Forschungsprojekte

  Potenziale von Absorptionswärmepumpen in zentralisierten Wärmeversorgungsnetzen
 

Simulationsmodell

Messwerte

Fernwärme ist eine sektorübergreifende Schlüsseltechnologie für die Transformation vorhandener Konzepte zur Energieversorgung im Zuge der Energie- und „Wärmewende“. Die Absenkung der Netztemperatur ist eine Voraussetzung für die hohe Energieeffizienz und den wirtschaftlichen Betrieb der vierten Fernwärmegeneration. Dazu wird ein innovatives Wärmeversorgungskonzept im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelt.

Technologischer Ansatzpunkt ist die Integration einer thermisch angetriebenen Absorptionswärmepumpe (AWP) in der Hausübergabestation. Durch das innovative Wärmeversorgungskonzept wird Energie aus dem Fernwärmevor- und Rücklauf zum Antrieb der AWP genutzt, wobei die Wärmeversorgung des Verbrauchers direkt aus dem Fernwärmenetz gewährleistet bleibt. Dafür werden die Betriebsparameter der AWP an den Betrieb des Fernwärmenetzes angepasst. Für das gesamte Fernwärmenetz werden die Wechselwirkungen der abgesenkten Rücklauftemperatur auf Netzparameter wie etwa Verteilungsverluste, Netzpumpenleistungen und Gebrauchsdauer der Netzkomponenten sowohl experimentell als auch durch Simulationen untersucht.

Das FFI untersucht das innovative Wärmeversorgungskonzept durch Simulationsrechnungen. Mit den analytischen und statischen Modellierungsansätzen werden die Teilmodelle Wärmeerzeuger, Verteilungsnetz mit Netzpumpen, Hausübergabestation mit integrierter AWP und Verbraucher stufenweise entwickelt, um die individuellen Betriebscharakteristiken der Netzsegmente abzubilden. Abschließend werden die Teilmodelle zu einem Gesamtmodell zusammen gefügt, um die Energiebilanz sowie die integralen Einflüsse der modifizierten Hausübergabestation auf den gesamten Fernwärmebetrieb quantifizieren zu können.

Das FFI arbeitet bei diesem Forschungsprojekt mit dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung der Universität Stuttgart zusammen, das das innovative Wärmeversorgungskonzept im labortechnischen Maßstab umsetzt. Zunächst wird eine AWP unter Berücksichtigung der typischen Betriebsparameter von Fernwärmenetzen ausgelegt und aufgebaut. Bei verschiedenen netzseitigen und verbraucherseitigen Temperaturen werden die Leistungsverhältnisse der AWP gemessen und daraus ein Anlagenkennfeld für den stationären Betrieb generiert. Im folgenden Demonstrationsbetrieb werden sowohl der Voll- als auch der Teillastbetrieb auf Basis von Netzdaten untersucht. Die Messergebnisse fließen dann in das Simulationsmodell des FFI ein, um das Simulationsmodell weiter zu optimieren und zu kalibrieren. Abschließend sollen mit dem Simulationsmodell die folgenden Einflüsse der integrierten AWP auf ein gesamtes Fernwärmesystem quantifiziert werden:

  • Absenkung der Fernwärmerücklauftemperatur
  • Verbesserung der Effizienz der Wärmebereitstellung
  • Verringerung der Wärmeverluste von Fernwärmenetzen
  • Einsparung von Netzpumpenleistung
  • Erhöhung der technischen Gebrauchsdauer der Netzkomponenten

Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) unter der IGF-Vorhaben Nr. 19696N gefördert.

Veröffentlichungen (FFI):
  • Yang, F., Grage, T.: „Senkung der Rücklauftemperatur im Fernwärmenetz“
    EuroHeat&Power, 48. Jg (2019), Heft 3–4, S. 34-37
  Entwicklung empirischer Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeverluste von werkmäßig gedämmten Doppelrohrsystemen auf Grundlage messtechnischer Verfahren
 

Sensorapplikation radial

Messwerte

Simulation (FEM)

Messaufbau im Erdreich

Der Einsatz werkmäßig gedämmter Doppelrohre für die Wärmeverteilungbietet gegenüber Einzelrohren einige Vorteile. Der Rohrgraben kann schmaler ausgeführt werden, wodurch die Tiefbaukosten sinken und sich zudem neue Erschließungspotenziale bei begrenzten Platzverhältnissen z. B. in historischen Ortskernen ergeben. Anders als bei nebeneinader verlegten Einzelrohren erfolgen Abzweige für Vor- und Rücklauf jeweils niveaugleich. Bei der Gebäudeeinführung reduziert sich die Anzahl der Wanddurchführungen von zwei auf eine. Laut Herstellerangaben liegen die Wärmeverluste eines Doppelrohres niedriger als die zweier Einzelrohre bei gleicher Mediumrohrdimension und gleicher Wärmedämmserie für Einzelrohre und Doppelrohr. Dem stehen Aussagen von Wärmenetzbetreibern entgegen, wonach die gemessenen Wärmeverluste signifikant von den Herstellerangaben abweichen. Da die Wärmeverluste für die Auslegung eines Wärmenetzes ein entscheidendes Kriterium sind, stellen die teilweise erheblichen Abweichungen zwischen gemessenen Wärmeverlusten und Herstellerangaben ein Hemmnis für den verstärkten Einsatz von Doppelrohren in Wärmenetzen dar.

Für die Berechnung von Wärmeverlusten für Doppelrohre existiert kein einheitliches Berechnungsmodell. Dies liegt unter anderem darin begründet, das die Berechnung der Wärmeverluste für Doppelrohre aufgrund ihrer im Vergleich zu Einzelrohren komplexeren Geometrie nicht mehr analytisch erfolgen kann. Entsprechendes gilt für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung in Doppelrohren. Ohne Kenntnisse der thermischen Verhältnisse in Doppelrohren ist eine Auslegung der Rohrstatik ebenfalls nicht möglich, was ein weiteres Hemmnis für den Einsatz von Doppelrohren darstellt.

Ein Ziel des Forschungsprojektes ist daher, möglichst einfach anzuwendende Berechnungsmodelle für die Wärmeverluste von Doppelrohren und die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung von Doppelrohren zu entwickeln. Durch die Möglichkeit einer einfachen und hinreichend genauen Berechnung der Wärmeverluste von Doppelrohren sollen Hemmnisse für den Einsatz von Doppelrohren in Wärmenetzen abgebaut werden.

Für die Entwicklung der Berechnungsmodelle werden einerseits Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt und andererseits Messungen im Technikum des FFI mit reproduzierbaren Umgebungen (Luft, Erdreich) durchgeführt. Die Entwicklung der Berechnungsmodelle ist abgeschlossen und dieses Forschungsziel somit erreicht. Die erste praktische Umsetzung dieses Forschungsergebnisses besteht in der Durchführung von Messungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung in Doppelrohren im Kundenauftrag. Weiterhin soll dieses Forschungsergebnis in die Normen EN 15698-1, EN 15632-1 und EN 13941 eingebracht werden. Ausgehend von den nunmehr bekannten thermischen Verhältnissen in Doppelrohren wird mittels FEM eine erste Simulation zur Rohrstatik durchgeführt.

Das FFI arbeitet bei diesem Forschungsprojekt mit dem Institut für Geotechnik der Leibniz-Universität Hannover zusammen, das die Simulationen mittels FEM durchführt. Weitere Unterstützung kommt von mehreren Unternehmen aus der Fernwärmebranche, die für das Forschungsprojekt Doppelrohre und Dienstleistungen zur Verfügung stellen.

Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen einer Programmkoorporation des 6. Energieforschungsprogramms und der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) unter der IGF-Vorhaben Nr. 1 EWN gefördert.

Veröffentlichungen (FFI):
  • Schuchardt, G.-K., Kraft, S.: „Bestimmung der Wärmeverluste werkmäßig gedämmter Verbundmanteldoppelrohre“
    EuroHeat&Power, 46. Jg (2017), Heft 12, S. 15-18
  • Kraft, S.: „Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von werkmäßig gedämmten Doppelrohren“
    3R Fachzeitschrift für sichere und effiziente Rohrleitungssysteme, 09|2018, S. 82-86
  • Kraft, S.: “Determination of thermal conductivity of pre-insulated twin pipes”
    EuroHeat&Power, English Edition, I/2019, S. 26-30
  Technische Gebrauchsdaueranalyse von Wärmenetzen
 
90°-Bogen, Messaufbau für Belastungstest
Längswasserdichtheit, Biegung eines flexiblen Rohres vor der Untersuchung

Wenn die technische Gebrauchsdauer von Fernwärmenetzen endet, befindet sich das Gesamtsystem einer Wärmeversorgung bestehend aus Erzeugern (Kraftwerke), Verteilung (Netz) und Verbrauchern in einem labilen Zustand. Schadenshäufigkeiten können schnell zunehmen und die Versorgungsicherheit ist gefährdet. Netzbetreiber sind folglich angehalten den Zustand Ihrer Netze möglichst genau zu kennen und ein Gefährdungspotenzial der Versorgungssicherheit frühzeitig abzuwenden. Hierzu sind Investitionen zu tätigen, deren Zeitpunkt einerseits zum Zustand der Netze passen muss und die andererseits rechtzeitig im Haushaltsplan eingeplant werden müssen. Der Eingriff in die Netzsubstanz hat immer eine wesentliche wirtschaftliche Bedeutung für ein Versorgungsunternehmen.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden am FFI verschiedene Untersuchungen an Fernwärmerohren und zugehörigen Komponenten durchgeführt:

  • zyklische Belastungstests an nach EN 448 gefertigten 90°-Bögen
  • Messung der axialen Scherfestigkeit an nach EN 15698-1 gefertigten Doppelrohren vor und nach Alterung
  • Untersuchung von nach EN 489 gefertigten Rohrverbindungen basierend auf den in EN 489 beschriebenen Verfahren
  • Untersuchung der Lägswasserdichtheit im Lieferzustand und nach Biegebelastung von nach EN 253, EN 15632-2 und EN 15632-4 gefertigten Rohren

Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die untersuchten Parameter nur eine bedingte Aussagekraft hinsichtlich der technischen Gebrauchsdauer der Rohre und Komponenten haben. Die Untersuchungen wurden soweit möglich nach in den Normen EN 253, EN 448, EN 489, EN 15632 und EN 15698-1 beschriebenen Verfahren durchgeführt, um eine gute Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Dabei zeigte sich, dass einige für die technische Gebrauchsdauer relevante Parameter von diesen Normen nicht erfasst werden.

Das FFI arbeitete bei diesem Forschungsprojekt mit verschiedenen anderen Projektpartnern im Auftrag der AGFW | Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 03ET1335A gefördert.

  Identifikation von Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes grabenloser Verlegetechniken im Fernwärmeleitungsbau
 
Feldversuch: grabenlos verlegtes Fernwärmerohr, Messstellen im Festpunktbereich

Die grabenlose Verlegung führt in bestimmten Situationen zu signifikanten Kosteneinsparungen beim Rohrleitungsbau. In diesem Forschungsprojekt wurde ermittelt, in wie weit sich grabenlose Verlegetechniken auf Fernwärmerohre anwenden lassen, da diese von ihrer Konstruktion her ursprünglich für die Verlegung im offenen Graben ausgelegt sind.

Dazu wurden zehn Fernwärmerohre unterschiedlicher Konstruktion und Dimension in einem Feldversuch im Maßstab 1:1 grabenlos und ohne Schutzrohr verlegt und in einem Simulationsbetrieb mit einer Heizlast beaufschlagt. Das FFI führte die messtechnische Überwachung und operative Steuerung des Feldversuchs durch. Zudem wurden die Fernwärmerohre vor und nach der grabenlosen Verlegung im FFI eingehend untersucht. Ergebnis der Untersuchungen ist, dass die grabenlose Verlegung von Fernwärmerohren hohe Anforderungen an die Rohrqualität, die über die Anforderungen aktueller Normen hinaus gehen, die Baugrunduntersuchung und die Fachplanung insbesondere der Rohrstatik stellt.

Das FFI arbeitete bei diesem Forschungsprojekt mit verschiedenen anderen Projektpartnern im Auftrag der AGFW | Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 03ET1063A gefördert.

  Bettungswiderstand zyklisch belasteter Fernwärmeleitungen
 
zyklischer Belastungsversuch

Ziel dieses Forschungsprojektes war die Schließung grundlegender Wissenslücken hinsichtlich des Bettungswiderstands von Fernwärmerohren infolge lateraler Wechsellasten. Dazu wurden im Technikum des FFI Fernwärmerohre unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen in einem Graben verlegt und anschließend lateral wirkenden Wechsellasten ausgesetzt. Aus den Messwerten dieser Versuche konnten die Bettungswiderstände der Fernwärmerohre in Abhängigkeit von der lateral wirkenden Last ermittelt werden. In Laborversuchen ermittelte das FFI das Verhalten der in den Fernwärmerohren eingesetzten Wärmedämmung aus Polyurethanhartschaum unter zyklischer Wechselbelastung. Das Forschungsprojekt lieferte einen wichtigen Baustein für das grundlegende Verständnis des Tragverhaltens von Fernwärmeleitungen.

Das FFI arbeitete bei diesem Forschungsprojekt mit dem Institut für Geotechnik der Leibniz-Universität Hannover zusammen.

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 03ET1063C gefördert.