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Heizen und Kühlen mit Erdwärme

Eine der größten Geothermie-Anlagen Deutschlands soll Bielefelds neuen Campus versorgen

[21.11.2011]

Mehr als ein Dutzend Baukräne, mehrere hundert Arbeiter, unzählige Tonnen Beton und Stahl, die bereits verbaut sind oder in den kommenden Monaten und Jahren noch verbaut werden: Die Ausmaße der Baustelle im Nordosten Bielefelds, aktuell eine der größten in Nordrhein-Westfalen, sind gigantisch. Und sie will Maßstäbe setzen – vor allem bei der Energieeffizienz. In Bielefeld entsteht nicht nur eine neue Hochschullandschaft, sondern gleichzeitig eine der größten Geothermie-Anlagen Deutschlands.

Direkt neben der 1969 gegründeten Universität Bielefeld wird auf der bisherigen Erweiterungsfläche „Lange Lage“ derzeit der Campus Nord realisiert. Insgesamt entstehen dort derzeit zwei Neubauten. Der Forschungsbau Interaktive Intelligente Systeme und der Neubau der Fachhochschule Bielefeld. Der Ersatzneubau Universitätsstraße entsteht auf dem bisherigen Universitätscampus und bildet die Voraussetzung für die geplante Modernisierung des Universitätshauptgebäudes. Bis 2025 beträgt das geplante Investitionsvolumen rund eine Milliarde Euro. Ziel ist, dass in der größten Stadt Ostwestfalens ein modernes Wissenschaftszentrum entsteht, das Studenten und Wissenschaftlern eine erstklassige Infrastruktur und optimale Forschungsbedingungen bietet. Bielefeld soll zu einem der modernsten Hochschulstandorte des Landes werden.

Entwickler, Planer, Bauherr und Investor der Baumaßnahmen auf dem Campus Bielefeld ist der Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW (BLB) mit seiner Niederlassung Bielefeld. „Die Bauprojekte des Campus Bielefeld sind die Hochschulprojekte in der ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts, so wie die Bauten der 1970er Jahre die Hochschulbauten des letzten Jahrhunderts waren. Für alle diejenigen, die jetzt hieran mitwirken, wird es das größte Bauvorhaben ihres Lebens sein. Das ist Ansporn und Anspruch zugleich“, sagt Heinrich Micus, Leiter der BLB-Niederlassung Bielefeld.

An drei Projekten haben die Arbeiten bereits begonnen. Das aktuell größte Vorhaben ist der Neubau eines Gebäudes für die Fachhochschule (FH) Bielefeld. Zum ersten Mal wird die Hochschule, deren Fakultäten zurzeit noch in verschiedenen Gebäuden über die Stadt verteilt sind, eine gemeinsame Adresse haben. Die Nutzfläche des neuen Gebäudes beträgt 31.500 Quadratmeter. Die Kosten sollen bei etwa 154 Millionen Euro liegen.

Projekt Nummer zwei ist der Forschungsbau Interaktive Intelligente Systeme (FBIIS) der Universität Bielefeld. Die Forschung zu solchen Systemen ist seit Jahren einer der Profilschwerpunkte der Hochschule. Ziel dieser Forschung sind technische Kognitionssysteme – intelligente Alltagsgeräte, aktive Medien oder auch Roboter –, die mit Menschen auf einer kognitiven Ebene interagieren und als „verständige“ Helfer ihre Fähigkeiten an wechselnde Bedingungen anpassen können. Die Maschinen sollen außerdem für den Menschen leicht und intuitiv bedienbar sein. Die Hauptnutzungsfläche des Gebäudes beträgt ca 5.300 Quadratmeter, die Gesamtkosten liegen bei 32 Millionen Euro.

Das dritte aktuelle Projekt ist der Ersatzneubau mit Mensa. Für das rund 28.000 Quadratmeter große Gebäude werden 130 Millionen Euro verbaut. Zum einen entsteht dort auf 7.500 Quadratmetern eine gemeinsame Mensa für Uni und FH mit 2.000 Sitzplätzen und einer Kapazität von 7.500 Essen täglich. Zum anderen werden in den Neubau nacheinander die verschiedenen Fakultäten der Uni einziehen, wenn ab 2013 bis 2025 in sechs Bauabschnitten für etwa 700 Millionen Euro das Hauptgebäude der Universität saniert und modernisiert wird.

Doch der neue Campus will nicht nur in punkto Studien- und Forschungsbedingungen neue Maßstäbe setzen, auch die Energieversorgung der Gebäude soll so effizient wie möglich gestaltet werden. Deshalb entsteht für alle drei aktuellen Bauprojekte – die Fachhochschule, den Ersatzneubau und den Forschungsbau – zusammengenommen eine der größten Geothermie-Anlagen Deutschlands mit einer Gesamtleistung von 700 Kilowatt. Das entspricht der benötigten Heizleistung von etwa 115 Einfamilienhäusern à 120 Quadratmetern.

Unter Geothermie versteht man die Nutzung der im Erdreich vorhandenen Wärme. Durch sie sollen im Winter die Gebäude auf dem Campus Bielefeld geheizt und im Sommer gekühlt werden. „Bei diesen Anforderungen ist die Geothermie die einzige vernünftige Lösung“, sagt Ulrich Thebille, Diplom-Ingenieur beim BLB. „Zumal sich so auch die Chance ergibt, dass sich die Investitionen mittel- bis langfristig amortisieren.“

Schaut man sich die drei Geothermie-Anlagen getrennt voneinander an, so wird deutlich, dass der BLB beim Bau auf drei unterschiedliche Systeme setzt. „Die Fachhochschule steht geologisch bedingt auf Pfählen, da ist es relativ kostengünstig in diese Pfähle ein PE-Rohr (Polyethylen, ein Kunststoff) einzusetzen und den Pfahl quasi in einen Wärmetauscher zu verwandeln“, erklärt der Projektleiter Geothermie Oliver Kohlsch eines der Konzepte.

Die Arbeitsweise eines auf diese Weise entstandenen „Energiepfahls“ funktioniert wie bei einem Heizkörper – nur umgekehrt. Durch eine Heizung fließt warmes Wasser, die sie umgebende Raumtemperatur ist geringer, also wird Wärme abgegeben. Kohlsch: „Wenn geheizt werden soll, läuft bei einer Geothermie-Anlage kaltes Wasser durch den Pfahl, der Pfahl wird abgekühlt, das ihn umgebende Erdreich ist wärmer, diese Wärme wird wiederum vom Erdreich in den Energiepfahl gebracht und diese Wärme wird dann über eine Wärmepumpe auf ein Wärmeniveau gebracht, das zum Heizen genutzt werden kann.“ Die Kühlung funktioniert ebenso mit dem offensichtlichen Unterschied, dass das Wasser dann im Erdreich abgekühlt wird.

Von den etwa 800 Pfählen mit einem Durchmesser von 1,20 Metern, auf denen die FH steht, wurden insgesamt 406 zu Energiepfählen ausgebaut. Die Pfähle sind jeweils bis zu einer Tiefe von von acht Metern für Geothermie aktiviert. In jedem Pfahl befinden sich 32 Meter PE-Rohr, das ringförmig in dem Bewehrungskorb verbaut wurde.

Betrachtet man die Wärmepumpe in dem Gebäude so wird sie aus einer Kilowattstunde Strom für den Betrieb der Pumpe bis zu 4,5 Kilowattstunden Wärme erzeugen. Zum Vergleich: Ein Elektroauto erzeugt aus einer Kilowattstunde Energie nur etwa 0,9 Kilowattstunden Antriebsenergie.

Voraussetzung, um die Geothermie so effizient nutzen zu können,    ist die thermische Bauteil- oder auch Betonkernaktivierung. Das heißt die Decken und Wände in allen drei Gebäuden sind wie bei Fußbodenheizung mit Rohrschlangen durchzogen, durch die das erwärmte oder im Sommer abgekühlte Wasser gepumpt wird.

Für Thebille ist die Wärmepumpe eine Investition, die sich auch finanziell lohnt. „Die Wärmepumpe liefert für eine Kilowattstunde Strom in etwa 4,5 Kilowattstunden Wärme. Für Großkunden kostet eine Kilowattstunde beim Versorger etwa 18 Cent“, erläutert der Ingenieur. „18 geteilt durch 4,5 heißt, dass die Kilowattstunde 4 Cent kostet. Bei einem Versorger wie den Stadtwerken kostet Wärme zwischen 7 und 8 Cent pro Kilowattstunde. So liegt man mit dem Ergebnis der Wärmepumpe zumindest bei den reinen Betriebskosten bei der Hälfte.“

Zusätzlich hat eine Studie des Bundeswirtschaftsministeriums gezeigt, dass der Bezugspreis für Wärmepumpenstrom weniger Schwankungen unterliegt als der Preis für Öl und Gas. „Zukunftsorientiert kann man deshalb sagen, dass je höher der Preis für Öl oder Gas steigt, desto größer sind die Einsparungen bei der Nutzung von Geothermie, da die Kluft zwischen beiden Bezugspreisen größer wird“, sagt Kohlsch.

Im Gegensatz zu den Energiepfählen bei der FH bestehen die Geothermie-Anlagen beim Ersatzneubau und beim Forschungsbau aus mehreren Erdwärmesonden. In eine Bohrung von nur 14 Zentimetern Durchmesser wird dabei ein Wärmetauscher aus PE eingebracht. 81 dieser Erdwärmesonden, jede mit einer Tiefe von 85 Metern, werden voraussichtlich bis Ende des Jahres für den Ersatzneubau installiert. Bei FBIIS sind es 24 Sonden mit ebenfalls 85 Metern Tiefe. Der Unterschied: Während sich beim Ersatzneubau das Erdwärmesondenfeld neben dem Gebäude befindet, sind die Sonden beim Forschungsbau direkt darunter installiert – so ergeben sich die drei verschiedenen Systeme.

„Wenn man den gesamten Campus als Einheit betrachtet, dann ist dies vermutlich eine der drei größten sich im Bau befindlichen Geothermie-Anlagen, die es in Deutschland gibt. Europaweit liegen wir vermutlich unter den ersten Zehn“, sagt Kohlsch.

Auch die CO-2-Bilanz der drei Anlagen ist bemerkenswert. Vergleicht man die Geothermie-Anlagen mit konventionellen Techniken wie zum Beispiel dem Nutzen von Fernwärme, dann liegt die Ersparnis laut Kohlsch bei ungefähr 60 Prozent, was bei dem geplanten Verbrauch eine Ersparnis von 235 Tonnen Kohlenstoffdioxid entspricht.

Bereits im nächsten Jahr sollen die ersten Gebäude fertig sein. Der Forschungsbau soll 2012 übergeben werden. Der Ersatzneubau soll in der zweiten Jahreshälfte 2013 bezogen werden und mit der Fertigstellung der neuen Fachhochschule wird für Herbst 2013 gerechnet.

Behalten bei allen Bauarbeiten den Überblick: (v. l.) Diplom-Geophysiker Oliver Kohlsch, Ulrich Thebille, Diplom-Ingenieur beim Bau- und Liegenschaftsbetrieb (BLB) NRW Niederlassung Bielefeld, und BLB-Pressesprecher Carsten Pilz.

Eine der größten Baustellen in NRW: Der Campus Bielefeld von oben gesehen. Im Vordergrund entsteht der Ersatzneubau mit Mensa, im Hintergrund die neue Fachhochschule und der Forschungsbau Interaktive Intelligente Systeme.

Wärme aus der Erde: Aus dem Betonpfahl ragen noch die Anschlüsse heraus. Durch ein PE-Rohr in der Mitte wurde dieser Betonpfeiler zu einem Energiepfahl als Teil der Geothermie-Anlage für die neue Fachhochschule umgewandelt.


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