Verfahren vereinfacht

Fernwärmeleitungen effizienter sanieren

Die rund 3.800 Fernwärmenetze in Deutschland sind eine wichtige Säule der Energieinfrastruktur. Mittlerweile haben viele dieser Leitungen das Ende ihrer geplanten Nutzungsdauer erreicht und müssen saniert werden. Wie dies effizienter als bisher funktionieren kann, zeigen mehrere BMWE-Förderprojekte.

Fernwärmenetze in Deutschland wurden seit den 1950er Jahren vermehrt installiert und erreichen jetzt das Ende ihrer geplanten Nutzungsdauer. Dabei ist der Austausch der Leitungen sehr aufwändig: Bodenmassen müssen ausgehoben und die Oberflächen im Anschluss wiederhergestellt werden, der Straßen- und Lieferverkehr wird gestört und Anwohnende werden durch Baulärm und -staub belästigt.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhaben FW-Liner haben Fachleute unter Leitung des „AGFW - Der Effizienzverband für Wärme, Kälte und KWK“ eine effizientere und umweltschonendere Lösung entwickelt. Dazu greifen sie auf ein Verfahren zurück, das bereits bei drucklosen Abwassernetzen und Trinkwasser-Drucknetzen zum Einsatz kommt. So genannte Schlauch-Liner, die mit Harz imprägniert sind und aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) bestehen, werden in das Rohrsystem eingebracht und erhärten vor Ort. Ein Hersteller dieser Liner, die SAERTEX multiCom GmbH, ist Teil des Forschungskonsortiums von FW-Liner.

Häufigere Temperaturwechsel beanspruchen Leitungen

In Fernwärmeleitungen herrschen höhere Temperaturen und andere Druckverhältnisse als in Abwasser- und Trinkwassernetzen. „Die bisher dort eingesetzten Schlauch-Liner haben wir an die thermischen, mechanischen und chemischen Beanspruchungen in Fernwärmeleitungen angepasst“, erklärt Projektleiter Sebastian Grimm vom AGFW. „Dabei haben wir uns auf die in Deutschland am häufigsten verbauten Heißwasser-Fernwärmesysteme konzentriert.“

Insbesondere Temperaturlastwechsel beanspruchen Fernwärmerohrleitungen. Da zukünftig vermehrt volatile erneuerbare Energie in die Netze eingespeist wird, die Sektorenkopplung und die damit verbundenen Änderungen des Strom- und Wärmemarktes zunehmen, gehen die Expertinnen und Experten davon aus, dass diese Belastungen zunehmen werden. Dafür sind insbesondere ältere Fernwärmesysteme nicht ausgelegt.

Typische Schadensbilder in Fernwärmeleitungssystemen, Quelle: GEF Ingenieur AG

Von den typischen Schäden an Fernwärmeleitungen lassen sich nur diejenigen mit einem Liner beheben, bei denen das innenliegende Mediumrohr selbst betroffen ist. Dazu zählen fehlerhafte Schweißnähte, die zu undichten Stellen führen können, oder Korrosionsschäden. „Kommt ein FW-Liner zum Einsatz können Instandhaltungsmaßnahmen auch punktuell durchgeführt werden, sodass nur einzelne Netzabschnitte betroffen sind. Dies reduziert Kosten und führt dazu, dass die Versorgung schneller wiederhergestellt werden kann“, so Grimm.

Fernwärmetaugliche Materialien identifiziert

Harz, Glasfasergelege und Schutzfolie: Insbesondere diese Komponenten des Schlauch-Liners mussten für die hohen Belastungen in Fernwärmenetzen optimiert werden. Das heißt, das Gesamtsystem muss bei Temperaturen bis 130 Grad Celsius ausreichend dicht und tragfähig bleiben. Zusätzlich mussten die Expertinnen und Experten sicherstellen, dass bei mittel- und langfristigen Materialveränderungen das Heizmedium nicht schädlich beeinflusst wird.

Die Glasfasern werden in einem „Gelege verarbeitet“ welches mit dem Harz getränkt wird. Die Kombination der Komponenten Glasfaser und Harz bilden den glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK). Die Innenfolie dient als weiteres abdichtendes Element vor, während und nach Bedarf auch nach der Aushärtung des Harzes. Erst wenn das Harz aushärtet, ist aus dem flexiblen Schlauch ein stabiles Rohr geworden.

Nach verschiedenen Untersuchungen identifizierten die Experten ein Industrieharz, das im industriellen Maßstab verfügbar und in der Liner-Produktion einsetzbar ist. Schließlich haben es die Forschenden im Projekt geschafft, die Grundelemente eines fernwärmetauglichen GFK-Druckschlauch-Liners (Harz, Glasfasergelege und Schutzfolie) zu entwickeln. Den daraus entstandenen Prototyp konnten sie erfolgreich im Labor testen.

FW-Liner bereits in einigen deutschen Wärmenetzen eingebaut

Gemeinsam mit den Stadtwerken und der Stadt Neumünster haben die Projektpartner eine Teststrecke im Parallelbetrieb zu einem realen Fernwärmenetz errichtet. Dort testeten sie einen ersten Prototyp des FW-Liners im praktischen Betrieb und unter Baustellenbedingungen und leiteten konkreten Entwicklungsbedarf ab.

Der Testbetrieb mit einem Carbonfaser-Liner hat gezeigt, dass dieser den hohen Anforderungen von Temperatur und Druck in Fernwärme-Leitungen auch bei extremer thermischer Belastung – vom Gefrierpunkt kommend bis auf 110 Grad Celsius – standhält. Seither wurde der Carbonfaser-Liner bereits in einigen deutschen Fernwärmenetzen, etwa in Aachen, Nürnberg oder Frankfurt am Main, eingebaut.

Die Liner werden zum Verlegen in Mantelrohre integriert. Tests mit den Linern haben gezeigt, dass sich diese schneller ausdehnen als die sie umgebenden Rohre. Dabei kommt es zu Materialverschiebungen bei Carbonfaser- und bei Glasfaserlinern. Durch die „Web“-Struktur und die genaue Mischung der verwendeten Materialien wird diese auf die Zielausdehnung vom Stahlrohr optimiert. Das heißt, bei beiden Linern kann es zu Verschiebungen kommen, die nicht dem Stahlmediumrohr entsprechen. Für die Glasfaserkomponenten ist diese Anpassung in der Entwicklung aufwendiger. Das Expertenteam arbeitet aktuell an einer Lösung hierfür. Bei dem von CarboSeal entwickelten Liner treten keine Relativverschiebungen auf.

Herausforderung Seitenabgänge

Bislang ist die grabenlose Sanierung von Fernwärmeleitungen mit vor Ort härtenden Schlauchlinern nur für ungestörte Rohrleitungen möglich. Von diesen zweigen keine weiteren Leitungen ab. Allerdings können vor allem in Innenstädten theoretisch an nahezu allen Leitungsabschnitten Hausanschlussleitungen abgehen – so genannte Seitenabgänge.

Fernwärmenetze effizienter betreiben mit Asset Management Tools

Wie ist der Zustand einzelner Netzabschnitte? Wo steht in der nächsten Zeit eine Wartung an? Gibt es Leckagen? Diese und viele weitere Aspekte rund um Fernwärmeleitungen erfassen so genannte Asset-Management-Tools. Sie helfen Betreibern dabei, ihre Infrastruktur zu verwalten, überwachen und optimieren. Dabei geht es um den gesamten Lebenszyklus der Anlagen – von Planung über Betrieb bis hin zu Wartung und Erneuerung. Im aktuell laufenden Vorhaben Sustainable Asset Management Fernwärme (SAM-FW) arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, bestehende Tools für Wärmenetze weiterzuentwickeln.

Sie setzen dabei unter anderem auf künstliche Intelligenz, um eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen. Das heißt, sie analysiert große Mengen von Betriebs- und Sensordaten, um den Zustand von Maschinen und Systemen in Echtzeit zu überwachen und vorherzusagen, wann Maßnahmen erforderlich sind. „Betreiber können so ihre Wartungen effizienter planen. Dadurch reduzieren sich ungeplante Ausfallzeiten und hohe Reparaturkosten“, so Projektleiter Stefan Hay von AGFW, dem Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK.

Weitere Aspekte und Erkenntnisse aus dem Vorhaben haben die Partner in der Studie „Sustainable Asset Management Fernwärme - aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen“ veröffentlicht. Diese bietet detaillierte, wissenschaftliche Einblicke in 

• Instandhaltung & Asset Management von Wärmenetzen
• Vorausschauende Instandhaltung
• Lebenszyklus-Bewertung und Kreislaufwirtschaft von Wärmenetzen
• Kennzahlensysteme für das Asset Management von Wärmenetzen 

sowie deren Weiterentwicklung in der weiteren Laufzeit des Forschungsprojektes. Die Ergebnisse werden in realen Wärmenetzen erprobt und sollen langfristig in technische Normen überführt werden. Das Forschungsvorhaben SAM-FW ist in Annex TS 6 der Technologieinitiative District Heating and Cooling der Internationalen Energieagentur IEA eingebunden. (bs)