Auch Fernwärmenetze stehen vor der Aufgabe, ihren Energieeinsatz und CO2-Fussabdruck zu optimieren. Ein probates Mittel hierzu ist die Senkung der Vorlauftemperatur. Um den Abnehmern dennoch stets eine ausreichende Wärmemenge zur Verfügung stellen zu können, sollten Leckagen im Netz so schnell wie möglich erkannt und beseitigt werden. Moderne Sensor- und Datenübertragungstechnik kann dazu einen entscheidenden Beitrag leisten.
Wärmenetze funktionieren grundlegend anders als Stromnetze. Durch die Trägheit des Systems können die Betreiber auf Lastveränderungen nicht kurzfristig mit einer Anpassung der Einspeisung reagieren. Stattdessen muss permanent genügend Wärmeenergie ins Netz eingespeist werden, um kurzfristige Verbrauchserhöhungen „abpuffern“ zu können. Das Vorhalten einer Puffermenge an Wärmeenergie ist unter Effizienzgesichtspunkten natürlich nicht optimal, gewährleistet jedoch eine zuverlässige Versorgung. Gleichzeitig liegt eine Minimierung der Puffermenge im wirtschaftlichen Interesse der Netzbetreiber. Ein Einflussfaktor für die Grösse des Puffers sind Wärmeverluste durch Leckagen – sprich Dampf- bzw. Wasseraustritte – im Leitungsnetz. Diese Leckagen kosten nicht nur Wärmeenergie und Heizwasser, sondern können auch beträchtliche Schäden an der eigenen Infrastruktur sowie an Fremdeigentum verursachen.
Moderne Sensor- und Datenübertragungstechnik spart Kosten
Weil bei Netzen mit Hunderten von Kilometern an Rohrleitungen und Tausenden von Schachtdeckeln Leckagen kaum gänzlich zu vermeiden sind, muss der Ansatzpunkt eine möglichst schnelle Erkennung, exakte Lokalisierung und Beseitigung dieser Leckagen sein.
„Möglichst schnell“ war bisher relativ: Konventionelle Methoden wie die Kontrolle der Schachtdeckel mit Wärmebildkameras – Dampfaustritte in den Versorgungskanälen sorgen für eine Temperaturerhöhung – stossen prinzipbedingt an Grenzen. Angesichts der genannten Dimensionen ist eine derartige Kontrolle auch mit erheblichem Personaleinsatz nur zeitlich grobmaschig möglich – z.B. alle zwei Wochen. Die Folge: Lecks bleiben im Extremfall in diesem Zeitraum unentdeckt.
Die Verbesserungspotenziale durch automatisierte Leckageüberwachung sind also evident. Deshalb wollte sich der Betreiber eines Fernwärmenetzes einer Schweizer Grossstadt nicht mit der Situation abfinden und initiierte eine Ausschreibung. Ihr Gegenstand: Sensoren zur Feuchte- und Temperaturmessung für die Schächte. Diese Sensoren sollten ihre Daten zudem drahtlos, also per Datenfunk, an die Backend-Systeme des Netzbetreibers übermitteln, wo die Messdaten zu einer netzweiten, automatisierten Leckageüberwachung integriert, ausgewertet und visualisiert werden.
Wirtschaftliche Lösung mit Standardkomponenten
Diese Anforderungen am besten erfüllen konnte die comtac AG. Sie misst und protokolliert Temperatur- und Feuchtewerte und überträgt die Daten mithilfe einer integrierten Sendeeinheit für Datennetze gemäss dem LoRa®-Standard. Beim „Long Range Wide Area Network“ (LoRaWAN®) handelt es sich um ein leitungsloses Low-Power-Übertragungsverfahren, das zwar nur vergleichsweise niedrige Bandbreiten ermöglicht, aber auf Energieeffizienz, hohe Reichweiten und gute Durchdringung von Bauwerken ausgerichtet ist.
Die Gesamtheit dieser Eigenschaften prädestiniert LoRa® – ähnlich wie eine Reihe anderer Low-Power-Netzwerke (LPN) – für Anwendungen zur Leckageüberwachung. Schliesslich können die Sensoreinheiten mit dieser Technik unter Normalbedingungen eine zuverlässige Datenübertragung aus den Schächten heraus gewährleisten. Dabei führen sie alle zwei Stunden eine Messung durch und übermitteln die Messwerte viermal am Tag. In diesem Modus funktioniert das Produkt im Batteriebetrieb deutlich länger als fünf Jahre, sodass ein Batteriewechsel ohne zusätzlichen Aufwand im Rahmen planmässiger Vorort-Inspektionen möglich ist.
Vorteile bei Energieeffizienz und Wartungskosten
Der Nutzen, der aus einer LPN-basierten Leckageüberwachung entsteht, wird im Beispielnetz überdeutlich: Leckagen werden im Normalfall schon nach wenigen Stunden zuverlässig erkannt, während die arbeitsaufwendige manuelle Kontrolle der Schachtdeckel mit Wärmebildkameras entfallen kann. Beseitigt man die Lecks dann zügig, sinken die Energieverluste, was wiederum – wie eingangs dargestellt – die Gesamteffizienz des Fernwärmenetzes positiv beeinflusst. Dieser Mechanismus greift unabhängig vom Standort in allen Fernwärmenetzen ähnlicher oder grösserer Dimension.
Mit anderer, ebenso serienmässig verfügbarer Hardware liessen sich die Möglichkeiten sogar noch erweitern. Dazu bietet die comtac AG für Überwachungs- und Steuerungsaufgaben von Infrastrukturnetzen aller Art den „Cluey“, einen flexibel konfigurierbaren Monitor und Controller. Ausgestattet mit den passenden Sensoren und einem Funkmodul für LoRa® oder andere Low-Power-Netzwerke kann das Gerät nicht nur Überwachungsaufgaben erledigen, sondern auch selbst Aktionen auslösen. Das können Schaltimpulse oder Alarme sein, die im Rahmen einer reinen Leckageüberwachung verzichtbar sind, im Rahmen breiter angelegter Lösungen für Infrastrukturüberwachung bis hin zu vorausschauender Wartung („Predictive Maintenance“) aber zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen.
