Erdwärme hält Weichen schneefrei

Forschung konkret Erdwärme hält Weichen schneefrei

Wer hat sich im Winter nicht schon über eingefrorene Türschlösser oder Fahrradbremsen geärgert? Meist hilft ein Spritzer Frostschutzmittel. Anders bei der Deutschen Bahn: Friert hier die Weichenmechanik ein, ist es damit nicht getan.

Weiche im Schnee

Sobald es kalt wird, startet die Heizung selbständig

Foto: PINTSCHABEN GmbH

Fahrgäste wollen auch bei Schnee und Eis ihr Ziel pünktlich erreichen. Rund 100.000 Weichen sind im deutschen Schienennetz installiert - 64.000 davon im Netz der Deutschen Bahn. Die Weichen gilt es schneefrei zu halten und nicht einfrieren zu lassen.

Deshalb werden sie mit Strom oder Gas beheizt – ein erheblicher Kostenfaktor: Die Weichenheizungen der Deutschen Bahn verbrauchen im Jahr rund 230 Gigawattstunden Energie – das entspricht dem Energiebedarf von 60.000 Haushalten oder dem Verbrauch einer Kleinstadt.

Die Neuheit: mit Erdwärme, ohne Elektronik

Dass es sparsamer, einfacher und dabei genauso effektiv geht, zeigt ein neues Heizsystem, das Erdwärme als Energieträger nutzt. Es funktioniert ohne Energiezufuhr von außen und ohne Ausstoß von Treibhausgasen.

schematische Darstellung einer geothermische Weichenheizung

Erdwärme clever genutzt

Foto: PINTSCHABEN GmbH


Die Firma PINTSCH ABEN geotherm GmbH aus Dinslaken ist ein mittelständisches Unternehmen, das auf Weichenheizung und Sicherheitstechnik für Bahnen spezialisiert ist. Sie arbeitet bei dieser Forschungsaufgabe mit dem Zentrum für angewandte Energieforschung Bayern (ZAE) in Garching bei München zusammen.

"Das Herausragende an diesem Projekt ist, dass es im Bereich der Weichenheizung einen kompletten Umstieg von fossiler Energie auf regenerative Energie bedeutet", so Damian Schink, Projektleiter bei PINTSCH ABEN geotherm.

Die Idee: ein geschlossenes System mit Wärmerohr

"Sobald es kalt wird, startet die Heizung. Das ist der Charme: Wir brauchen keine zusätzlichen Bauteile zum Regeln", sagt Lars Staudacher, Wissenschaftler des ZAE. "Es ist die Temperaturdifferenz, die den Kreislauf in Gang bringt."

Herzstück der neuen Technik ist das CO2-Wärmerohr, eine Entwicklung des Forschungszentrums für Kältetechnik und Wärmepumpen Hannover. Das Rohr ist mit flüssigem Kohlendioxid gefüllt und reicht als Tiefensonde 50 bis 200 Meter in die Erde.

Schematische Darstellung des Thermosyphon

Geothermische Weichenheizung

Foto: ZAE Bayern


Um die Wärme aus dem Erdreich an die Oberfläche zu transportieren, nutzen die Projektpartner die physikalischen Eigenschaften des Kohlendioxids: Es verändert sich je nach Temperatur- und Druckverhältnis, wird flüssig oder gasförmig. Erdwärme bringt das flüssige Kohlendioxid am unteren Ende des Wärmerohrs zum Kochen. Es verdampft und steigt nach oben. Überdruck im Wärmerohr lässt das CO2 bereits bei sechs bis zwölf Grad Celsius sieden.

Das Wärmerohr endet an der Erdoberfläche als Kondensator: flach unter der Weiche, überall dort, wo Schnee liegen bleiben kann. Im Kondensator verteilt sich das warme Kohlendioxid und erwärmt so die Weiche. Schon eine Temperatur von wenigen Grad Celsius über Null genügt, um sie frostfrei zu halten.
Gibt das Kohlendioxid durch den Phasenübergang (Wechsel des Aggregatzustandes) die Wärme ab, kondensiert es und fließt zurück in die Tiefe des Wärmerohrs. Die Erde erhitzt es wieder, CO2 steigt aus der Tiefe auf - der Kreislauf schließt sich.

Die Heizung "denkt" mit

Der Heizkreis startet selbständig schon beim Absinken der Außentemperaturen. Er erwärmt die kritischen Komponenten der Weiche dauerhaft auf Plusgrade und verhindert so ein Einfrieren.

Damit alles funktioniert, muss die Installation einer solchen Anlage gründlich vorbereitet werden: Um das Heizsystem richtig auszulegen, ist eine geologische Bewertung des Untergrundes notwendig. Wind, Niederschlag und Temperatur - das Wetter am Standort, spielt eine wesentliche Rolle und muss bei den Berechnungen berücksichtigt werden.

Erste Erfolge in Hamburg und Grünberg

Derzeit laufen zwei Pilotanlagen: eine im Schienennetz der Hamburger Hafenbahn seit 2011 und eine seit 2012 in der hessischen Gemeinde Grünberg für die Deutsche Bahn. Die CO2-Heizungen hielten die Weichen in der vergangenen Wintersaison schneefrei und sorgten für einen reibungslosen Betrieb.

"Die Technik wird es voraussichtlich in den nächsten zwei Jahren zur Marktreife bringen", ist Schink überzeugt. Auch wenn die Investitionskosten zunächst höher sind als bei den konventionellen Weichenheizungen rechnet sich die Anlage in fünf bis acht Jahren, denn: Energiekosten entfallen und die Wartungskosten sind minimal. Ob Eisen-, Straßen- und Industriebahnen - allein in Deutschland könnten so eine Vielzahl der eingebauten Weichen mit Erneuerbarer Energie beheizt werden. 

Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Projekt.