GeoTU6

Geothermienutzung in Tunnelbauwerken in innerstädtischen Bereichen
am Beispiel des Stadtbahntunnels Stuttgart-Fasanenhof (U6)

Anlass:

Durch ihren hohen Grad an Erdberührung stehen neben Erdwärmesonden, Energiepfählen etc. auch untertägige Hohlräume im Fokus geothermischer Überlegungen. Mit relativ geringem zusätzlichem Aufwand kann die Tunnelschale neben der erforderlichen statisch - konstruktiven auch eine thermisch - energetische Funktion übernehmen. Diese Überlegungen führten, auch im Zusammenhang mit den in Wien gemachten Erfahrungen im Zuge einer tunnelgeothermischen Versuchsstrecke (Lainzer Tunnel) dazu, dass im Rahmen eines derzeit in Ausführung befindlichen Stadtbahnprojektes der Stuttgarter Straßenbahnen AG (SSB AG) eine gegenüber dem Wiener Ansatz modifizierte Versuchsstrecke in einem bergmännisch hergestellten Tunnel der Linie U6 eingerichtet wird. Das Projekt GeoTU6 wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert mit der Koordination durch den Projektträger Jülich und durch die Stuttgarter Straßenbahn AG kooperativ unterstützt. Dem hohen Maß an Interdisziplinarität Rechnung tragend, das an geothermische Fragestellungen geknüpft ist, erfolgt die Bearbeitung dieses Projektes in Zusammenarbeit zwischen den Instituten für Geotechnik und Gebäudeenergetik der Universität Stuttgart.

Förderung

bmwi ptj

 

Aufbau einer tunnelgeothermischen Teststrecke:

Innerhalb einer rund 380m langen bergmännischen Tunnelstrecke sollen 2 Tunnelblöcke mit je einer Länge von 10m mit Absorberleitungen ausgerüstet werden. In diesen voneinander getrennten Betonierabschnitten werden zwischen Außenschale aus bewehrtem Spritzbeton und Innenschale aus bewehrtem Ortbeton im Bereich des Tunnelgewölbes Absorberleitungen in zwei Teilkreisläufen pro Block eingebaut. Deren Vor- und Rücklaufleitungen werden an die in der Tunnelsohle verlaufende Hauptleitung angeschlossen, die aus dem Tunnel in einen nahe gelegenen Betriebsraum im Haltestellenbereich führt. Dort werden sowohl die Wärmepumpe als auch die Anlagensteuerung und die Speichereinheit für die Messwerte installiert. Die gewonnene Energie aus der relativ kleinen geothermischen Anlage wird für die Klimatisierung des Betriebsraumes mit herangezogen.


Abb.1: Mit Absorberleitungen zwischen Außen- und Innenschale ausgerüsteter tunnelgeothermischer Bauwerksabschnitt.

 

 Konstruktive Elemente:

Abb.2: (von links nach rechts)
• Fixierung von Absorberleitungen 25*2,3mm, (Material PE-XA) an Fixierschienen. Untergrund: Geotextil-Trennlage über Spritzbeton
• Absorberleitungen aus seitlicher Sicht
• Teilkreislauf aus Absorberleitungen in einem Energieblock

 


Abb.3: (von links nach rechts)
• Die beiden Teilkreisläufe eines Energieblocks aus der Tunnelsohle gesehen.
• Blick auf die nördliche Tunnelseite eines Energieblocks

 


Abb.4: (von links nach rechts)
• Energieblock im bewehrten Zustand. Eingebaute Verteileraussparung mit Zuführung von je 2 Vor- und Rücklaufleitungen sowie den beiden Verteilerleitungen aus der Tunnelsohle.
• Betonagevorgang, Blick aus Schalwagenfenster

 

Baugrund:

Der Baugrund im Tunnelbereich besteht im Wesentlichen aus entfestigten Ton-/Tonmergelsteinen sowie Sand- und Kalksteinen des Lias α

Abb.5: Ortsbrustkartierungen im Bereich der Energieblöcke (Quelle: PSP Consulting Engineers)

 

Messtechnische Ausstattung:

Der Tunnel wird mit einer umfassenden Messtechnik ausgestattet. Dazu zählen:

  • Temperaturmesslanzen mit Thermistorenketten zur Messung der Temperaturen vor und während der   thermischen Bewirtschaftung des Gebirges (Abb.3). Pro Energieblock existieren 3 Messlanzen mit Längen von 5 bzw. 10m und insgesamt 28 Messpunkten.
  • Messfühler zur Bestimmung der Betontemperatur und der Lufttemperatur
  • Messfühler zur Bestimmung der Luftströmungsgeschwindigkeit (Anemometer)

 

Abb.6: Systematik der Messeinrichtungen im Tunnel

 

Abb.7: Temperaturmessstellen im Baugrund im Bereich der Energieblöcke. Die Messungen dienen Langzeitbeobachtungen der Gebirgstemperatur. Sie werden mit Thermistorenketten durchgeführt.

 

Abb.8: Herstellung der 5 und 10m langen Bohrungen zur Aufnahme von Hüllrohren. Nach Verfüllen des Ringraumes zwischen Gebirge und PE-Rohr werden Thermistorenketten eingebaut.

 

Versuchsprogramm:

Die Untersuchungen erfolgen in einem Gebirge, das sich überwiegend aus verwitterten Tonmergelsteinen, daneben aus quarzreichen Sandsteinen und Kalksteinbänken aufbaut (Lias a). Die messtechnischen Untersuchungen werden durch ein Versuchsprogramm begleitet, das sich sowohl auf Laboruntersuchungen zur Ermittlung der geothermischen Eigenschaften des Gesteins, (im Wesentlichen Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität) als auch auf die Untersuchung der gebirgsspezifischen geothermischen Parameter mit Hilfe von in-situ-Versuchen stützt. Die Ergebnisse des Versuchsprogramms finden Eingang in die numerischen Simulationen der Wärmetransportvorgänge um den bergmännischen Hohlraum herum.

 

Abb.9: Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines stark quarzhaltigen Sandsteines mit Hilfe eines Thermoscanners.

 

Wissenschaftliche Ziele:

  • Erarbeitung funktionsfähiger Modelle für Absorberelemente, Gebirge und Tunnelraum, Kopplung mit bestehenden Modellen für Anschlussleitungen und Wärmepumpe
  • Bestimmung der Reichweite der Temperaturveränderung im umgebenden Baugrund und zeitlicher Verlauf
  • Kopplung von Labor- und In-situ-Versuchen zur Bestimmung der Gesteins- und Gebirgsleitfähigkeiten
  • Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Absorbersystems
  • Einfluss der Tunnelluft und des Grundwassers auf die Leistungsfähigkeit
  • Messung der Gebirgsreaktion und Validierung rechnerischer Modelle 
  • Entwicklung neuer Ansätze für Lösungen der technischen Umsetzbarkeit aus bau-technischer und gebäudetechnischer Sicht
  • Bestimmung von Auslegungskenngrößen für zukünftige geothermische Anwendungen im Tunnelbau