Technische Gebrauchsdaueranalyse von Wärmenetzen unter Berücksichtigung volatiler erneuerbarer Energien

Im Herbst 2015 ist das Forschungsvorhaben „Technische Gebrauchsdaueranalyse von Wärmenetzen unter Berücksichtigung volatiler erneuerbarer Energien“ gestartet.
In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt arbeitet der AGFW I Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V. mit verschiedenen Forschungseinrichtungen daran, Wärmenetze für die, aus der Energiewende resultierenden, zukünftigen Herausforderungen zu qualifizieren. Ausgehend von realen Belastungskollektiven, die anhand von Langzeitmessstellen generiert werden, untersuchen die Projektpartner die Systemkomponenten (Boden, Dehnpolster, PE-HD und PUR-Schaum) sowie das Systembauteil Verbindungsmuffe hinsichtlich ihres Verhaltens unter zyklisch-wechselnden und kombinierten Beanspruchungen. Durch die Validierung der, in Laborversuchen bestimmten, Materialkennwerten mit den realen Messdaten soll ein ganzheitlicher Bewertungsansatz erarbeitet werden, der es den Versorgungsunternehmen ermöglicht volatile erneuerbare Energien bei gleichbleibend hoher Versorgungssicherheit in Wärmenetze zu integrieren.

Motivation

Die Integration von erneuerbaren 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 und eine Verkürzung der Gebrauchsdauer. Heute ist unbekannt, wie der Qualitätsverlust der Leitungen quantifiziert werden kann. 

Erhöhte Wechselbeanspruchungen, deren Einfluss auf die Netze unbekannt sind, sind bei der Einbindung erneuerbarer Energiequellen und der Flexibilisierung der Wärmenetze zu erwarten bei

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

Ziele

Das Hauptziel des Projektes ist eine zutreffende und in der Methodik übertragbare Zustandsbewertung von Fernwärmenetzen. Weiterhin sollen Maßnahmen und Konzepte erarbeitet werden, mit denen die Gebrauchsdauer der Netze verlängert werden kann.

Zum Erreichen dieses Zieles sind allerdings zuvor folgende Zwischenziele zu erreichen:

  • Ermittlung der Netz- und Ganglinientypisierung durch Aufbau und Auswertung von Messstellen,
  • Erarbeitung von lebensdauerlimitierenden Faktoren verschiedener Verlegesysteme,
  • Überprüfung des Sicherheitsniveaus und der „korrekten“ Fahrweise von FW-Netzen,
  • Erarbeitung und Anwendung des Bewertungskonzeptes,
  • Ganzheitliche Betrachtung von Fernwärmeleitungsnetzen,
  • Migration der Forschungsergebnisse in die Branche.

Arbeitspakete

Auf Grundlage der Zielsetzung und der notwendigen Zwischenziele ist das Forschungsvorhaben in sechs Arbeitspakete gegliedert. Für jedes Arbeitspaket sind Ziele und Aufgaben definiert und bearbeitende Projektpartner zugeordnet. Die sechs Arbeitspakete sind:

Arbeitspaket 1: Real Beanspruchungskollektive und Wirtschaftlichkeit

 

Aufgaben im Arbeitspaket:

  • Aufbau und Auswertung von Langzeitmessstellen,
  • Generalisierung der netzspezifischen Einflussparameter,
  • Erarbeitung von lebensdauerlimitierenden Faktoren verschiedener Verlegesysteme,
  • Überprüfung bestehender Schadensakkumulationstheorien,
  • Zukünftiger Wärmemarkt unter Einfluss erneuerbarer Energien,
  • Vergleich zwischen versorgungsoptimierter und erzeugungsoptimierter Fahrweise,
  • Auswirkungen einer verlängerten Gebrauchsdauer auf die Wirtschaftlichkeit,
  • Migration der Forschungsergebnisse in die Branche.

Ziele des Arbeitspaketes:

  • Erarbeitung realer Beanspruchungskollektive auf Grundlage von Erzeugungsdaten und Auswertung von Messstellen,
  • Weiterentwicklung bestehender technische Normen und Richtlinien,
  • Ausarbeitung und Anwendung eines Bewertungskonzeptes.

Bearbeitet durch:

AGFW

Arbeitspaket 2: Mechanisches Verhalten von PUR-Schäumen unter Wechselbeanspruchung

 

Aufgaben und Ziele im Arbeitspaket:

  • Beschreibung des mechanischen Verhaltens
    des Polyurethanschaumes (PUR) unter komplexer Belastung,
  • Grundlagen anhand von Modellschäumen mit definierter Morphologie,
  • Komplexe Beanspruchung der Systemkomponente PUR am realen Bauteil,
  • Erarbeitung eines rheologischen Ersatzmodells der Systemkomponente PUR.

Bearbeitung durch

Arbeitspaket 3: Mechanisches Verhalten von Dehnpolstern unter Wechselbeanspruchung

 

Aufgaben und Ziele im Arbeitspaket:

  • Fortführung der Untersuchungen des PK „Dehnpolsters“,
  • Quantifizierung des mechanischen Langzeitverhaltens unter Berücksichtigung der Temperatur, der Feuchte, Alterung, Erdlasten und zyklischer Belastung,
  • Erarbeitung eines rheologischen Modells der Systemkomponente Dehnpolster.

Bearbeitung durch

Steinbeis Transferzentrum Baustoffe und Bautechnik (Steinbeis Bochum)

 

 

 

Arbeitspaket 4: Verhalten von Böden unter Wechselbeanspruchung und kombinierter Belastung

 

Aufgaben und Ziele im Arbeitspaket:

  • Numerische Simulation und Ableitung von Federkennlinien für
    Axial- und Lateralfedern,
  • Weiterentwicklung einer Simulationssoftware für die gebettete Fernwärmeleitung Modellberechnungen,
  • Realisierung und Validierung des numerischen Berechnungsmodells,
  • Erarbeitung eines Bausteins für das mechanische Gesamtsystem.

Bearbeitung durch

 

 

Arbeitspaket 5: Systembauteile unter Wechselbeanspruchung und praxisrelevante Untersuchungen im Technikum

 

Aufgaben und Ziele im Arbeitspaket:

  • Errichtung und Auswertung von Messstellen (mit AGFW),
  • Bestimmung realer Beanspruchung des Verbindungselementes Muffe und Durchführung von Laboruntersuchungen,
  • Bewertung der Muffensysteme als elementarer Bestandteil von Fernwärmeleitungen,
  • Untersuchungen an weiteren KMR-Systembauteilen zur Bestimmung der Wechselbeanspruchung als  lebensdauerlimitierender Einflussgrößen,
  • Längswasserdichtheitsuntersuchungen (Grundlage für AP 6),
  • Untersuchungen zur Auswirkung eines mangelhaftem Verbundes (Grundlage für AP 6).

Bearbeitung durch

Arbeitspaket 6: Integrale Systembetrachtung und praxisrelevante Untersuchungen an KMR

 

Aufgaben und Ziele des Arbeitspaketes:

  • Untersuchung der Auswirkungen eines mangelhaften Verbundes,
  • Bewertung der technischen Nutzungsdauer für Instandhaltungsstrategien,
  • Erarbeitung von Dichtheitsklassen für KMR,
  • Empfehlungen zur Erweiterung bestehender Normen und Richtlinien,
  • Generalisierung des Bewertungskonzeptes,
  • Analyse von Netzfahrweisen und Empfehlungen für verbesserte Fahrweisen auf Basis Projektergebnisse.

Bearbeitung durch

 

 

Kontakt

Dipl.-Ing. Stefan Hay

Tel.: +49 69 6304-345

s.hay@agfw.de

Projektpartner

  • AGFW Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH,

  • Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Universität Stuttgart,

  • Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.,

  • IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH,

  • Steinbeis Transferzentrum Baustoffe udn Bautechnik,

  • IGth, Institut für Geotechnik, Leibniz Universität Hannover,

  • Fernwärme-Forschungsinstitut in Hemmingen e.V., 

  • EVN Ingenieurgesellschaft mbH.

Die Forschungspartner bedanken sich beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die Förderung und Unterstützung bei der Durchführung des Forschungsvorhabens.

Förderkennzeichen: 03ET1335 A,B,D

 

 

Veranstaltungen
zum Thema:

15.03.2018
ZUKUNFT FERNWÄRME - Werkzeuge für eine flexible und effiziente Fernwärmeversorgung in Kaiserslautern

11.04.2018
5th International Solar District Heating Conference in Graz

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