und 8 m Mächtigkeit unterbrochen, somit auf 5 % der Strecke erhöhte konvektive Wärmeverluste
Szenario 3 (S3): Ton von vier Sandschichten (k_f =2*10^-4 m/s) unterbrochen mit insgesamt 50 m Mächtigkeit, somit auf 25 % der Strecke erhöhte konvektive Verluste

Die Modellergebnisse zeigen die Eintritts- und Austritts-Soletemperaturen innerhalb des 10-jährigen Betriebszeitraums. Die Eintrittstemperatur (T-In) wird für alle Szenarien auf 4 °C im Winter und 35 °C (Austrittstemperatur der PVT-Hybridkollektoren) im Sommer festgelegt. Bei allen Szenarien ist erkennbar, dass die Austrittstemperatur (T-Out) während der Wärmeversorgung (im Winter) sinkt und während der Speicherung (im Sommer) steigt.

Modellergebnisse von unterschiedlichen Szenarien: In- & Out-Temperaturen in EWS

• Die Outlet-Temperaturen sind bei zunehmenden konvektiven Verlusten in den Speicherphasen niedriger

• In den Entnahmephasen sind die Outlet-Temperaturen sehr ähnlich

Warum zeigt die Simulation ähnliche Outlet-Temperaturen im Winter? Obwohl bei S1 (nur Ton) der Temperaturgradient zum Speichervolumen im Vergleich zu S3 (viel Sand) höher ist, weil die gespeicherte Wärme nicht vom Grundwasser wegtransportiert wurde, sind dennoch gleichzeitig der Wärmeaustausch zwischen den Erdwärmesonden und das Speichervolumen geringer, da kaum konvektiver Wärmetransport stattfindet.

Bei allen Szenarien für die Sondenfelder entlang der Frankfurter Brücken steigt die entnommene Wärme nach den ersten Jahren an und erreicht ein Plateau, während die Menge der gespeicherten Energie einen umgekehrten Trend aufweist

Die Modellergebnisse zeigen die gespeicherte und entnommene Wärmeenergie in einem Betriebszeitraum von ca. 30 Jahren.

Bei den Szenarien mit Grundwasserströmung kann etwas mehr Energie entnommen werden, es wird aber auch deutlich mehr hineingesteckt.

Speichernutzungsgrad:

• S1: ~ 87 %

• S2: ~ 78 %

• S3: ~ 63 %

Konvektive Verluste haben signifikante Auswirkungen auf den Speichernutzungsgrad.

Der Speichernutzungsgrad ist deutlich niedriger, wenn man Verschaltung und Steuerung usw. berücksichtigt.

Für Erdwärme-Sondenfelder werden 175.000 m2 Fläche benötigt: Sie werden entweder (I) unter jeder Versorgungszentrale, (II) neben den Rechenzentren und Industrieparks oder (III) entlang der Brücken im Zuge des Brückenbaus unter den Straßen installiert

Laut simuliertem Modell werden mit 32 Erdwärmesonden (12*28 = 336 m²) 650 MWh thermische Energie gespeichert. Um 296 GWh/a zu speichern, benötigt man ca. 455 Gruppen mit 32 Erdwärmesonden bzw. ca. 155.000 m² Fläche.

(I) Unter jeder Versorgungsszentrale können Erdwärme-Sonden installiert werden. Es gibt 200 Versorgungszentralen mit einer Grundlfäche von durchschnittlich 100 m², so dass auf diese Weise schon beim Bau der Versorgungszentralen 20.000 m² Fläche mit Sondenfeldern ausgestattet werden können.

(II) Neben den Rechenzentren und dem Cassella Industriepark können weitere 5.000 m² Erdwärme-Sonden installiert werden, um die Wärme, die vom Ostarm und vom Westarm der Frankfurter Brücken eingesammelt werden, zu speichern.

(III) Die restlichen benötigten 130.000 m² Platz ergeben sich entlang der 60 km langen Verlaufsstrecke der Frankfurter Brücken: Bei deren Bau muss der Straßenbelag der überbauten Straßen ohnehin in weiten Teilen erneuert werden. Hier können auf 130.000 m² alle notwendigen Erdwärme-Sondenfelder installiert werden.

Die 130.000 m2 Fläche für die Sondenfelder sollte ferner rund um die Kreuzungsbereiche der Brückenabschnitte angelegt werden, da dies energetisch günstiger ist: Von dort hat die Wärme kürzere Strecken zum Gestehungs- aber auch zum Nutzungsort

Die beiden Streckenabschnitte A (die in Grundwasser-Fließrichtung liegen: grüne Linien) teilen die Brücken-Landschaft in drei Gebiete: Ost, Mittel und West.

Die Platzierung der Erdwärme-Sondenfelder erfolgt sinnvollerweise meistens um die Kreuzungen der Brückenverläufe herum (angezeigt durch schwarze Kreise):

Denn wenn die Wärme zwecks Speicherung immer nur bis zur nächsten Kreuzung geleitet werden muss (und vice versa bei der Entnahme), dann wird die Streckenlänge für Energietransporte verkürzt, die Wärmeverluste sind geringer und die Effizienz der Wärmespeicher ist damit höher.

Von den 15.000 Säulen der Brücken sind bei 12.750 die Pfähle mit Sonden versehen. Diese sind ebenso wie die Sondenfelder unter den Straßen an eine unterirdische Ringleitung angeschlossen, sodass Wärme weitergeleitet werden kann, wenn sie vor Ort nicht benötigt wird

Ca. ein bis zwei Meter unter der Erde, also in der frostfreien Zone, verläuft eine Ringleitung, an die sowohl die Sonden in den Säulenpfählen als auch die Erdwärme-Sondenfelder unter der Straßen angeschlossen sind. Durch diese besonders gut isolierten Verbindungsleitungen kann die erwärmte Sondenflüssigkeit immer dorthin fließen, wo sie gerade gebraucht wird. Abnehmer sind die Gebäude auf den Brücken, Gewächshäuser und Schwimmbäder neben den Brücken und in fernerer Zukunft auch Wohn- und Bürogebäude neben den Brücken.

Bei der Wärmeentnahme aus den Speichern wird die temperierte Sondenflüssigkeit bei Heizbedarf aus dem Boden hochgeleitet und – ebenso wie die Sole aus den PVT-Modulen – unterirdisch zum Keller der nächstgelegenen Versorgungszentrale geleitet

Die Sole der Solarthermie der Photovoltaikmodule läuft durch Leitungen entlang der Säulen bis hinunter in den Boden, um dort dann in einer gemeinsamen Verbindungsleitung zur Versorgungszentrale weiterzufließen.

Entweder wird sie (im Winter) dort zum Heizen genutzt oder zur Speicherung in den Boden weitergeleitet, um bei Bedarf wieder hochgeholt und zu den Versorgungszentralen geschickt zu werden. Dort wird die Wärme durch einen Wärmetauscher an die Leitungen abgegeben, die zu den Brücken-Gebäuden und anderen Abnehmern verlaufen.

Auch die Sondenflüssigkeit aus dem Boden, die durch die dort vorhandene Bodentemperatur von ca. 14 °C in den Brückenpfeiler-Sonden erwärmt wurde, steigt in den Brückenpfeilern bis zur Erdwärme-Ringleitung auf, die ca. 2 m unter dem Boden liegt, so dass sie frostfrei ist und auf dem Niveau des Kellers der Versorgungszentrale herauskommt, um dort genutzt zu werden.

Sowohl die Säulenpfeiler, die mit Sonden versehen werden („Geothermie-Säulen“) als auch die Sondenfelder (BTES) sind an das gemeinsame Wärmeleitnetz der Frankfurter Brücken angeschlossen, welches ein gutes Steuerungs- und Regelungssystem benötigt

Wenn eines Tages weniger Fahrspuren benötigt werden und unter den Frankfurter Brücken Gebäude entstehen, können diese geothermisch mitversorgt werden

Da fast alle Stützen der Brücken geothermisch aktiviert sind, können eventuell in Zukunft entstehende weitere „Gebäude“ neben oder unter den Brücken energieeffizient mitgeheizt werden. Durch die an das System angeschlossenen Versorgungszentralen, die alle paar hundert Meter entlang der Brücke eingeplant sind, ist der Anschluss dieser zusätzlichen Gebäude unproblematisch.

Die Frankfurter Brücken schaffen nicht nur oberirdisch grüne und humane Lebensräume, sondern sie eröffnen durch ihre Säulen auch unterirdisch die Möglichkeit, den Boden unter der Stadt als Energiespeicher zu nutzen

Knapp 1 Mio. m² solarthermische Fläche entsteht auf den Frankfurter Brücken, nicht nur auf den Dächern der Brückengebäude, sondern auch am Brückenkorpus und auf den Parkplätzen entlang der Brücken. Mit der Wärme daraus sowie der Abwärme vieler Rechenzentren kann der Boden unter den Brücken nicht nur nach der Winterzeit mit ihrem Wärmeentzug wieder regeneriert werden; vielmehr könnte weit mehr Wärme hinuntergeschickt als entnommen werden. Theoretisch.

Denn es gibt einen limitierenden Faktor: Das Grundwasser darf nicht zu warm werden. An manchen Stellen der Frankfurter Innenstadt hat es bereits durch die Geothermie der Hochhäuser 18 °C und mehr. Das sind bereits problematische Werte: Eine zu starke Erwärmung des Grundwassers kann schädlich sein für einige hundert Tierarten, die diesen Bereich bewohnen, und für das Ökosystem der Grundwasserorganismen, die einen enormen Beitrag dazu leisten, das Grundwasser zu reinigen.

Entsprechend muss in der Vorplanungsphase der Frankfurter Brücken gemeinsam mit dem Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie genau geprüft werden, in welchem Ausmaß an welchen Stellen die Geothermie-Anlage der Frankfurter Brücken Wärme im Boden speichern darf.

Profis zu dem Thema

Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie - Universität Bern - Institut für Geologie - National Renewable Energy Laboratory - Laboratório Nacional de Energia e Geologia - International Geothermal Association

Fazit: Die Brückenstruktur und der Brückenbau können genutzt werden, um Wärme aus dem Boden zu gewinnen oder sie dort zu speichern

Infrastruktur-Projekte gelten zur Zeit meist noch als umweltbelastend und aufgrund der CO₂-Emissionen bei Betonbauten auch als klimaschädlich.

Dieser Gegensatz zwischen Bauwerk und Natur lässt sich aufheben, wenn das Bauwerk an sich zur Energieerzeugung und -speicherung genutzt wird bzw. wenn im Zuge der Errichtung einer Infrastruktur umweltfreundliche Systeme erneuerbarer Energieerzeugung gleich mitinstalliert werden.

Bei den Frankfurter Brücken können die Säulenpfeiler für die Energiegewinnung aus dem Boden genutzt werden; ferner bietet das Bauvorhaben an sich die Chance, Sondenfelder zur Energiespeicherung entlang der Brücken im Zuge des Brückenbaus zu installieren.

Die urbane Energiewende

Strombedarf der Brücke

Heiz- und Kühlbedarf der Brücken

Photovoltaik als Quartierstrom

Die Energieinfrastruktur der Zukunft

Die Brückenwelt

Nachhaltigkeit durch Technik

Die Co2-Bilanz der Brücken