Bodenerwärmung, Legetiefe und Kabelabstände bei HGÜ-Erdkabeln

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)


Schematischer Aufbau eines HGÜ-Kabels

Kupfer- oder Aluminiumleiter

Kunststoffisolierung

Max. Betriebstemperatur 70 °C

Schirmdrähte

Äußere Kunststoffhülle

Beispiel: Kunststoffisoliertes Kabel

Konstante thermische Eigenschaften des Kabelaufbaus


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)


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)


Untersuchungen der TU Darmstadt zu den

Kabel-Boden-Wechselwirkungen

Modellierung Testfeld Probenentnahme und

Untersuchung


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)


Bettungsmaterial Bandbreite natürlicher Kornzusammensetzungen


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)


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


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“


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


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

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% →

neg

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Sa

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sp

an

nu

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in

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a →

Zeit in Tagen →

Datenreihen1

Datenreihen3

Sandbettung

Tonboden

Der Wassergehalt eines Bettungsmaterials wird durch das hydraulische

Potenzial des umgebenden Bodens z. T. stark beeinflusst.


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.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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