Temperierte Straße – Untersuchungen zur Realisation eines Demonstrators auf dem duraBASt

Straßenglätte ist eine Gefahr für den Straßenverkehr und eine Herausforderung für den Straßenbetriebsdienst. Der Einsatz von Tausalzen in sensiblen Streckenabschnitten gilt jedoch wegen der negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Infrastruktur als nicht zielführend und zukunftsträchtig. Als mögliche Alternative bietet sich eine Beheizung von glättegefährdeten Streckenabschnitten an, wie es bereits bei einzelnen Brücken realisiert ist. Auf Veranlassung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden nun die Voraussetzungen geschaffen, um auf dem duraBASt eine maßstabsgetreue Demonstrationsstrecke mit verschiedenen Untersuchungsabschnitten zur Temperierung der Straße einzurichten.

Konstruktionsprinzip des durchströmten Gesamtsystems (Bild: Schacht et al. 2014)

Aufgabenstellung

Auftretende Glätte in der Winterzeit bedeutet eine erhebliche Beeinträchtigung für den Straßenverkehr. In sensiblen Streckenbereichen kann der Einsatz von Tausalzen negative Auswirkungen auf die Umwelt und auf die Infrastruktur zur Folge haben und gilt daher nur bedingt als zukunftsträchtig. Eine mögliche Alternative könnte die Beheizung von glättegefährdeten Bereichen sein. Im Auftrag der BASt sollten nun technisch geeignete, innovative und umsetzbare Lösungsansätze unter Nutzung von Erdwärmesonden für die Temperierung erforscht werden. Beteiligte waren das Institut für Straßenwesen Aachen und der Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung, beide RWTH Aachen, sowie die Durth Roos Consulting GmbH, Bonn und die geoKOAX GmbH, Gräfelfing. Ziel war die Entwicklung des Gesamtkonzepts für ein geeignetes Straßentemperierungssystem. Dieses soll als Grundlage dienen, um den Bau einer maßstabsgetreuen Demonstrationsstrecke mit temperierten Untersuchungsabschnitten auf dem duraBASt zu realisieren.

Untersuchungsmethode

Die Bearbeitung des Projekts teilte sich in die drei Arbeitspakete Konzept Straßenbaukonstruktion, Konzept Gesamtsystem der Temperierung und Monitoringkonzept zum Nachweis der Wirkungsweise auf. Für den Aufbau der Straßenbefestigung wurden zwei Varianten unter Verwendung von Rohrleitungssystemen sowie drei Varianten mit einem Einbau einer durchströmten, polyurethangebundenen Zwischenschicht entwickelt. Dabei wurde sowohl die Korngröße als auch die Schichtdicke der Zwischenschicht variiert, um unterschiedliche Mengen und Fließgeschwindigkeiten des Wassers zur Temperierung in den Zwischenschichten zu validieren. Anschließend wurde anhand von Modellen untersucht, welche Variante den maximalen thermischen Gewinn verspricht. Zur Verfügung standen dafür die zuvor definierten Schichtparameter; die Informationen einer nahegelegenen Wetterstation flossen ebenfalls in die Berechnungen ein.

Auf der Basis der gewonnenen Werte erfolgte die Darlegung eines Gesamtsystems, in dem die Auslegung der Erdwärmesondenanlage festgelegt wurde. Anhand von Simulationsrechnungen erfolgte eine Bestimmung von Typ, Tiefe der Bohrungen für die Sonden sowie der erforderlichen Bauteile zur Sicherstellung der Temperierung für das Gesamtsystem. Ergänzend wurden Regelungskonzepte für die Anlage erarbeitet. Für den Nachweis der Wirksamkeit wurde ein Monitoringkonzept zur genauen Beobachtung der Untersuchungsabschnitte beschrieben.

Ergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte ein tragfähiges Systemkonzept für die Temperierung der Testfelder mittels Simulationsrechnungen erarbeitet werden. Das dazugehörige Regelkonzept zielt auf einen autonomen Betrieb ab und ermöglicht die Temperierung der Untersuchungsabschnitte im Anforderungsbereich. Die dafür notwendige Energie soll mittels eines erdwärmebasierten Wärmepumpensystems bereitgestellt werden. Dafür sollen insgesamt zehn Erdwärmesonden mit einer voraussichtlichen Länge von je 68 Metern eingesetzt werden. Nach gegenwärtigem Stand lassen die örtlichen Gegebenheiten am Standort des duraBASt die Nutzung von Erdwärme zu. Möglich sind somit die Entnahme von Wärmeenergie im Winter und die Rückführung von Wärmeenergie im Sommer. Die für die Analyse erforderlichen Daten werden durch Sensoren im Gesamtsystem erfasst, aufgezeichnet und anschließend wissenschaftlich ausgewertet.

Folgerungen

Die Untersuchung bildet die Grundlage für die Realisierung eines Demonstrators für temperierte Untersuchungsabschnitte auf dem duraBASt. Darüber hinaus sind die Ergebnisse von großer Bedeutung im Hinblick auf eine künftige Umsetzung von temperierten Streckenabschnitten im Straßennetz. Basierend auf der Wirkungsanalyse der Temperierung kann die Auslegung des Systems an die vorherrschenden Bedingungen angepasst werden. Weiterhin sollen die so ermittelten Erkenntnisse zukünftig in Dimensionierungsempfehlungen für temperierte Streckenabschnitte münden.