Felix Schumann erhielt 2020 seinen M.Sc. Abschluss in Geotechnologie an der Technischen Universität Berlin. Während eines einjährigen Auslandsstudiums an der Technischen Universität Istanbul befasste er sich vor allem mit Geothermie. Seine Masterarbeit zur Gefahrenabschätzung von Massenbewegungen mittels künstlicher neuronaler Netze wurde als beste Masterarbeit des Studiengangs Geotechnologie im Jahr 2020 ausgezeichnet. Er arbeitete bereits neben dem Studium in mehreren Geo-Ingenieurbüros und seit 2020 ist er forschend für das Fachgebiet Ingenieurgeologie der TU Berlin tätig. Seine Forschungsinteressen sind Oberflächennahe Geothermie, Geothermische Speicher, Massenbewegungen und Künstliche Neuronale Netze.
Hier findet ihr ihn bei LinkedIn.

Das EnEff: HCBC Projekt

Basierend auf dem Pariser Klimaabkommen und der damit einhergehenden Energiewende der Bundesregierung soll der Doppelcampus der Technischen Universität Berlin und der Universität der Künste sich als energetische und nachhaltige Einrichtung etablieren.

Mit dem Energie Effizienz: Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg Projekt (EnEff: HCBC) wird somit im Reallabor untersucht, wie die Klimaziele für 2050 schon 2023 erreicht werden können. Neben Umbau und Sanierung von Gebäuden, wird auch an einem Wärmeversorgungskonzept für den Hochschulcampus gearbeitet, um diesen klimaneutral zu gestalten. Hierbei findet eine tiefgreifende interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Fachgebieten Gebäude-Energie-Systeme (TUB), Gebäudetechnik und Entwerfen (TUB), Maschinen- und Energieanlagentechnik (TUB), Ingenieurgeologie (TUB) und der Versorgungsplanung und Versorgungstechnik (UdK) statt.

Ein Bodenabsorber unter der Volkswagenbibliothek auf dem Campus Charlottenburg

Eine Möglichkeit CO2 einzusparen ist die thermische Nutzung des Untergrundes als Energiequelle bzw. Speicher. Beim Bau der Volkswagenbibliothek wurde unter der Bodenplatte ein sogenannter Bodenabsorber errichtet, der saisonal dem Untergrund Energie zum Heizen entzieht oder überschüssige Energie aus dem Gebäude im Untergrund speichert. Der Aufbau des Bodenabsorbers ist vergleichbar mit einer Fußbodenheizung, nur, dass dieser für die Klimatisierung des Gebäudes dem Boden (Wärme-) Energie entzieht oder auch an diesen abgibt. Der Bodenabsorber soll in das neue Wärmeversorgungskonzept des Projekts weiter integriert und dessen Betrieb nachhaltig und effizient betrieben werden. Um die Temperaturen des Untergrunds zu messen und zu bewerten, sind unter der Bibliothek fünf Messprofile installiert (Abbildung 1). Diese nehmen jeweils meterweise die Untergrundtemperaturen bis zu einer Tiefe von 9 m unter der Bodenplatte auf.

Abbildung 1: Ansicht Volkswagenbibliothek (links), vereinfachter Gebäudegrundriss mit Messstellenanordnung (rechts) (Urheber: Felix Schumann)

Der Bodenabsorber im Reallaborversuch

Seit dem 1. Oktober 2020 wird mit einer durchschnittlichen Leistung von 70 – 75 kW dem Untergrund kontrolliert Energie entzogen, um einerseits die erhöhte Grundwassertemperatur unter der Bibliothek zu senken und andererseits die reale thermische Reaktion des Untergrundsystems besser zu verstehen. Dabei bildet die momentane Corona-Pandemie eine optimale Testphase, da die Bibliothek derzeit nicht geöffnet ist und somit verschiedene Laststufen getestet werden können. Vorerst soll die Untergrundtemperatur auf 10 – 12 °C abgekühlt werden, da diese der unteren Grenze des lokalen Temperaturfeldes entspricht und in diesem Bereich ein gutes Betriebsprofil erwartet wird. Abbildung 2 zeigt, dass sich die Abkühlung des Untergrundes in den ersten drei Monaten hauptsächlich auf die ersten 4 – 5 m unter dem Bodenabsorber beschränkt. Die Abkühlung des Untergrunds an den straßenseitigen Messstellen, beispielhaft dargestellt durch die Messstelle L16 in Abbildung 2, fallen geringer aus. Als Ursache wird hier ein zusätzlicher Wärmereintrag über Bodenversieglung und Abwasserkanäle vermutet.

Abbildung 2: Temperaturverlauf des Untergrundes für ausgewählte Messstellen am 1. des jeweiligen Monats, meterweise gemessen, Temperaturfühler F9 auf 6 m Tiefe außer Betrieb (Urheber: Felix Schumann)

Bestimmung des Grundwassertemperaturfelds

Parallel werden auf und um dem Doppelcampus weitere Daten zur Grundwassertemperatur gesammelt, um das lokale Grundwassertemperaturfeld zu bestimmen und dessen Dynamik besser zu verstehen. Dazu gehören auch meterweise aufgenommene Tiefentemperaturmessungen. Zukünftig soll Internet of Things (IoT) Technik verwendet werden, um Echtzeitdaten zur Grundwassertemperatur von weiteren Messstellen mit LoRaWan-fähige Sonden zu erhalten, die ihre Daten in das HCBC-Monitoring Netzwerk übermitteln. 

Aufbau eines hydrogeologisch-thermischen Strömungsmodells

Um die Auswirkungen der unterschiedlichen Betriebsmodi des Bodenabsorbers auf die Untergrundtemperaturen vorab zu untersuchen, sowie über mehrere Jahre zu simulieren, wurde ein vereinfachtes hydrogeologisch-thermisches Strömungsmodell des südöstlichen Bereichs des TU und UdK Campus erstellt (Abbildung 3). Der Modellaufbau orientiert sich am stratigraphischen Aufbau des Berliner Urstromtals und besteht aus vier Einheiten (Abbildung 3), die aus Bohrdaten abgeleitet wurden. Diese sind durch typische Sande und Geschiebemergel aus dem Holozän, der Weichselzeit und dem Saale Komplexes aufgebaut und bilden damit verschiedene Grundwasserleiter aus.

Abbildung 3: Übersicht des Modellgebiets (links, QGIS) und Untergrund mit Temperaturverteilung (rechts, FE Flow) (Urheber: Felix Schumann, Kartendaten: Open Streetmap)

Das statische Modell wird momentan weiter verfeinert und mit den lokalen Daten kalibriert, sodass es die gemessenen Grundwasserstände und –temperaturen möglichst genau abbildet. Dies soll sowohl eine präzisere Simulation des Untergrundverhaltens bei verschiedenen Entzugs- und Eintragsleistungen durch den Bodenabsorber erlauben als auch für physikalische Modelle bei Detailuntersuchungen verwendet werden.

Dank

An dieser Stelle sei auch der Dank an die Arbeitsgruppe Landesgeologie der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz für die Bereitstellung umfangreicher Datensätze zum Untergrundaufbau, Grundwassersituation und Untergrundtemperaturen gerichtet, als auch für die fachliche Unterstützung und Austausch zur hydrogeologisch-geothermischen Situation im Zielgebiet.

Das Projekt “EnEff: HCBC” wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen BMWi(Code: 03ET1632) gefördert. Weitere Informationen sind auf der Projektwebseite zu finden.

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