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Kurztitel: TGdA
Förderkennzeichen: 03ET1335A, 03ET1335B, 03ET1335D
Status: Laufend
Laufzeit: 10/2015 bis 09/2018
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Solare Wärme, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung, Betriebsoptimierung
Standort: Stresemannallee 30, 60596 Frankfurt a.M.
Innovation: Entwicklung einer Methodik zur Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten und ganzer Wärmenetze vor dem Hintergrund zunehmend volatiler Fahrweisen bei der Integration erneuerbarer Energien.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Auswirkungen erhöhter Temperaturwechsel auf Wärmenetze durch flexiblere Fahrweisen untersucht
  • Entwicklung einer Methodik für die Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten und ganzer Netze
  • Bessere Bestimmung der Materialkennwerte von Systembauteilen für Planung und Auslegung
  • Projektergebnisse sollen in Normungsprozesse und Planungswerkzeuge zur Netzintegration erneuerbarer Energien einfließen

Die Einbindung volatiler, erneuerbarer Wärmequellen führt in Fernwärmenetzen zu einer Erhöhung der Temperaturwechsel und damit zu einer stärkeren Belastung der Materialien. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung übertragbarer Zustandsbewertungen von Fernwärmenetzen. Dazu erfassen die Forscher deren tatsächliche Beanspruchung auf Grundlage von Betriebsdaten der Versorgungsunternehmen und Ergebnissen von Langzeitmessstellen. So können die Materialkennwerte von Systembauteilen für die Planung und Auslegung von Leitungsabschnitten und ganzen Netzen besser bestimmt werden. Die Projektergebnisse fließen in Konzepte ein, mit denen die Gebrauchsdauer der Netze verlängert werden kann.

Projektkontext

Die Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem Deutschlands fordert Fernwärmenetze auf eine neue bisher nicht dagewesene Weise. Eine flexible Fahrweise von KWK-Kraftwerken ist nötig um auf volatile erneuerbare Stromerzeugung reagieren zu können. Gleichzeitig werden langfristig vermehrt volatile erneuerbare Wärmequellen direkt in Fernwärmesysteme eingebunden werden müssen. Für die Fernwärmenetze bedeutet dies eine Erhöhung der Temperaturwechsel und damit eine Erhöhung der Belastung der Materialien, welche zu einer eine Verkürzung der Gebrauchsdauer. Der Einfluss erhöhter Wechselbeanspruchungen auf die Netze ist bislang unbekannt. Diese entstehen insbesondere bei der

  • Flexibilisierung des Kraftwerksparks durch Speicher,
  • der Nutzung des Netzes als Speicher,
  • bei volatiler solarthermischer Einspeisung,
  • flexibler Fahrweise von KWK-Anlagen sowie temporärer Abschaltung von Kraftwerksblöcken sowie
  • bei einer Erhöhung der Anschlussdichte durch Fernwärme-Ausbau in kleineren Leitungsquerschnitten.

Im Projekt werden die Auswirkungen realer, zyklischer Wechselbeanspruchungen auf Wärmenetze untersucht. Die Ergebnisse dienen dazu, Wärmenetze für zukünftige Herausforderungen zu qualifizieren und gleichermaßen Belastungsgrenzen aufzuzeigen, um bei steigender volatiler Wärmeerzeugung eine hohes Maß an  Versorgungssicherheit zu erreichen.

Die Aufgaben der Forschungspartner sind durch sechs Arbeitspakete definiert. In Arbeitspaket 1 werden die realen Beanspruchungen, zukünftige Fahrweisen und wirtschaftliche Einflussparameter bestimmt. In den Arbeitspaketen 2 bis 5 führen qualifizierte Prüfinstitute und Forschungsstellen die Materialuntersuchungen durch und erarbeiten Systembausteine für das mechanische Ersatzmodell. Diese werden in Arbeitspaket 6 zusammengeführt, mittels Beispielrechnungen getestet und für die relevanten Normungsgremien aufbereitet.

Messsensoren „Extensometer“: Messung axialer Verschiebungen am PE Mantel des Kunststoffmantelrohres vor der Verfüllung des Rohrgrabens.

© AGFW

Weitere Abbildungen

Langzeitmessstelle A einer Fernwärmeversorgungsleitung in der Bauphase - nach Fertigstellung des Leitungsbaus, vor Installation der Messtechnik.

© AGFW

Messsensoren „Erddruckgeber“: Messung von Erddrücken und deren Veränderungen aufgrund von Temperaturänderungen des Leitungsabschnittes im Bogenbereich (vor Verfüllung des Rohrgrabens).

© AGFW

Langzeitmessstelle B in der Bauphase: Nach Fertigstellung des Leitungsbaus wurden Ankerpunkte in Form von PE-Rohrsätteln zur Montage der Extensometer mittels PE-Schweißverfahren am Mantelrohr befestigt.

© AGFW

Forschungsfokus

Ausgangspunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung realer Beanspruchungen erdverlegter Kunststoffmantelrohre (KMR) anhand von In Situ Langzeitmessstellen in Wärmenetzen. Hierbei wird angenommen, dass insbesondere die temperaturbedingten Wechselbeanspruchungen, die durch die Fahrweisen der Erzeugungsanlagen entstehen, die Gebrauchsdauer von Trassenabschnitten eines Netzes bestimmen. Durch Materialuntersuchungen werden die Belastungsgrenzen von Systemkomponenten wie Polyurethan-Hartschaum, PE-HD Mantel, Dehnpolster sowie umliegendes Erdreich und Mantelrohrverbindungen bestimmt. Dabei handelt es sich um eine komplexe Beanspruchung durch beispielsweise Temperatur, mechanische Wechselbeanspruchungen oder Feuchte. Mit den Ergebnissen der Materialuntersuchungen wird das bestehende mechanische Modell für den Ersatz von Systemkomponenten erweitert. Zusätzlich erarbeiten die Forscher eine Methodik zur Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten anhand von Temperaturfahrweisen. Sie fließen in neue ingenieurtechnische Werkzeuge zur Integration erneuerbarer Energien in bestehende Wärmenetze ein.

Schematische Darstellung des mechanischen Ersatzmodells des Gesamtsystems erdverlegter Kunststoffmantelrohre als Federmodell.

© AGFW

Zentrale Idee und Ansatz

Der Stand des Wissens über lebensdauerlimitierende Faktoren eines Fernwärmesystems bildet den Ausgangspunkt des Projekts. Denn Materialkennwerte seiner Systembausteine bei zyklischen, überlagerten Belastungen wurden bislang noch nicht untersucht. Mit den Forschungsergebnissen sollen reale Belastungszustände abgebildet und technische Zustände bestehender Netze besser abgeschätzt werden. Dies ermöglicht eine optimierte Erzeugung der benötigten Wärmemengen und einen schonenderen Umgang mit der Ressource Fernwärmenetz. Darüber hinaus bilden die Projektergebnisse eine notwendige Grundlage für die künftige technische Qualifikation von Fernwärmenetzen.

Erprobung und Anwendung

Der Branchenverband AGFW berichtet im Rahmen seiner Gremiensitzungen zum technischen Regelwerk über das Projekt. Er hat einen projektbegleitenden Arbeitskreis „PK Technische Gebrauchsdaueranalyse“ gegründet, in dem die Forschungspartner den Teilnehmern aus der Praxis regelmäßig die erzielten Projektergebnisse vorstellen. Dies ermöglicht eine Verzahnung zwischen Forschung und Anwendung.

Die im Projekt entwickelten ingenieurtechnischen Werkzeuge werden im Rahmen von Beispielrechnungen an den bestehenden Langzeitmessstellen validiert und erprobt. Die Mitglieder des projektbegleitenden Arbeitskreises sind potenzielle Anwender dieser Berechnungstools.

Letzte Aktualisierung: 10. August 2017

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