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Kurztitel: TGdA
Ausführende Stelle: AGFW-Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH
Förderinitiative: Energieeffiziente Wärme- und Kältenetzte (EnEff:Wärme)
Laufzeit: 10/2015 bis 05/2019
Bewilligte Summe: 988.972 €
Förderkennzeichen: 03ET1335A
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Solare Wärme, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung, Betriebsoptimierung
Innovation: Entwicklung einer Methodik zur Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten und ganzer Wärmenetze vor dem Hintergrund zunehmend volatiler Fahrweisen bei der Integration erneuerbarer Energien.
Schlagworte:
Kurztitel: EnEff: Wärme: Technische Gebrauchsdaueranalyse
Ausführende Stelle: Leibniz Universität Hannover - Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie - Institut für Geotechnik
Förderinitiative: Energieeffiziente Wärme- und Kältenetzte (EnEff:Wärme)
Laufzeit: 10/2015 bis 05/2019
Bewilligte Summe: 170.000 €
Förderkennzeichen: 03ET1335B
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Solare Wärme, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung, Betriebsoptimierung
Innovation: Entwicklung einer Methodik zur Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten und ganzer Wärmenetze vor dem Hintergrund zunehmend volatiler Fahrweisen bei der Integration erneuerbarer Energien.
Schlagworte:
Kurztitel: EnEff: Wärme: Technische Gebrauchsdaueranalyse
Ausführende Stelle: Universität Stuttgart - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Förderinitiative: Energieeffiziente Wärme- und Kältenetzte (EnEff:Wärme)
Laufzeit: 10/2015 bis 05/2019
Bewilligte Summe: 103.231 €
Förderkennzeichen: 03ET1335D
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Solare Wärme, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung, Betriebsoptimierung
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 war die Entwicklung übertragbarer Zustandsbewertungen von Fernwärmenetzen. Dazu erfassten die Forschenden 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 wurden in Konzepten berücksichtigt, 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 wurden 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 waren durch sechs Arbeitspakete definiert. In Arbeitspaket 1 wurden die realen Beanspruchungen, zukünftige Fahrweisen und wirtschaftliche Einflussparameter bestimmt. In den Arbeitspaketen 2 bis 5 führten qualifizierte Prüfinstitute und Forschungsstellen die Materialuntersuchungen durch und erarbeiteten Systembausteine für das mechanische Ersatzmodell. Diese wurden 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.

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.

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).

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.

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 war die Ermittlung realer Beanspruchungen erdverlegter Kunststoffmantelrohre (KMR) anhand von In Situ Langzeitmessstellen in Wärmenetzen. Hierbei wurde 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 wurde das bestehende mechanische Modell für den Ersatz von Systemkomponenten erweitert. Zusätzlich erarbeiteten die Forschenden eine Methodik zur Zustandsbewertung von Leitungsabschnitten anhand von Temperaturfahrweisen. Die Erkenntnisse fließen in neue ingenieurtechnische Werkzeuge zur Integration erneuerbarer Energien in bestehende Wärmenetze ein.

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

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. Die Migration der Projektergebnisse in die Branche und entsprechende Normen wird durch einen projektbegleitenden Arbeitskreis, dem Versorgungsunternehmen, Rohrhersteller, Ingenieurbüros und Forschungsstellen angehören, sichergestellt.

Erprobung und Anwendung

Die Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben wurden in zahlreichen Publikationen zusammengefasst.

Letzte Aktualisierung: 12. April 2021

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