bodenerwärmung, legetiefe und kabelabstände bei hgÜ-erdkabeln
TRANSCRIPT
Bodenerwärmung, Legetiefe und
Kabelabstände bei HGÜ-Erdkabeln
Prof. Dr. Ingo Sass
Fachkonferenz- Bodenschutz an HGÜ-Erdkabeltrassen
Fulda, 21. Juni 2016
FG Angewandte Geothermie
Durchführung von grundlagenorientierten Forschungsprojekten sowie
fachgutachterliche und wissenschaftliche Begleitung von Projekten mit
(geo-)thermischen Fragestellungen
Arbeitsgebiete und Forschungsthemen, die mit erdverlegten Stromkabeln in
Beziehung stehen:
Integration geothermischer Systeme in die
Netzwerke anderer (erneuerbarer) Energien
Messtechnik in der Geothermie
Gekoppelte numerische
Wärmetransportmodellierung
Entwicklung von Baustoffen für Geothermie
und Leitungsbau
Wärmeableitung erdverlegter Kabel
Thermische Optimierung von Trassen
erdverlegter Kabel
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 2
Übertragung elektrischen Stroms führt zu
Erwärmung der Leiter
Erwärmung durch max. Betriebstemperatur des
Isolationsmaterials beschränkt
Wärme muss von der Bettung bzw. dem
umgebenden Boden abgeführt werden
Thermische Eigenschaften unterliegen jedoch
sowohl klimatischen als auch
betriebsbedingten Veränderungen
Klimatische Einflüsse der Oberfläche erfahren
mit der Tiefe eine Dämpfung
Benachbarte Kabel beeinflussen sich
thermisch wie auch hydraulisch
Thermisches Verhalten von Erdkabeln
Verändert nach Balzer, C.; Drefke, C.; Stegner, J.; Hinrichsen, V.; Sass, I.;
Hentschel, K. ; Dietrich, J.: Improvement of Ampacity Ratings of Medium
Voltage Cables in Protection Pipes by Comprehensive Consideration and
Selective Improvement of the Heat Transfer Mechanisms within the Pipe. 9th
International Conference on Insulated Power Cables - Jicable 2015, 22.-
24.06.2015, Versailles, Frankreich. (2015)
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 3
Schematischer Aufbau eines HGÜ-Kabels
Kupfer- oder Aluminiumleiter
Kunststoffisolierung
Max. Betriebstemperatur 70 °C
Schirmdrähte
Äußere Kunststoffhülle
Beispiel: Kunststoffisoliertes Kabel
Konstante thermische Eigenschaften des Kabelaufbaus
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 4
Schematischer Aufbau einer HGÜ-Trasse
Erdkabel im Schutzrohr
Legetiefe
ca. 1,5 m
Ungestörter Boden
Kabelbettung
Wiederverwendeter Aushub
Variable thermische Eigenschaften der Kabelbettung und des umgebenden
Bodens (unterliegen klimatischen und betriebsbedingten Veränderungen)
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 5
Bedeutung des Bettungsmaterials auf die
thermische Stromtragfähigkeit
Thermische Stromtragfähigkeit berechnet nach IEC 60287
*Für ein Einleiterkabel, NA2XS2Y 12/20 kV gemäß IEC 60287, konstanter Betrieb, Umgebungstemperatur bei 20 °C
Belastbarkeit als Funktion der
Wärmeleitfähigkeit des Bodens*
Verändert nach Balzer, C.; Drefke, C.; Stegner, J.; Hinrichsen, V.; Sass, I.; Hentschel, K. ; Dietrich, J.:Ampacity Rating of Directly Buried Distribution Cables under the Consideration of
Soil Properties to Improve Efficiency of Distribution Networks. 23rd International Conference on Electricity Distribution - CIRED 2015, 15.-18.06.2015, Lyon, Frankreich.. (2015)
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 6
Untersuchungen der TU Darmstadt zu den
Kabel-Boden-Wechselwirkungen
Modellierung Testfeld Probenentnahme und
Untersuchung
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 7
Heterogenes Ausgangsmaterial zur Kabelbettung Beispiel BK500 von Bayern
39 Hauptbodenarten mit WLF
von 0,4 bis 2,3 W·m-1·K-1
Innerhalb der
Hauptbodenarten ebenfalls
teils starke Heterogenitäten
Bereich mit den
schlechtesten thermischen
Eigenschaften beschränkt
max. Strombelastung der
ganzen Trasse
Homogenere und
gesichertere (thermische)
Eigenschaften von Vorteil
Verändert nach Stegner, J.: Bestimmung thermischer Materialkennwerte von Erdkabelbettungen. Dissertation,
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt. (2016)
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 8
Bettungsmaterial Bandbreite natürlicher Kornzusammensetzungen
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 9
Wassergehalt der Kabelbettung
Der Bodenwassergehalt
unterliegt klimatisch und
betriebsbedingten
Veränderungen.
Der Transport von Wasser im
Boden wird durch hydraulische
Gradienten erzeugt
Ge
sä
ttig
te
Zo
ne
Un
ge
sä
ttig
te Z
on
e
Feststoff
Bodenluft
Bodenwasser
Grundwasser-
oberfläche
Grundwasser
Material Wärmeleitfähigkeit
Quarz ≈ 7.7 Wm-1K-1
Tonminerale ≈ 2.9 Wm-1K-1
Wasser ≈ 0.6 Wm-1K-1
Luft ≈ 0.03 Wm-1K-1
Saugspannung
Freie Grundwasseroberfläche
(verändert nach
Hölting, 1996)
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 10
Verteilung des Wassers in teilgesättigten
Lockergesteinen
Feststoff
Schematische Darstellung der Anlagerung von Wasser in Lockergesteinen:
Luft
Feststoff
Feststoff
Feststoff
Feststoff
Luft
Feststoff
Feststoff
Feststoff
Mit zunehmendem Wassergehalt steigt der thermisch leitende Querschnitt
zwischen den einzelnen Bodenkörnern
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 11
Wärmeleitfähigkeit von Sanden
Verändert nach: Stegner, J.; Drefke, C.; Hentschel, K.; Sass, I. (2013): Quantifizierung der Wärmeableitung bei erdverlegten Mittel- und
Niederspannungskabeln. BBR, Jahrgang 64, Ausgabe 5, Seite 16-21, Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn. ISSN 1611-
1478.
„Sand feucht“
„Sand trocken“
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 12
Ähnliche Korngrößenverteilung bedeutet nicht
gleiche Wärmeleitfähigkeit
Drefke, C.; Stegner, J.; Sass, I. (2013): Änderung der thermischen Eigenschaften teilgesättigter Böden im Betrieb geothermischer Anlagen. In:
Geothermische Vereinigung – Bundesverband Geothermie e.V. (Hg.): Tagungsband Der Geothermiekongress 2013, 12.-14.11.2013, Essen.
Siebkorn
Fein- Mittel- Kieskorn Sandkorn
Fein- Mittel- Grob-
0.06
Grob-
0.1 0.2 0.6 1 2 6 63 20 10
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 13
Einfluss klimatischer Veränderungen auf
Kabelbettungen
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 2 4 6 8 10
vo
l. W
as
se
rge
ha
lt in
% →
neg
ati
ve
Sa
ug
sp
an
nu
ng
in
hP
a →
Zeit in Tagen →
Datenreihen1
Datenreihen3
Sandbettung
Tonboden
Der Wassergehalt eines Bettungsmaterials wird durch das hydraulische
Potenzial des umgebenden Bodens z. T. stark beeinflusst.
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 14
Zusammenfassung
Der Ausbau erneuerbarer Energien erfordert den Ausbau der Netze.
Die thermophysikalische Eigenschaften von Bettung und Boden unterliegen
klimatischen, wie auch betriebsbedingten Veränderungen.
Eine bessere Kenntnis dieser Veränderungen ermöglicht eine effizientere
Auslastung der Netzinfrastruktur.
Dies erfordert jedoch eine standortspezifische Betrachtung des
Gesamtsystems Erdkabel-Bettung-Boden.
Bereiche mit schlechten thermischen Eigenschaften beschränken die
maximale Strombelastung der ganzen Trasse.
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 15
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
21.06.2016 | Prof. Dr. Ingo Sass | Fachgebiet Angewandte Geothermie 16