Fachgebiet für Standortunde und Bodenschutz Optimierung der Strombelastbareit erdverlegter Energieabel Prof. Dr. Gerd Wessole Dr.-Ing. Steffen Trins, Dr.-Ing. Björn Kluge Technische Universität Berlin Institut für Öologie Tagung Energiewende Ein Thema für den Boden Hannover, 12. März 2015-1
Gliederung Wasser- und Wärmehaushalt des Bodens Boden- und Standorteigenschaften Fragen aus der Praxis Fazit: Aufgaben der Bodenunde 2
Wasser- und Wärmehaushalt Was wir schon wissen. 3
Wasser- und Wärmehaushalt Stromführende Kabel sind Wärmequellen 4
Wasser- und Wärmehaushalt Was wir wissen wollen. Wie wiren sich Standortund Klimabedingungen auf erdverlegte Kabel aus? Wie beeinflussen Kabel den Wasser- und Wärmehaushalt 5
Hintergrund unserer Vorhaben Ziele: a) Verstehen der Prozesse (Labor, Freiland, Techni) b) Entwiclung eines Berechnungsverfahrens (CableEarth) c) Beantwortung von Fragen aus der Praxis Chronologie: 2004 - Entwiclung der Projetidee 2006 2012 - Grundlagenforschung (gefördert vom Land Berlin und EU) Seit 2008 - Kooperationen mit Netzbetreibern (Vattenfall, 50 Hertz, E.dis, TenneT) 6
Monitoring einer 110 V Kabeltrasse Motivation: Erfassung der thermischen Bedingungen einer Trasse - Trasse im Verteilungsnetz von Berlin - hohe Auslastung Zwei Standorte im Trassenverlauf: 7
Monitoring einer 110 V Kabeltrasse Messung: Temperatur von Kabel und Boden, Bodenfeuchte, Klima 8
Praxistest: Strombelastbareit Motivation: Untersuchung eines Kabels mit hoher Stromlast - 10m Kabelstrece - 10V Einzelabel, 240mm² - 80 cm Legetiefe - Messung von: Temperatur Bodenfeuchte Strom Klima 9
Praxistest: Strombelastbareit Motivation: Untersuchung eines Kabels mit hoher Stromlast Stromlastgang während des Experiments 10
Praxistest: Strombelastbareit Temperaturverläufe 70 Leitertemperatur Kabeltemperatur Bodentemperatur 10cm Bodentemperatur 30cm Temperatur ( C) 50 30 10 14.4 24.4 4.5 14.5 24.5 3.6 13.6 Datum 11
Praxistest: Strombelastbareit Ausbildung des Temperaturfeldes im Boden 380 A 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42-150 -100-50 0-150 -100-50 0 1 Woche 3 Wochen 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 150 100 50 0-50 -100-150 150 100 50 0-50 -100-150 -150-100 -50 0-150 -100-50 0 150 100 50 0-50 -100-150 150 100 50 0-50 -100-150 5 Wochen 12.06.2010 7 Wochen 12
Messung der Wärmeleitfähigeit Wärmeleitfähigeit λ [W/mK] ist abhängig von: - Substrat - Trocenrohdichte - Temperatur - Wassergehalt Untersuchungsmethode: Verdunstungsverfahren Probe Nadelsensor 255.42 ISOMET 2140 Waage 13
Messung der Wärmeleitfähigeit Wärmeleitfähigeit in Abhängigeit von Bodenart und -feuchte undisturbed Wärmeleitfähigeit [W/mK] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Sand BD 1.7 g/cm³ Sand (ms) Sandy Clay Loam BD 1.8 g/cm³ Lehm(Sl4) Silt BD 1.3 g/cm³ Löss (Ut3) Peat BD 0.17 g/cm³ Torf (nh) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Wassergehalt [Vol.%] 14
Wasser- und Wärmetransport in Böden Wasser Transport Wasserfluss Dampftransport geoppelte Prozesse Wärme Transport Matrix-Wärmetransport Dampftransport von Wärme Wasserwärmefluss Wärmetransport Dampftransport Wasserfluss Temperaturgradient 15
Wasser- und Wärmetransport in Böden ( ) ( ) [ ] g m diff m V l m l g V l l V g l j v v θ ρ θ ρ θ ρ ρ θ, + + = + Wassertransport: Numerische 2D-Modelle: Delphin, Hydrus Modellierung der Transportprozesse 16 ( ) [ ] g diff V l l j v v x t θ ρ θ ρ, + + = ( ) [ ] g m diff g m a g a V g j v x t θ θ ρ θ ρ, = ( ) ( ) ( ) [ ] g a v m diff g m a a V V l m l l m diff h h j v u u u v j x t u V l l V θ θ ρ ρ θ ρ ρ + + + + =,, Wassertransport: Gastransport: Energietransport:
Wasser- und Wärmetransport in Böden 2D - Modellierung der Leitertemperatur (aus dem Praxistest) INPUT: - Lufttemperatur, Niederschlag, - thermische und hydraulische Eigenschaften (Boden und Kabel) - Verlustwärme des Kabels 70 Leiter (gemessen) Leiter (modellier) Kabel (gemessen) Kabel (modelliert) Temperatur ( C) 50 30 10 14.4 24.4 4.5 14.5 24.5 3.6 13.6 Datum 17
Fragen aus der Praxis Wenig Platz für neue Trassen Foto: Köhler, Stromnetz Berlin 18
Fragen aus der Praxis für bestehende Erdabeltrassen: - Können bestehende Trassen stärer ausgelastet werden? - Liegen ungenutzte Kapazitäten im transienten Betrieb (Lastspitzen) vor? - thermischen Eigenschaften der Böden? 19
Fragen aus der Praxis für neu geplante Trassen: - Kann die Trassendimensionierung für Netze mit transienten Stromlasten optimiert werden? - Wie verändert die Wärmeemission der Trasse den Wasser- und Wärmehaushalt in geschützten Gebieten, wie reagiert die Vegetation? - Welche Verbesserungen sind an thermischen Engpässen im geplanten Trassenverlauf möglich.? 20
Fragen aus der Praxis Kann eine Trassendimensionierung optimiert werden? Stromlastprofil bei 400 MVA installierte Anlagenleistung (75% Wind 25% Photovoltai), Zeitraum 18 Monate 21
Fragen aus der Praxis Kann eine Trassendimensionierung optimiert werden? - Berechnung mit numerischen Modell - Berücsichtigung der Bodeneigenschaften, Klima- und Standortbedingungen - Ermittlung der Leitertemperatur in Abhängigeit vom Leiterquerschnitt Leitertemperatur [ C] 80 70 60 50 40 30 72.2 C 59.3 C 47.6 C 20 - Erforderliche Trassendimension nach Herstellerangabe (400 MVA Dauerlast): 10 0 2 Systeme mit 2500mm² Al-Leiter 1000mm² 1200mm² 1600mm² Leiterquerschnitt Es sind deutliche Einsparungspotenziale vorhanden. 22
Fragen aus der Praxis Wie verändert die Wärmeemission den Wasser- und Wärmehaushalt von Böden und wie reagiert die Vegetation? - Trassen in Übertragungsnetzen önnen große Wärmemengen emittieren - Vermeidung von Trocen- und Bodenwärmestress in Schutzgebieten Berechnetes Temperaturfeld einer Trasse mit 4 Systemen 23
Fragen aus der Praxis Wie verändert die Wärmeemission den Wasser- und Wärmehaushalt von Böden und wie reagiert die Vegetation? - Trassen in Übertragungsnetzen önnen große Wärmemengen emittieren - Vermeidung von Trocen- und Bodenwärmestress in Schutzgebieten Optimierung von: - Kabeltiefe - Kabelabstand - Kabeldurchmesser - Verbesserung der Wärmeabfuhr durch Bodenverbesserung 24
Fragen aus der Praxis Wie verändert die Wärmeemission den Wasser- und Wärmehaushalt von Böden und wie reagiert die Vegetation? Eine Zusammenarbeit zwischen technischen, naturwissenschaftlichen und planerischen Disziplinen ist notwendig! 25
Fazit Die Energiewende Ein Thema für die Bodenunde? zur trassenbezogenen Standortbewertung für die Bestimmung von thermischen Bodeneigenschaften für die Beurteilung der Folgen für die Landwirtschaft Verbesserung von Berechnungsmethoden in der Netzplanung Naturschutz für die Bewertung von Vegetationseinheiten 26
Vielen Dan für Ihre Aufmersameit. 27