Vortrag: Bodenwärmemodellierung von Erdkabelsystemen

[Lukas Birkhoff]

Dr. Simon Schröder
delta h Ingenieurgesellschaft mbh
Parkweg 67
58453 Witten
www.delta-h.de
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Energieverluste in Hochspannungserdkabeln hat einen geothermischen Einfluss, der mit oberflächennaher Geothermie vergleichbar ist. Entsprechend sind die Ergebnisse aus dem Umfeld der Erdkabel allgemein auf oberflächennahe Geothermie übertragbar.
Mit dem derzeitigen Ausbau des deutschen Übertragungsnetzes wird vermehrt auf die Nutzung von Erdkabeln für Hoch- und Höchstspannungsleitungen gesetzt. Solche Kabelanlagen bestehen aus mehreren Einzelkabeln, die Energieverluste emittieren. Dieser Energieverlust wird in Wärme umgewandelt und beeinflusst Bodentemperaturen und, abhängig von der Tiefenlage, Grundwassertemperaturen.
Der Wärmeeinfluss erstreckt sich bis zur Geländeoberfläche und Bereichen, die für die landwirtschaftliche Nutzung relevant sind.
In diesem Beitrag wird aufgezeigt, dass der Wärmetransport im Boden primär prozessgetrieben ist und zeigt den Einfluss der einzelnen Prozessparameter. Um Vorgänge in der ungesättigten Zone bis zur Geländeoberfläche mit hoher Genauigkeit korrekt abbilden zu können, ist die Lufttemperatur alleine als Randbedingung an der Geländeoberfläche nicht ausreichend. Anhand von Schneeschmelze lässt sich deutlich erkennen, dass der Bereich oberhalb der Erdkabel an der Geländeoberfläche geringfügig wärmer gegenüber der Umgebung ist. Entsprechend ist es erforderlich, dass die Temperaturrandbedingung der Lufttemperatur gedämpft wird. In einem naiven Ansatz kann eine zusätzliche Luftschicht hier Abhilfe schaffen. Wärmeparameter der Luftschicht sind als rein numerische Parameter anzusehen und müssen mittels Messungen kalibriert werden.
Als wesentlich hat sich zudem herausgestellt, dass die Geländeoberfläche durch direkte Sonneneinstrahlung höhere Temperaturen als die gemessene Lufttemperatur aufweist. Die Globalstrahlung, die sich unter anderem aus der Sonnenscheindauer berechnen lässt, kann in die beiden Komponenten
der Hintergrundstrahlung und Direkteinstrahlung unterteilt werden. Diese zweite Komponente ist als Energierandbedingung anzusetzen. Es zeigt sich, dass der verwendete Ansatz mit der zusätzlichen Luftschicht diskretisierungsabhängig ist und somit nicht für beliebige FE-Netze adaptiert werden kann.
Die Luftschicht kann durch einen weiteren numerischen Parameter, einer Art Wärmeübergangskoeffizient, ersetzt werden. Dadurch wird der Einfluss der vorgegebenen Lufttemperatur an der Geländeoberfläche gedämpft, sodass sich höhere Temperaturen einstellen können. Dies erlaubt zum einen
eine Erwärmung des Bodens aufgrund des Wärmeeintrags durch die Erdkabel bis an die Geländeoberfläche und zum anderen erhöhte Bodentemperaturen an der Geländeoberfläche aufgrund der Sonneneinstrahlung. Letzteres entspricht im Wesentlichen einer gemischten Randbedingung.
Dieser Ansatz ist durch Messungen aus Feldversuchen validiert. Es zeigt sich, dass in oberflächennahen geothermischen Anwendungen die Prozesse der ungesättigten Zone, der Globalstrahlung und der Lufttemperatur wesentlich für die Wärmeausbreitung sind.


Präsentation:

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