Unter großen Städten schlummern enorme Energiequellen: Aus erwärmten Grundwasserschichten ließe sich nachhaltige Energie zum Heizen im Winter und Kühlen im Sommer gewinnen. Forscher des KIT und der ETH Zürich haben ein analytisches Wärmestrom-Modell entwickelt und festgestellt, dass Wärmezunahmen im Untergrund vor allem durch Anstieg der Oberflächentemperaturen und Wärmeabgabe von Gebäuden bedingt sind. Ihre Arbeit präsentieren die Wissenschaftler im renommierten Journal „Environmental Science and Technology“. (DOI: 10.1021/es401546u)
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 Temperaturanomalien, die sich lateral und vertikal ausbreiten. 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 Juniorprofessor Philipp Blum, Leiter der Abteilung Ingenieurgeologie des Instituts für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des 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 gemeinsam mit Kathrin Menberg und Axel Schaffitel vom KIT sowie Dr. Peter Bayer von der 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.
Die Energie aus oberflächennahen Grundwasserschichten ließe sich beispielsweise mithilfe von Erdwärme- und Grundwasserwärme-pumpen zum Heizen im Winter und zum Kühlen im Sommer einsetzen. Würde dieses geothermische Potenzial genutzt, ließe sich damit nicht nur ein Teil des wachsenden Energiebedarfs decken, sondern auch die Emission von Treibhausgasen reduzieren, was wiederum der Erwärmung der Städte entgegenwirken würde.
Kathrin Menberg, Philipp Blum, Axel Schaffitel, and Peter Bayer: Long-Term Evolution of Anthropogenic Heat Fluxes into a Subsurface Urban Heat Island. Environmental Science and Technology, 2013, 47 (17), pp 9747–9755. DOI: 10.1021/es401546u.
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