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Durch die dezentrale Energiegewinnung, welche aus dem Fokus auf regenerative Stromerzeugung resultiert, ist ein Ausbau des Übertragungsnetzes alternativlos – auch mit Hinblick auf den steigenden Strombedarf in den kommenden Jahrzehnten. Der Ausbau ist bereits beschlossene Sache, schreitet aber schleppend voran. Die Gründe hierfür sind jedoch nicht etwa Verzögerungen in der Bauausführung, sondern vor allem die Ablehnung innerhalb der Bevölkerung gegenüber dem Neubau von Stromtrassen. Jahrelange Planungs- und Genehmigungsphasen sowie regelmäßige Änderungen der Trassenverläufe sind die Folge. Die Bürgerbewegungen gegen den Netzausbau sind meist mit auf dem Einfluss auf das Landschaftsbild, der Strahlungsbelastung oder Lärmbelästigung begründet. Eine Erdverlegung würde hinsichtlich dieser Probleme (trotz kurzfristiger Mehrbelastung während der Bauphase) eine Alternative darstellen, weist jedoch baubedingte Problematiken wie den Abtransport der Verlustwärme auf. Bei einer klassischen Sandbettung hängt die Wärmeleitfähigkeit maßgeblich vom Wassergehalt des Sandes ab, welcher je nach Witterungslage und geologischen Gegebenheiten sehr stark schwankt. Als Folge muss die Trasse für den ungünstigsten Fall und damit unwirtschaftlich bemessen werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts „DC-CTL DBI“ wurde eine gasisolierte HGÜ-Leitung (GIL) erdverlegt und einem Langzeitversuch unterzogen. Anstelle einer Sandbettung wurde jedoch ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (ZFSV) verwendet. Für den Einsatz als thermische Bettung bietet ein ZFSV mehrere Eigenschaften, welche eine klassische Sandbettung nicht bietet. So ist mit Hinblick auf die verschweißte Aluminium-Hülle der GIL kein Verdichtungsaufwand nötig, welcher bei aktueller Bauform zweifelsfrei in Schäden resultieren würde. Darüber hinaus weisen Flüssigböden durch den Bentonit-Gehalt eine höhere adsorbierende Oberfläche auf, wodurch der Anteil des Haftwassers im Boden zunimmt und die Wärmeleitfähigkeit der Bettung in ihrer Konstanz positiv beeinflusst wird. Im Zuge dieser Arbeit wurden die thermischen und hydraulischen Transportprozesse um die GIL mittels FEM in Plaxis2D untersucht und transient über den gesamten Messzeitraum (18 Monate) berechnet. Hierfür wurden die Materialparameter durch labortechnische Versuche ermittelt und die Messergebnisse einer verbauten Wetterstation als Randbedingungen (Niederschlag, Temperatur, Evapotranspiration) aufgebracht. Die Ergebnisse aus Plaxis2D wurden abschließend mit der im Feldversuch verbauten Sensorik verglichen. Es zeigte sich, dass sowohl die Boden- als auch die Leitertemperaturen nur um wenige Grad von den Messwerten der Sensorik abweichen. Anders als bei den etablierten analytischen Bemessungsrechnungen, welche stets auf Vereinfachungen basieren, können auch Effekte wie konvektiver Wärmetransport oder Austrocknung bei gleichzeitig höherer Genauigkeit der Ergebnisse untersucht werden. Um den Rechenaufwand gering zu halten, wurden lediglich die thermischen und hydraulischen Entwicklungen und Einflüsse des Bodens berücksichtigt. Es ist aber durchaus möglich, Verformungen und Kräfte in die Berechnung zu integrieren und so ein ganzheitliches Berechnungsmodell zu erstellen.

Bei der Bypassleitung im Europaviertel Frankfurt handelt es sich um eine seit 2015 betriebene Forschungsmesstrecke zur messtechnischen Erfassung von Rohr-Boden-Interaktionen. Es wurden zwei identische Leitungen verlegt, welche jeweils einmal konventionell in Sand und einmal in ZFSV (zeitweise, fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff) gebettet wurden. Durch den Bypass betrieb unterlagen beide Leitungen identische, reguläre Betriebsbedingungen und konnten so miteinander realitätsnah miteinander verglichen werden. Vor Rückbau der Anlage wurden zusätzliche Temperaturzyklen mit erhöhten Vorlauftemperaturen bis 140°C gefahren. Anschließend wurden im Zuge des Rückbaus Gruben erstellt, in denen mithilfe einer Pressenhydraulik einzelne Rohrsegmente axial durch den Boden verschoben wurden. Somit konnten die mechanischen Boden-Rohr-Interaktionen gemessen und quantifiziert werden.

Der Ausbau des deutschen Höchstspannungsnetzes im Zuge der Energiewende erfordert zunehmend – mangels gesellschaftlicher Aktzeptanz von Freileitungen – die Verlegung leistungsfähiger Erdkabelsysteme. Großprojekte wie der SüdLink oder SüdOstLink in Deutschland stellen dabei zentrale Infrastrukturvorhaben dar, die zukünftig große Strommengen aus norddeutschen Windparks in süddeutsche Verbrauchszentren transportieren sollen. Nach Angaben der TransnetBW sollen allein für den SüdLink bis zum Projektende rund 2400 Kilometer Erdkabel verlegt werden. Die Dimensionen dieser Mega-Projekte stellen die Geotechnik vor neue Herausforderungen und erfordern zur Sicherstellung der Betriebssicherheit eine Erweiterung der bisherigen Kompetenzfelder um das Verständnis des Wärmetransports im Boden. In geotechnische Normenwerken finden sich hierzu lediglich in Verbindung zu Geothermie quantitative Angaben. Dies sorgt seitens der ausführenden Firmen für Unsicherheit hinsichtlich geeigneter Maßnahmen zur Einhaltung der geforderten Wärmeleitfähigkeiten, welche von der Elektrotechnik im Zuge der Trassen- und Kabelplanung vorgegeben werden. Darüber hinaus kommen am SüdLink für die höchsten Bettungsklassen zeitweise, fließfähige Verfüllbaustoffe (ZFSV) – auch als Flüssigböden bezeichnet – zum Einsatz, mit welchen zumeist nur begrenzt Erfahrungswerte vorhanden sind. Auf den folgenden Seiten soll deshalb beleuchtet werden, welche Schritte nötig sind, um vom Ausgangsmaterial zur dauerhaft hochwärmeleitenden Flüssigboden-Bettung als Systemkomponente einer kritischen Infrastruktur zu kommen.

Das dem Heft 68 zugrunde liegende Forschungsvorhaben „EnEff:Wärme: FW-ZFSV_4-0 - Fernwärmeleitungsbau 4.0 mit zeitweise fließfähigen selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen für niedrige und hohe Betriebstemperaturen“ (FW-ZFSV 4.0) wurde im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ vom Bundeswirtschaftsministerium für Energie und Klimaschutz über den Projektträger Jülich bewilligt und gefördert (FKZ 03EN3022). Die Bearbeitung erfolgte in einem Verbund aus AGFW-Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH, der GEF Ingenieur AG, Leimen, der Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg - Fakultät Bauingenieurwesen - Labor für Geotechnik, Regensburg und der HafenCity Universität Hamburg, Hamburg. Ziel des Vorhabens FW-ZFSV 4.0 war es, für den Bereich der Fernwärme Hemmnisse aufzugreifen, praktisch und angewandt zu untersuchen und Antworten auf Fragen zu liefern, die in der Planung und Praxis noch den Einsatz der technisch für den Fernwärmeeinsatz gut erforschten ZFSV als Alternative zur üblichen Verfüllung und Bettung mit Sand verhindern. Darunter fällt insbesondere die Absicherung des Langzeitverhaltens durch Untersuchungen in situ, die Ermöglichung der EDV-gestützten statischen Berechnung sowie die Beantwortung offener organisatorischer und genehmigungsrechtlicher Fragen. Mit den ausführlich dargestellten Projektergebnissen zu den oben genannten Themen sowie darüber hinaus ist es zukünftig möglich, ZFSV im Fernwärmeleitungsbau stark vereinfacht und sicher einzusetzen. Aus Sicht des Projektkonsortiums steht mit ZFSV ein weiteres, generell abgesichertes Bettungsverfahren für insbesondere Kunststoffmantelrohre (als dominierendes System in der Fernwärme) als Alternative zur Verfüllung mit Sand zur Verfügung, das in Zukunft hoffentlich umfangreiche Anwendung findet. Gleichzeitig wird damit und dadurch den allgemein bekannten Potenzialen von ZFSV bei der Bautechnik, der möglichen Kostenreduktion, der Reduktion des Einflusses von Baumaßnahmen auf Umgebung und Umwelt sowie bei der Ressourcenschonung weiter der Weg in der netzgebundenen Wärmeversorgung bereitet. Dies ist auch von erheblicher Bedeutung, da sich während der Projektlaufzeit gezeigt hat, dass sich die Anforderungen der Kreislaufwirtschaft an die Zulässigkeit natürlicher Rohstoffe wie Sand als Verfüllmaterial (Stichwort: Ersatzbaustoffverordnung) sowie die Konkurrenz um Sand als Rohstoff aktuell und zukünftig verschärfen.