Unter großen Städten schlummern enorme Energiequellen: Aus erwärmten Grundwasserschichten ließe sich nachhaltige Energie zum Heizen im Winter und Kühlen im Sommer gewinnen, berichten Forscher aus Karlsruhe und Zürich. Sie haben ein Modell entwickelt, um Wärmeströme und Temperaturveränderungen im Untergrund zu analysieren. Ihre Arbeit zeigt, dass sich das Grundwasser vor allem durch gestiegene Oberflächentemperaturen und Wärmeabgabe von Gebäuden erwärmt. Die Ergebnisse präsentieren die Wissenschaftler im Journal „Environmental Science and Technology“.
Die Temperaturen in Großstädten liegen deutlich über denen im ländlichen Umland: Dichte Besiedlung, Flächenversiegelung, Industrie, Verkehr und fehlende Vegetation führen zu einem urbanen Mikroklima mit erhöhten Temperaturen in der Atmosphäre. Aber auch im Untergrund entstehen Temperaturunterschiede, die sich seitwärts und in die Tiefe ausbreiten.
Versorgung für 18.000 Haushalte im Jahr
Das Grundwasser in urbanen Ballungsräumen hat sich in den vergangenen Jahrzehnten deutlich erwärmt. „In Karlsruhe betrug die durchschnittliche Wärmestromdichte in die oberflächennahen Grundwasserschichten im Jahr 1977 noch 759 Milliwatt pro Quadratmeter. Im Jahr 2011 waren es bereits 828 Milliwatt pro Quadratmeter“, berichtet Philipp Blum vom Karlsruhe Institute of Technology (KIT). „Diese Wärmemenge entspricht einem Petajoule pro Jahr, somit könnte man mindestens 18.000 Haushalte in Karlsruhe nachhaltig mit Wärme versorgen.“
Woher die Wärme im Untergrund von Städten genau kommt, hat Philipp Blum mit seinen Kollegen vom KIT sowie Peter Bayer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich untersucht. Die Wissenschaftler entwickelten ein analytisches Wärmestrom-Modell, um mögliche Faktoren wie Anstieg der Oberflächentemperaturen von versiegelten Flächen, Wärmeabgabe von Gebäuden, Abwasserkanälen und unterirdischen Fernwärmenetzen sowie der Einleitung von Kühlwässern zu untersuchen. Indem sie die vom Menschen verursachten Wärmeströme in den Untergrund der Stadt Karlsruhe modellierten, ermittelten die Forscher langfristige Trends der Wärmestromprozesse. Dabei ergab sich, dass vor allem die erhöhten Oberflächentemperaturen und die Wärmeabgabe von Gebäuden für den Wärmeanstieg im Untergrund verantwortlich sind.
Weniger Treibhausgase durch geothermisches Potenzial
Die Energie aus oberflächennahen Grundwasserschichten ließe sich beispielsweise mithilfe von Erdwärme- und Grundwasserwärme-pumpen zum Heizen im Winter und zum Kühlen im Sommer einsetzen. Mit diesem geothermischen Potenzial ließe sich den Wissenschaftlern zufolge nicht nur ein Teil des wachsenden Energiebedarfs decken, sondern auch die Emission von Treibhausgasen reduzieren. Dies würde wiederum der Erwärmung der Städte entgegenwirken.
(Environmental Science and Technology, 2013; doi: 10.1021/es401546u<>)
(Karlsruhe Institute of Technology, 29.10.2013 – AKR)
