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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.
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.
Die Firma PINTSCH ABEN geotherm 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.
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.
Pilotanlagen in Hamburg, Grünberg und Sponholz
Mehrere Pilotanlagen erproben die Technik: Im Schienennetz der Hamburger Hafenbahn ist die Weichenheizung seit 2011 in Betrieb. Die Deutsche Bahn testet die Technik mit ihrer Pilotanlage in der hessischen Gemeinde Grünberg seit 2012 und in Sponholz seit Dezember 2014. Die CO2-Heizungen hielten die Weichen in der vergangenen Wintern schneefrei und sorgten für einen reibungslosen Betrieb. Der Abschluss der erfolgreichen Erprobungsphase wird für 2015 erwartet.
Im Dezember hat das Eisenbahnbundesamtes die Technik zugelassen. "Damit ist eine wichtige Hürde zur Markteinführung genommen worden", 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 hat die Entwicklung der Technik gefördert.
