VORTRAG. KKS von Spundwänden Gegenüberstellung von Fremdstrom und galvanischen Systemen Technik, Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte

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1 VORTRAG KKS von Spundwänden Gegenüberstellung von Fremdstrom und galvanischen Systemen Technik, Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte anlässlich des HTG Workshop, Fachausschuss für Korrosionsfragen Korrosionsschutz für Meerwasserbauwerke am 24. Oktober 2012 Dipl.- Ing. Torsten Krebs GCP German Cathodic Protection GmbH & Co. KG Am Luftschacht 23, Essen Telefon: HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 1

2 Resultat eines nur unzureichenden Korrosionsschutzes: HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 2

3 Übersicht 1. Einleitung 2. Fremdstromsystem / Galvanisches System 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System 4. Beispielberechnung Spundwand - Investitionskosten - Betriebs- und Instandhaltungskosten - Erneuerungskosten (Reinvestitionskosten) - Gesamtlebensdauerkosten im Vergleich 5. Einige Umweltaspekte und -gedanken 6. Fazit HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 3

4 1. Einleitung Korrosionsschutzkonzepte Planung: Welches System ist das Beste für die Anwendung? (technische Betrachtung / Investitionskosten / Gesamtkosten während der Lebensdauer) Beschichtungsgüte als Faktor für Lebensdauer und Auslegung Betriebssicherheit, Anpassungsfähigkeit auf zukünftige Änderungen Reinvestitions- / Substitutionsaufwand während der Lebensdauer Umweltaspekte der eingesetzten Komponenten HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 4

5 2. Fremdstrom- / galvanisches System Fremdstromsystem System mit galvanischen Anoden HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 5

6 2. Fremdstrom- / galvanisches System Es gibt generell zwei verschiedene Kathodische Korrosionsschutzkonzepte: 1. Fremdstromsysteme 2. Systeme mit galvanischen Anoden (Opferanoden) Fremdstromsysteme besitzen höhere Treibspannungen wesentlich höhere Stromabgabe pro Anode Galvanische Anoden haben nur eine geringe Treibspannung geringe Stromabgabe pro Anode, es werden wesentlich mehr Anoden benötigt Die Verbrauchsrate galvanischer Anoden ist sehr viel größer als die der Fremdstromanoden die Gesamtmasse der zu installierenden Anoden ist sehr groß im Verhältnis zu Fremdstromsystemen HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 6

7 2. Fremdstrom- / galvanisches System Fremdstromsystem Ausgangsspannung stufenlos einstellbar Automatische Regelung zur Anpassung an veränderte Bedingungen möglich (Tide, Beschichtungsschäden bzw. -alterung, Leitfähigkeit) Schutzstrom und Schutzpotential einstellbar Durch getaktetes Ein-/ Ausschalten sind Ausschaltpotentiale messbar (Nachweis der Wirksamkeit des KKS) Relativ geringe Anzahl von Anoden notwendig Ext. Stromversorgung und Kabelverlegung notwendig HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 7

8 2. Fremdstrom- / galvanisches System Galvanisches System Treibspannungen: Zink: ca. 0,25V Aluminium: ca. 0,35V Magnesium: ca. 0,65V Keine externe Stromversorgung notwendig Schutzstromabgabe begrenzt durch maximale Potenzialdifferenz zwischen Stahl und galvanischer Anode In der Regel keine Ausschaltpotenzialmessungen möglich Relativ hohe Anzahl von Anoden notwendig Installation meistens nur durch Unterwasserarbeiten möglich (Tauchereinsatz) Defekte Anoden meist nur durch aufwändige Inspektionen zu erkennen HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 8

9 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System Beschichtung erhöht den elektrischen Widerstand an der Stahloberfläche erheblich Dadurch reduziert sich der benötigte Schutzstrom zur kathodischen Polarisierung gegenüber blanker Oberfläche (anfänglich ca. 1/50) Durch Alterung und Beschädigung der Beschichtung lässt die Wirksamkeit mit der Zeit nach und es erhöht sich der benötigte Schutzstrom Berechnung Alterung der Beschichtung: siehe Coating Breakdown Factor nach DNV-RP-B HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 9

10 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System f c = a + b t Coating Breakdown Factor f c : Faktor (0 bis 1) a, b : Konstanten, abhängig von der Beschichtung f c = 0 : Beschichtung perfekt f c = 1 : Beschichtung nicht wirksam Empfohlene Werte für a und b: siehe DNV-RP-B401, Tabelle 10-4 (Folie 12) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 10

11 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System f cm = a + b t 2 Mittlerer Coating Breakdown Faktor f cm : Mittlerer Faktor (0 bis 1), für Massenberechnung a, b : Konstanten, abh. von Beschichtung Empfohlene Werte für a und b: siehe DNV-RP-B401, Tabelle 10-4 (Folie 12) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 11

12 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 12

13 Faktor 3. Beschichtung als Faktor für das KKS-System 1,2 Coating Breakdown Factor 1 ROT = CII-Beschichtung 0,8 BLAU= CIII-Beschichtung 0,6 0,4 0, Alter (Jahre) fc (III) fcm (III) fc (II) fcm (II) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 13

14 4. Beispielberechnung Spundwand HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 14

15 Basisdaten: 4. Beispielberechnung Spundwand Spundwandlänge: 200m Spundwandfaktor: 1,5 Rammtiefe: 15m Wassertiefe: 10m Beschichtung (wasserseitig): 2-lagige Beschichtung, 400µm Gesamtdicke Ort: Nordsee Temperatur: 7 C - 11 C Lebensdauer: 80 Jahre HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 15

16 4. Beispielberechnung Spundwand HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 16

17 4. Beispielberechnung Spundwand 200m HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 17

18 4. Beispielberechnung Spundwand HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 18

19 4. Beispielberechnung Spundwand 10m 15m HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 19

20 4. Beispielberechnung Spundwand SCHUTZSTROMBEDARF FÜR MARINE BAUWERKE OBJEKT 200m Spundwand BEREICH SCHUTZSTROMDICHTE IN WASSER - JsW : :130 (ma/m^2) SCHUTZSTROMDICHTE IM BODEN - JsW : : 20 (ma/m^2) ZU SCHÜTZENDE OBERFLÄCHE DURCH- ANZAHL LÄNGE Lp (m) OBERFL. GESAMTOBERFLÄCHE STROMBEDARF GESAMT MESSER PRO m S (m^2) [49] IS (A) [25] STROM Dp WASSER BODEN S' [47] WASSER BODEN WASSER BODEN IS [50] (m) Lw Ls (m^2/m) Sw Ss Isw IsS (A) 1. PFÄHLE 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 GESAMT PFÄHLE 0,0 0,0 0,000 0,000 0, SPUNDWAND TIEFE BREITE FACTOR WASSER BODEN al (m) tw (m) ts (m) 200 1, ,0 4500,0 390,000 90, ,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 0,0 0,0 0,000 0,000 0,000 GESAMT SPUNDWÄNDE 3000,0 4500,0 390,000 90, ,000 Fremdstrom: Spez. Stromdichte Wasser (blank): 130 ma/m 2 Spez. Stromdichte Grund: 20 ma/m 2 Gesamtstrom: 480A (nach ca. 80 Jahren) GESAMT 3000,0 4500,0 390,000 90, ,000 ANZAHL SCHUTZSTROMGERÄTE 4 AUSGANGSSTROM PRO SCHUTZSTROMGERÄT 120 AUSGANGSSTROM PRO SCHUTZSTROMGERÄT (AUSGELEGT ) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 20

21 4. Beispielberechnung Spundwand Fremdstromsystem (Hauptkomponenten): 3 SSG je 12V/160A mit jeweils 25 Anodenanschlüssen 75 Anoden 6 Referenzelektroden Investitionskosten (Material und Installation): Ca ,00 Euro Ausgelegt für maximalen Strom von 480A Tatsächlicher Strom (abhängig von Beschichtungsfehlstellen) regelbar HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 21

22 4. Beispielberechnung Spundwand Galvanisches System: Aluminium-Anoden (167 kg) CATHODIC PROTECTION FOR OFF-SHORE STRUCTURES WITH ALUMINIUM ANODES PROJECT: 200m Sheet Piles AREA : 200m Sheet Piles (Seaside) CALCULATION OF CURRENT REQUIREMENT AND DIMENSION OF SACRIFICIAL ANODES ACCORDING TO DNV-RP-B401 CATHODIC PROTECTION FOR OFF-SHORE STRUCTURES WITH ALUMINIUM ANODES PROJECT: 200m Sheet Piles AREA : 200m Sheet Piles (Seaside) CALCULATION OF CURRENT REQUIREMENT AND DIMENSION OF SACRIFICIAL ANODES ACCORDING TO DNV-RP-B401 STAND OFF ANODES 167 kg Part 1 of 2 Required lifetime of anodes 30 Years Length of sheet pile 200 m Length in water (submerged) 10 m Length in ground 15 m Surface in water (submerged) 3000 m² Surface in ground 4500 m² Specific water resistivity 0,3 Ohm m Type of coating: 2-layer PU Nominal DFT 400 µm Coating break down factor acc. to DNV 0,012 Current density in water initial final recommended acc. to DNV-RP-401 (2011) mean design Current density bare surfaces in water ma/m² Current density bare surfaces in ground ma/m² Category Category Category Depth k1 0,020 0,020 0,020 factor 0-30 k2 0,012 0,012 0,012 factor Required lifetime Years fcm (average) 0,02 0,2 0,2 factor fcf (final) 0,02 0,38 0,38 factor Design Parameter Current density (water) 4 49,4 20 ma/m² Current density ground ma/m² Required current for surfaces in water (Zone 1) 12, ,200 60,000 A Required current for surfaces in ground (Zone 3) 90,000 90,000 90,000 A Total current required for pile 102, , ,000 A STAND OFF ANODES 167 kg Part 2 of 2 Anode Parameters Type of anode material Aluminium Initial mass of single anode 167 kg Initial width of anode 0,176 m Initial height of anode 0,161 m Initial length of anode 2,4 m Diameter of steel insert 0,06032 m Driving voltage 0,25 V Capacity 2000 Ah/kg Utilisation factor 0,9 f Number of anodes 140 nos. Total initial anode mass kg Required mass for 30 Years considering 20 ma/m² for surfaces in water Required current in water (Zone 1) 60,000 A Required current in ground (Zone 3) 90,000 A Total mean current required 150,000 A Required anode mass for 30 Years (DNV 7.7.1) ,00 kg Initial anode mass of 140 anode(s) ,00 kg Consumed anode mass whithin 30 Years ,00 kg Remaining anode mass after 30 Years 3.670,00 kg Remaining anode mass after 30 Years 15,70 % Max. current output of 140 anodes considering 49,4 ma/m² for surfaces in water Required current in water (Zone 1) 148,200 A Required current in ground (Zone 3) 90,000 A Total current required after 30 Years 238,200 A Radius of anode initial 0,107 m Radius of anode after 30 Years 0, m Length of anode after 30 Years 2, m Ra single anode 167 kg initial 0, Ohm Ra single anode 167 after 30 Years 0, Ohm Initial current output / 167 kg anode 3, A Current output / 167 kg anode after 30 Years 2,50363 A Max. init. current for 140 nos.167 kg anodes 503,49572 A Current output of 140 nos. 167 kg anodes after 30 Years 350,5082 A Total current required after 30 Years 238,2 A HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 22

23 4. Beispielberechnung Spundwand Galvanisches System (Hauptkomponennten): Aluminium-Anoden (167 kg) Fläche [m²] 0-30 Jahre Jahre Jahre f cm 0,200 0,480 0,740 f cf 0,380 0,740 0,980 a m [ma/m²] 0,020 0,048 0,074 a f [ma/m²] 0,049 0,096 0,127 I wm [A] (Wasser) I wf [A] (Wasser) ,2 288,6 382,2 I g [A] (Grund) Anodenanzahl (à 167 kg) f cm : Mittlere Coating Breakdown Faktor a m : Mittlere spez. Schutzstromdichte I wm : Mittlere Schutzstrom Wasser I g : Schutzstrom Grund f cf : Finaler Coating Breakdown Faktor a f : Finale spez. Schutzstromdichte I wf : Finaler Schutzstrom Wasser HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 23

24 4. Beispielberechnung Spundwand Investitionskostenübersicht: Fremdstrom- Galvanisches System system Anzahl Einzelpreis Gesamt Anfangsinvestition: , , ,00 Nach 30 Jahren: , , ,00 Nach 60 Jahren: , , ,00 Summe , , HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 24

25 4. Beispielberechnung Spundwand Betriebskosten: Fremdstrom Galv. Anoden Unterhalt ,00 Euro ,00 Euro Reparatur (1% Anodenkosten pro Jahr) 550,00 Euro 1.725,00 Euro Stromkosten Angenommener Strompreis abhängig vom Strombedarf (Alter) 0,15 / kwh 0,00 Euro HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 25

26 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand Energiekosten: ,00 Energiekosten Fremdstrom , , , , , Betriebsjahre Energiekosten/Jahr (F) Ges. Energiekosten (F) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 26

27 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand Energiekosten: ,00 Betriebskosten F+G , , , , , Betriebsjahre Energiekosten/Jahr (F) Ges. Energiekosten (F) Unterhaltskosten (F) Betriebskosten (F) Unterhaltskosten (G) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 27

28 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand Energiekosten: ,00 Kosten Fremdstrom , , , , , , , Betriebsjahre Energiekosten/Jahr (F) Ges. Energiekosten (F) Unterhaltskosten (F) Betriebskosten (F) Investitionskosten (F) Gesamtkosten (F) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 28

29 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand Energiekosten: ,00 Kosten Galvanisches System , , , , , , , , Betriebsjahre Unterhaltskosten (G) Investitionskosten (G) Gesamtkosten (G) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 29

30 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand ,00 Gesamtkostengegenüberstellung Beschichtung CIII , , Euro , , , , Euro , , Euro Betriebsjahre Gesamtkosten (F) Gesamtkosten (G) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 30

31 Gesamtkosten 4. Beispielberechnung Spundwand ,00 Gesamtkostengegenüberstellung Beschichtung CII , , Euro , , Euro , Euro Betriebsjahre Gesamtkosten (F) Gesamtkosten (G) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 31

32 5. Umweltaspekte Anodenzusammensetzungen für Aluminium und Zink: Hoher Zinkanteil bis 5,75% Indium-Anteil bis 0,04% Zinkverbindungen sind toxisch, Indium gehört zu den seltenen Erden, Wirkung auf Umwelt noch nicht ausreichend Erforscht. Zink: Umweltqualitätsnorm 800 mg/kg Schwebstoff HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 32

33 Jahre Anzahl Masse [kg] Gesamtmasse [kg] Rest Verbrauchte Masse [kg] Anteil Zink Masse Zink [kg] Anteil Indium Masse Indium [kg] 5. Umweltaspekte Umweltbelastung durch Anodenmetalle: ,7% ,75% ,040% 8, ,9% ,75% ,040% 13, ,9% ,75% ,040% 13,0 Summe , HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 33

34 6. Fazit Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung verschiedener KKS- Systeme sind die geplante Lebensdauer, Art und Güte der Beschichtung, erwartete Betriebs- und Wartungskosten, sowie notwendige Reinvestitionskosten maßgebend. Energiekosten haben nur eine untergeordnete Bedeutung bei der Gesamtkostenbetrachtung von Fremdstromsystemen. Ein in der Anschaffung günstigeres System kann in der Gesamtlebensdauerbetrachtung deutlich teurer sein. Die Kostengegenüberstellung ist sehr abhängig von der Beschichtungsgüte. Galvanische Systeme sind sehr Kostenintensiv bei schlechter oder keiner Beschichtung und langen geplanten Objektlebensdauer In der Betrachtung von Umweltaspekten und -einflüssen darf auch die (Schwer-)Metallemission aus den Augen gelassen werden. (Haftung für noch wenig bekannte Langzeiteinflüsse und -schäden) HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! HTG Workshop, FA für Korrosionsfragen; GCP GmbH & Co. KG 35

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