Geothermie in Balance

Deutschlands Großstädte und Metropolen boomen. Auch Frankfurt am Main entwickelt sich rasant. Der sich abzeichnende Brexit verleiht der Dynamik am Bankenstandort noch einmal mehr an Schub. Mit dem Quartier Kaiserlei – unmittelbar an der Schnittstelle zwischen Offenbach und Frankfurt gelegen – entwickelt die CG Gruppe AG aktuell eines der städtebaulich progressivsten Immobilienprojekte der Republik. Richtungsweisend ist auch das energetische Versorgungskonzept, das die Gasag Solutions Plus GmbH als verantwortlicher Partner konzipiert hat, umsetzt und später auch betreiben wird. Heizbedarf und Gebäudekühlung der Neubauten werden aus Geothermie gespeist. Der Einsatz von Photovoltaikanlagen vervollständigt das Zusammenspiel regenerativer Energien.

Südlich des Mains, nur rund zehn S-Bahn-Minuten von der Frankfurter Innenstadt entfernt, entsteht in Offenbach-Kaiserlei ein urbanes Quartier zum Wohnen, Arbeiten und zur Freizeitgestaltung. Auf rund 3,6 ha Grundstücksfläche werden bis zum Jahr 2023 rund 840 Mietwohnungen geschaffen. Auf einer Bruttogeschossfläche von 121.000 m² entwickelt die CG Gruppe zu 60 % Wohnraum und zu 40 % Gewerbeeinheiten. Großzügige Grünflächen sowie ein Schwimmbad, ein Fitnesscenter, Einzelhandel, Gastronomie und eine Kindertagesstätte tragen zu einem lebendigen Gesamtkonzept bei. Um die beiden Bestandshochhäuser herum entstehen drei Neubauten mit sechs und sieben Stockwerken. Dabei setzt das Projekt nicht nur städtebauliche Akzente, sondern auch ökologisch Maßstäbe: Direkt unter dem Baufeld entsteht eine großflächige Geothermieanlage zur umweltfreundlichen Energieversorgung der Neubauten. Rund 50 % der Flächen sollen hierüber CO₂-neutral beheizt werden.

Geothermie – vielseitige Energie, die aus der Tiefe kommt

Aus Sicht von Christoph Gröner, Vorstandsvorsitzender der CG Gruppe AG, ist Geothermie für die Immobilienbranche ein eminent wichtiger Baustein der Energiewende: „Wir von der CG Gruppe befassen uns schon seit zehn Jahren intensiv mit den Möglichkeiten der massiven Reduzierung von CO₂-Emissionen bei der Bewirtschaftung von Immobilien und es bedurfte dazu keiner Hinweise von Greta. Mit dem energetischen Konzept des Kaiserlei-Quartiers werden Hunderte Tonnen CO₂-Emissionen eingespart. Die zukünftigen Bewohner und Nutzer erhalten eine ökologisch ausgerichtete Energieversorgung, die einen messbaren Beitrag zur Ressourcenschonung leistet und die CO₂-Bilanz vor Ort nachhaltig verbessert.“

Dem stimmt Gunnar Wilhelm, Geschäftsführer der Gasag Solution Plus GmbH, zu: „Geothermie ist eine moderne und umweltfreundliche Form der Energieversorgung. Wenn uns ein Quartier die Möglichkeit bietet, ein so umfangreiches Konzept umzusetzen, dann ist Geothermie die Energieform der Wahl unter den erneuerbaren, denn sie ist zudem prädestiniert zum Beheizen und Kühlen von Gebäuden.“ Hierzu sollen in Offenbach in Zukunft 133 Bohrungen von 100 bis 120 m Tiefe vorgenommen und mit Erdwärmesonden bestückt werden, in denen ein Wärmeträgermedium zirkuliert. In Verbindung mit einer Wärmepumpe je Gebäudeteil dienen die „Doppel-U-Sonden“ zur Heizung und Kühlung der Gebäude, erklärt Geothermie-Fachplaner Christian Lumm: „Im Winter pumpen wir Wärme zum Heizen über die Flächenheizsysteme aus dem Boden. Zur Raumtemperierung im Sommer schieben wir – vereinfacht gesagt – die Wärme aus den Räumen in den Untergrund.“

Würde ausschließlich geheizt, hätte dies über die Jahre eine Auskühlung des Erdreichs zur Folge. „Indem wir dem Boden im Winter Wärme entziehen und diese im Sommer in den Boden leiten, nutzen wir den Untergrund als Pendelspeicher und halten ihn in thermischer Balance“, ergänzt Christian Lumm.

Platzverhältnisse ermöglichen optimale Sondenanordnung

Die Fachplaner fanden auf dem großflächigen Areal in Kaiserlei nahezu ideale Verhältnisse vor, denn je mehr Fläche zur Verfügung steht, desto effektiver kann die Anordnung der Geothermiesonden gestaltet werden. Zudem weist der mitteltiefe Untergrund Frankfurts eine Temperaturanomalie auf. Diese Wärmeblase liegt unterhalb der westlichen Innenstadt und dehnt sich in Richtung Offenbach aus, so dass sie für die Planung und Vorerkundung zum Bau­vor­haben relevant war. Mit Testbohrungen in bis zu 150 m Tiefe erkundeten Christian Lumm und sein Team mitsamt der Geo-En, der auf Geothermie spezialisierten Tochter der Gasag Solution Plus, geologische Abfolge, Untergrundtemperaturen und Wärmeleitfähigkeit. Als ideale flächendeckende Bohrtiefe stellte sich der Bereich in 100 bis 120 m Tiefe heraus. Hier herrschen 12 °C, die mittels Verdichterleistung der Wärmepumpen auf 35 °C Vorlauftemperatur für die Heizkörper erhöht werden. „Drei Teile thermische Energie aus dem Untergrund plus ein Teil Elektroenergie“ lautet die Faustformel, um die gewünschte Vorlauftemperatur von 35 °C zu erreichen. Da der Betriebsstrom der Wärmepumpen vorwiegend aus den gebäudeeigenen Photovoltaikanlagen stammt, schlägt das energetische Konzept in der Gesamtbilanz mit sehr niedrigen CO₂-Emissionen zu Buche.

Bohrungen über die 120-m-Marke hinaus wären für die Funk­tio­nen Heizen und Kühlen nicht zielführend. In 150 m Tiefe beträgt die Untergrundtemperatur ohne Verdichterenergie 18 °C – zu hoch, um im Sommer effektiv Wärme aus den Gebäuden ableiten zu können. Ebenfalls zeigte sich, dass die beiden Bestandsgebäude aufgrund der enormen Geschosshöhe nicht wirtschaftlich mit Geothermie erschlossen werden können. „Bei den 19- und 22-stöckigen ehemaligen Siemens-Türmen stößt die Erdwärme nicht technisch, aber kaufmännisch an ihre Grenzen“, sagt Christian Lumm. Aber alle Neubauten des Kaiserlei-Quartiers, zu denen auch ein Hotelkomplex gehört, werden bis zu 60 % aus Erdwärme beheizt und in puncto Kühlung bis zu 80 % aus Geothermie versorgt werden. Das Delta bei der Heizenergie von circa 40 % deckt die Gasag Solution Plus über einen Fernwärmeanschluss. Während der Sommermonate kehrt sich das Funktionsprinzip der Wärmepumpe um: Zur aktiven Kühlung wird sie ähnlich einer Kompressionskältemaschine genutzt, um die Wärme aus den Räumen in den Untergrund zu fördern. Die passive Kühlung kommt ganz ohne Wärmepumpen aus. Bei gemäßigten Außentemperaturen reicht es völlig aus, das Wärmeträgermedium mittels Umwälzpumpe in den Sonden zirkulieren zu lassen. Der signifikant niedrigere Elektroenergiebedarf sorgt dafür, dass sich die Amortisationszeit weiter verkürzt. Während des Betriebs der Geothermieanlage fallen lediglich Betriebskosten für Elektroenergie an, die wiederum durch Photovoltaikanlagen annähernd gedeckt wird. Die Geothermiesonden bilden einen geschlossenen Kreislauf, der ab Fertigstellung wartungs- und verschleißfrei ist.

Vorerkundung und Monitoring im Betrieb

Deutschland gelte zwar als geo­logisch sehr gut erkundetes Land, erklärt Christian Lumm, bei Bauvorhaben dieser Größe sei es dennoch absolut notwendig, die tatsächlichen Standortbedingungen „in vivo“ und nicht allein anhand von Kartenmaterial am Schreibtisch abzuklären. Dasselbe gilt für das Monitoring der Wärme- und Kältemengen im Betrieb sowie den thermischen Einfluss auf die Nachbarschaft. Wird über viele Betriebsjahre ausschließlich geheizt, können im Untergrund sogenannte Temperaturfahnen in Grundwasserfließrichtung entstehen. Dabei breitet sich die von der Wärmepumpe abgegebene Kälte im Grundwasserstrom aus, bis sich dieser der Umgebungstemperatur im Boden anpasst.

„Da wir den Untergrund in Kaiserlei jedoch sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen nutzen, bildet sich die Temperaturfahne nur geringfügig aus“, so Christian Lumm und resümiert: „Geothermie in Balance eben.“