Helmholtz-Zentrum Geesthacht, 2016-07-01
http://www.hzg.de/012542/index_0012542.html.de

Neues Luxusgut der Zukunft: Fließend kaltes Wasser in Großstädten?

In Zeiten steigender Preise für Öl und Erdgas ist Erdwärme mehr als eine Alternative für Gebäudebesitzer. Im Prinzip kühlt die Erdwärmeheizung im Sommer und wärmt im Winter. Dazu werden die oberen Bodenschichten als Wärmespeicher verwendet. Durch den Klimawandel wird sich das Wärmepotential im Boden weiter erhöhen. Doch wie verträgt sich die Energienutzung mit den anderen Nutzungen des Untergrundes? Was ist bei einem nachhaltigen Management des Untergrundes zu beachten?
Mit dem Klimawandel ist insbesondere im Sommer ein Anstieg der Temperaturen nicht nur IN, sondern auch UNTER Städten verbunden. Dadurch werden sich sowohl die Temperaturen im Boden als auch im Grundwasser erhöhen.

© Raimundas/fotolia - Wärmeinsel Großstadt © Raimundas/fotolia - Wärmeinsel Großstadt

Schon heute belegen Studien, dass neben den oberirdischen urbanen Wärmeinseln auch unter Großstädten Wärmeinseln auftreten. Diese unterirdischen Wärmeinseln weisen bereits jetzt Flächenausdehnungen von 10 km2 und mehr auf. Aktuell sind die Temperaturen unter Köln schon jetzt 3°C bis 5°C wärmer als das ländlich geprägte Umland. Mit dem Klimawandel und dem fortschreitenden Wachstum der Städte werden sich sowohl die Temperaturen als auch die Ausdehnung der Wärmeinseln erhöhen.

Daraus resultiert einerseits die Möglichkeit, einen erheblichen Anteil des Heizbedarfs ganzer Städte zu decken, anderseits werden das Grundwasser und oberflächennah verlegte Trinkwassernetze durch deutliche Temperaturerhöhungen speziell in den Sommermonaten negativ beeinflusst.

Der Boden als saisonaler Wärmespeicher

Seit über zehn Jahren werden im großen Maßstab Grundwasserleiter als saisonale Wärme- und Kältespeicher verwendet. Beispiele hierfür sind der Wärmespeicher in Rostock oder die Speicher unter dem Berliner Reichstag. Im Winter kann die oberflächennahe Erdwärme Temperaturniveau zum Heizen genutzt werden. Im Sommer kann die Gebäudewärme zur direkten Kühlung in den Untergrund abgegeben werden.

Die Nutzung solcher geothermischen Anlagen führt jedoch zu einer Veränderung der unterirdischen Temperaturverhältnisse. In Kombination mit den Temperaturerhöhungen durch den Klimawandel können sich die Effekte im Sommer aufsummieren und den Wärmeinsel-Effekt weiter verstärken. Somit muss in Zukunft die Nutzung der Erdwärme in urbanen Räumen noch mehr als jetzt mit wasserwirtschaftlichen Wünschen in Einklang gebracht werden, um die negativen Folgen zu mindern.

Durch die höheren Temperaturen werden im Untergrind chemische Reaktionen begünstigt, organische Materialien, wie z.B. Schadstoffe, mobilisiert, vermehrt CO2 aus den Sedimenten ausgetragen und die Sauerstoffsättigung im Grundwasser verringert. Da die negativen Folgen bekannt sind, existieren in Europa unterschiedliche Temperaturspannen, die toleriert werden. Sie reichen von ±3°C (Schweiz) bis ±11°C (Frankreich). Deutschland nimmt mit ±6°C eine Mittelstellung ein. Neben dem Grundwasser sind davon Trinkwasserleitungen betroffen, die in einer Tiefe zwischen 0,8 m und 1,8 m verlegt sind. Dort erwärmt sich in den Sommermonaten das Wasser z.T: über 25°C.

Geothermische Nutzung

Geothermie steht unabhängig von der Tages- und Jahreszeit zur Verfügung. Obwohl die Erdwärme keine regenerative Energieform darstellt, kann das Wärmepotenzial nach menschlichen Maßstäben als nahezu unerschöpflich beschrieben werden.

© Dirk Schumann/fotolia - Schematische Darstellung der Erdwärmenutzung (zum Vergrößern Bild anklicken) © Dirk Schumann/fotolia - Schematische Darstellung der Erdwärmenutzung (zum Vergrößern Bild anklicken)

Bei der geothermischen Nutzung unterteilt man in die oberflächennahe Geothermie (bis 400 m Tiefe) und die tiefe Geothermie (ab 400 m). Bei der oberflächennahen Nutzung unterscheidet man zwei Systeme: Bei offenen Systemen wird aus Förderbrunnen Grundwasser entnommen und zum Wärmeaustauscher geleitet. Von dort wird es über Injektionsbrunnen wieder in den Grundwasserleiter eingespeist. Dieser Prozess kann sowohl dafür verwendet werden, um Wärme aus dem Grundwasserleiter zu ziehen, als auch Prozesswärme abzuführen.

Bei den geschlossenen Systemen wird überwiegend eine zirkulierende Sole benutzt, die für den Wärmetransport verantwortlich ist. Das Verfahren wird sowohl in Erdwärmekollektoren (1 – 2 m) als auch bei Erdwärmesonden (50 – 400 m) verwendet. Bei großen Gebäuden kommen Sondenfelder bzw. –galerien zum Einsatz.

Regionen, die großflächig geothermische Energie nutzen, zeichnen sich schon heute durch veränderte Boden- und Grundwassertemperaturen aus. Im Umfeld von Erdwärmesonden liegen diese Abweichungen bei maximal ±5°C, im Bereich von Grundwasserpumpen treten ±10°C auf.

Dienstleistungen des Untergrundes

Den unterirdischen Bereichen und Ökosystemen werden verschiedene essentielle Dienstleistungen zugeordnet, wie Trinkwasserproduktion, Rückhalt von Nährstoffen, Abbau von Schadstoffen und krankheitserregenden Keimen. Die Veränderung der Temperatur beeinflusst maßgeblich biologische Prozesse - somit die grundwasserbezogenen Lebensräume und damit auch die oben genannten Ökosystem-Dienstleistungen.

Den größten Effekt wird die wärmebedingte Sauerstoffzehrung mit sich bringen. Sie wird eine massive Veränderung innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft zur Folge haben und höheren Organismen kein dauerhaftes Überleben ermöglichen. Auch die Vermehrung krankheitserregender Keime ist wegen der ebenfalls erhöhten Nährstoffgehalte nicht auszuschließen. In Ausnahmefällen kann die Erwärmung auch zu einem positiven Effekt führen, da die höheren Temperaturen die Mobilisierung von Schadstoffen und den biologischen Schadstoffabbau verstärken.

Aufgrund der Bodeneigenschaften, dem Aufbau und den fließenden Grundwassermengen ist kein Grundwasserleiter mit dem anderen zu vergleichen. Folglich müssen per Gesetz genehmigte maximale Temperaturspannen den jeweiligen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Grundwasserleiters angepasst werden.

Rohrleitungen und ihr Innenleben

Nicht nur das Grundwasser, sondern auch das Trinkwasser, welches in Rohrleitungen transportiert wird, ist Temperaturerhöhungen ausgesetzt. Untersuchungen zeigen, dass in Sommermonaten selbst in Tiefen bis 1,7 m eine Erwärmung des Trinkwassers bis über 26°C möglich ist.

In der alten EG-Trinkwasserrichtlinie vom Juli 1980 wurden als Richtwert für die Trinkwasser-Temperatur 12°C und als Grenzwert 25°C angegeben. Seit Inkrafttreten der neuen Trinkwasserverordnung vom Mai 2001 wird dagegen auf eine Regulierung der Temperatur verzichtet. In der DIN EN 806-2 (Technische Regeln für Trinkwasserinstallationen) wird jedoch gefordert, dass an der Entnahmestelle der Grenzwert von 25°C noch überschritten wird.

Besonders hohe Temperaturen im Boden und Leitungssystemen treten im Straßenkörper unterhalb asphaltierter Straßen auf. Durch den klimabedingten Anstieg der Bodentemperaturen kann sich dies noch weiter verschärfen. Die bisherigen DIN-Normen fordern eine Überdeckung von 1,0 m bis 1,8 m. Die Vorgabe zielte bisher auf den Frostschutz der Leitungen. Im Hinblick auf die Folgen des Klimawandels mit verlängerten Hitzeperioden rücken aber Temperaturerhöhungen verstärkt in den Fokus. Es muss also über Alternativen nachgedacht werden, wie das Verlegen von Trinkwasserleitungen in Zukunft zu handhaben ist.

© fotandy/fotolia - © fotandy/fotolia - "Innenleben" einer Trinkwasserleitung

Ein weiteres Problem ist eng mit den höheren Temperaturen verbunden. In bestimmten Umfang dürfen Keime im Trinkwasser enthalten sein. Im Kaltwasserbereich sind die Möglichkeiten der Vermehrung schlecht. Trotzdem wird nach einigen Monaten eine konstante Besiedlung von neu installiertem Material erreicht. Erhöhen sich die Temperaturen, so wird die Aufkeimung begünstigt. Der Temperaturbereich von 25°C bis 45°C ist ideal zur Vermehrung.

Keime bilden darüber hinaus Biofilme, wobei die Verkeimung auch entgegen der Fließrichtung des Wassers möglich ist. 95% der gesamten Biomasse im Rohrnetz sitzt auf den inneren Oberflächen. Neben der Temperatur wird die Keimbildung durch geringere Fließgeschwindigkeiten, was auf falsche Dimensionierung (Verhältnis Rohrdurchmesser zum tatsächlichen Wasserbedarf), geschwindigkeitsreduzierende Fließhindernisse (Filter- oder Speicherbehälter) oder die Rauhigkeit der Rohroberflächen weiter begünstigt.

Das Problem der Biofilmbildung in Rohrleitungssystemen ist nicht neu. Es wird sich jedoch durch den Klimawandel weiter verschärfen. Neben Kontrollen der zulässigen Temperaturspannen des Untergrundes müssen neue Trinkwasserleitungen bedarfsgerecht dimensioniert werden, um einen ausreichenden Wasserwechsel unter Berücksichtigung von Spitzenverbrauchszeiten zu gewährleisten. Zur weiteren Planung sind jedoch detaillierte Informationen über branchenspezifische Wasserbedarfe zu erheben.

Fazit

Im Hinblick auf die in Zukunft zunehmenden Untergrundtemperaturen, die räumliche Ausweitung von unterirdischen Wärmeinseln und die unterschiedliche Nutzungsansprüche an die oberflächennahen Bodenhorizonte ist es notwendig, sich bereits jetzt Gedanken über ein nachhaltiges Management des Untergrundes zu machen.

Literatur

Brielmann, H., Lueders, T., Schreglmann, K., Ferraro, F., Avramow, M., Hammerl, V., Blum, P., Bayer, P., Griebler, C. (2011): Oberflächennahe Geothermie und ihre potenziellen Auswirkungen auf Grundwasserökosysteme – Grundwasser 16: 77 -91

Hähnlein S., Blum, P & Bayer, P. (2011): Oberflächennahe Geothermie – aktuelle rechtliche Situation in Deutschland. – Grundwasser 16: 69-75

Lorbeer, G. (2009): Stand der Normung der Technischen Regeln für die Trinkwasser-Installation, 18 S.

Urbane Wärmeinseln als Heizquellen

Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserversorgung

Biofilme: eine Gefahr für das Trinkwasser?

Verhinderung der Biofilmbildung in der Landwirtschaft

Witterungseinfluss auf die Trinkwasserqualität

Ansprechpartner