Wissenschaftsdialog 2019 Tagungsband - Netzausbau.de
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Wissenschaftsdialog 2019 Tagungsband
Wissenschaftsdialog 2019
Tagungsband
4 |
Inhalt
Vorwort 7
1 | Anwendungsszenarien für Augmented und Virtual Reality in Unternehmen 8
Anett Mehler-Bicher, Lothar Steiger
Einleitung 8
Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum 9
Augmented Reality 9
Virtual Reality 14
Technologiewahl 16
Fazit und Ausblick 17
2 | Erwärmung erdverlegter Kabelanlagen unter Berücksichtigung von Geometrie- und 18
Materialeigenschaften der Bettung
Ralf-Dieter Rogler und Carsten Loth
1 Untersuchungsgegenstand 18
2 Wärmeleitfähigkeiten von Bettungsmaterialien 18
3 Berechnungsverfahren zur Kabelbelastbarkeit 20
4 Statistische Versuchsplanung 22
5 Softwaretechnische Umsetzung 23
6 Einfluss von Verlegegeometrie und Bettungsmaterialien auf die Stromtragfähigkeit von Kabeltrassen 24
3 | Mortalitäts-Gefährdungs-Index (MGI) und BfN-Arbeitshilfe zur arten- u. gebietsschutzrechtlichen 28
Prüfung bei Freileitungsvorhaben – Entwicklung, Abstimmung und Validierung als Fachkonvention/
Fachstandard für die Planungspraxis
Dirk Bernotat
1 Einleitung 28
2 Methodik zur Bewertung von Tötungsrisiken mit Hilfe des Mortalitäts-Gefährdungs-Index (MGI) 28
3 Entwicklung und Abstimmung der MGI-Methodik als Fachkonvention/-standard 31
4 Fazit und Empfehlung für die Planungspraxis 37
4 | Chancen und Grenzen der Standardisierung im Gebiets- und Artenschutz 42
Dr. Katrin Wulfert
1 Einführung 42
2 Stand der „Standardisierung“ 42
3 Probleme, offene Fragen 44
4 Formen/Typen der Standardisierung 44
5 Fazit / Ausblick 46
5 | Public Acceptance in Sustainable Grid Development – A New Approach 48
Wenche Tobiasson and Tooraj Jamasb
BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019 | 5
6 | Die Bedeutung der Wasserrahmenrichtlinie in Genehmigungsverfahren beim Stromnetzausbau aus 50
rechtlicher und planerischer Sicht – die rechtliche Sicht
Dr. Jochen Hentschel
1 Kurzzusammenfassung 50
2 Einleitung 50
3 Rechtliche Verknüpfung des Netzausbaubeschleunigungsgesetzes/des Energiewirtschaftsgesetzes
und der Wasserrahmenrichtlinie bei der Planfeststellung 50
4 Rechtliche Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie 51
5 Wasserrechtliche Bewirtschaftungsziele 51
6 „Fachbeitrag Wasserrahmenrichtlinie“ 52
7 Ausblick und Überleitung auf das Ko-Referat 52
7 | Die Bedeutung der Wasserrahmenrichtlinie in Genehmigungsverfahren beim Stromnetzausbau mit 54
Erdkabeln – die planerische Sicht auf die Praxis
Dipl.-Geol. Christa Hüsges
1 Der rechtliche Rahmen 54
2 Der Betrachtungsansatz 54
3 Die Inhalte eines Fachbeitrages 54
4 Die betroffenen Wasserkörper 55
5 Die Einwirkungen des Vorhabens 55
6 Die Auswirkungen des Vorhabens 56
7 Die Dauer und Reichweite der Auswirkungen 56
8 Die Festlegung von Vermeidungsmaßnahmen 56
9 Die Durchführung der Auswirkungsprognose 57
10 Das Fazit zum Stromnetzausbau mit Erdkabeln 57
11 Der Fachbeitrag als Baustein der Vorhabenprüfung 57
Impressum 59
6 | Die Bundesnetzagentur begrüßt den Diskurs zum Netzausbau, der mit dem Wissenschaftsdialog entstanden ist. Die Autorenbeiträge setzen sich differenziert und durchaus auch kritisch mit der Energiewende und dem Netzausbau auseinander. Der Tagungsband ist als authentischer Dialog zu verstehen, dessen Inhalt nicht zwingend die Meinung der Bundesnetzagentur widerspiegelt. Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Die Autoren sind für ihre Beiträge selbst verantwortlich. Die Rechte an den Beiträgen liegen ebenfalls bei den Autoren bzw. den Urhebern der jeweiligen Werke.
VORWORT | 7
„Probleme kann man niemals mit derselben Denkweise
lösen, durch die sie entstanden sind.“
Albert Einstein
Vorwort
Als 2019 Akademiker aus vielen Teilen Deutschlands Die Auswahl fiel manchen Teilnehmenden nicht leicht:
und manchen anderen Ländern der EU zum Wissen- Während ein Forum neue Kommunikationstechniken
schaftsdialog in Bonn zusammentrafen, konnte noch vorstellte, behandelte ein parallel stattfindendes
niemand ahnen, welches Thema nur wenige Monate Forum Möglichkeiten zur Optimierung der Trassen-
später nicht nur die wissenschaftliche Welt in Atem breite.
halten würde.
Die Frage, wann Erkenntnisse aus Wissenschaft und
Inzwischen haben sich viele neue Prozesse etabliert, Praxis zur Fachkonvention werden, stellte sich
die vor nicht so langer Zeit kaum denkbar schienen: gleichzeitig mit der Frage nach der Zukunft trans-
Nicht nur an Hochschulen, auch in der Verwaltung europäischer Netzwerke.
gehört das Arbeiten von der eigenen Wohnung aus für
viele zum Berufsalltag. Auch Vorlesungen wurden und Die Bedeutung der Wasserrahmenrichtlinie wurde
werden vielfach online gehalten. Unfreiwillig hat die parallel zu Hochtemperatur-Supraleitern behandelt.
Corona-Pandemie damit der Digitalisierung einen
großen Vorschub geleistet. Wer nun den Tagungsband vor sich hat, hat den großen
Vorteil, sich nicht entscheiden zu müssen: Sie können
Ganz unter diesem Eindruck haben wir von der einfach alle Beiträge lesen.
Bundesnetzagentur zu Beginn des Jahres die Planun-
gen für unseren mittlerweile 8. Wissenschaftsdialog Eine informative und spannende Lektüre wünscht
kurzerhand umgeworfen und setzen nun erstmals
komplett auf ein Web-Format.
Wir sind gespannt, wie das bei Ihnen ankommt.
Sagen Sie es uns: info@netzausbau.de.
Aber vorher richten wir noch einmal den Blick zurück
auf den vergangenen Wissenschaftsdialog 2019, der Jochen Homann
noch in gewohnter Weise vor Ort stattfinden konnte. Präsident der Bundesnetzagentur
Der vorliegende Tagungsband gibt allen Teilnehmerin-
nen und Teilnehmern, aber auch allen, die nicht
teilnehmen konnten, die Gelegenheit, sich an die
vielen informativen Vorträge zu erinnern beziehungs-
weise sich darüber zu informieren, welche Themen
behandelt wurden.
8 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
1 | Anwendungsszenarien für Augmented und Virtual Reality
in Unternehmen
Anett Mehler-Bicher, Lothar Steiger
Einleitung
Inhalt
Die Energiewende und der damit verbundene Zubau ng Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR)
Inhaltsverzeichnis 8 sind Technologien, die an Bedeutung gewinnen und
kommerziell eingesetzt werden. Auch wenn theoreti-
Einleitung 8 sche Grundlagen beider Technologien schon zu
Beginn der 1990er Jahre entwickelt wurden, macht
Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum 9 die gestiegene Rechenleistung erst heute einen
flächendeckenden Einsatz möglich.
Augmented Reality 9
Beide Technologien sind keine vorübergehenden
Definition 9 Hypes. AR wird als eine der Technologien der
Zukunft gesehen, die in den nächsten Jahren von
Technische Grundlagen 9 besonderer Bedeutung sein werden. AR und VR
werden in allen Bereichen des alltäglichen Lebens
Status quo 10 auftreten und dieses beeinflussen.
Anwendungsszenarien 10 Oftmals ist es schwer, neue Technologien in Anwen-
dungsszenarien umzusetzen. Anhand verschiedener
Realisierungsstufen 11 Anwendungsszenarien ergeben sich Antworten auf
Einsatzmöglichkeiten und entsprechende Mehr-
Chancen und Risiken 13 werte.
Virtual Reality 14 Ziel dieses Beitrags ist, beide Technologien – Aug-
mented Reality und Virtual Reality – voneinander
Definition 14 abzugrenzen, technische Voraussetzungen zu
beschreiben, den aktuellen Entwicklungsstand
Technische Grundlagen 14 aufzuzeigen, geeignete Anwendungsszenarien
darzustellen und daraus Chancen und Risiken im
Status quo 14 Einsatz abzuleiten, um Wettbewerbsvorteile zu
generieren.
Realisierungsstufen 15
Nach der Einleitung werden die Grundlagen zu
Chancen und Risiken 16 Augmented und Virtual Reality dargestellt. Es wird
jeweils auf technische Grundlagen, Anwendungs-
Technologiewahl 17 szenarien, Status quo sowie Chancen und Risiken der
Technologie eingegangen. Die Herausforderungen
Fazit und Ausblick 17 beider Technologien für Entscheider werden disku-
tiert. Abschließend folgen Fazit und Ausblick sowie
Literatur 17 die wichtigsten Punkte in Kürze.
MEHLER-BICHER | STEIGER | ANWENDUNGSSZENARIEN FÜR AUGMENTED UND VIRTUAL REALITY IN UNTERNEHMEN | 9
Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum 1994). Bei Augmented Reality überwiegt der reale
Anteil, bei Augmented Virtuality der virtuelle Anteil.
Während man unter Virtual Reality die Darstellung Eine Unterscheidung zwischen Augmented Reality
und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und Augmented Virtuality findet heute in der Praxis
und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in selten statt. Ebenso werden die Termini Augmented
Echtzeit computergenerierten, interaktiven, virtuel- Reality und Mixed Reality oft synonym verwendet.
len Umgebung versteht und die reale Umwelt
demzufolge ausgeschaltet wird, zielt Augmented Augmented Reality
Reality auf eine Anreicherung der bestehenden
realen Welt um computergenerierte Zusatzobjekte. Definition
Im Gegensatz zu Virtual Reality werden keine
gänzlich neuen Welten erschaffen, sondern die Die Literatur verwendet meist die Definition zu
vorhandene Realität mit einer virtuellen Realität Augmented Reality von Azuma (Azuma, 1997),
ergänzt (Klein, 2009). wonach AR durch folgende Charakteristika definiert
ist:
• Kombination von virtu-
eller Realität und realer
Umwelt mit teilweiser
Überlagerung
• Interaktion in Echtzeit
• Dreidimensionaler
Bezug virtueller und
realer Objekte
Die Möglichkeit der
Interaktion mit den
computergenerierten
Abbildung 1: Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum nach
Zusatzobjekten wird als wesentlicher Aspekt von AR
(Milgram & Kishino, 1994)
gesehen; teils wird sogar weitergehender von der
Möglichkeit der Manipulation der Informationsele-
Eine einheitliche Definition zu AR gibt es in der mente gesprochen (Fraunhofer IGD, 2003). Der drei-
Literatur nicht (Milgram, Takemura, Utsumi, & dimensionale Bezug virtueller und realer Objekte ist
Kishino, 1994); meistens wird auf das „Realitäts-Vir- oftmals gerade im mobilen Bereich nicht gegeben
tualitäts-Kontinuum“ Bezug genommen. Dieses (Mehler-Bicher & Steiger, 2014).
postuliert einen stetigen Übergang zwischen realer
und virtueller Umgebung (Milgram & Kishino, 1994) Technische Grundlagen
(vgl. Abbildung 1).
Im Bereich AR werden die Termini Tracking und
Der linke Bereich des Kontinuums definiert Umge- Rendering häufig verwendet.
bungen, die sich nur aus realen Objekten zusam-
mensetzen. Der rechte Bereich hingegen definiert • Unter Tracking versteht man die Erkennung und
Umgebungen, die nur aus virtuellen Objekten Verfolgung von Objekten; auch Bewegungsge-
bestehen wie z. B. entsprechende Computerspiel- schwindigkeit sowie Beschleunigung oder Verzö-
Simulationen (Milgram, Takemura, Utsumi, gerung der Objekte lassen sich berechnen.
& Kishino, 1994).
• Rendering ist die Technik der visuellen Ausgabe,
Innerhalb dieses Frameworks wird Mixed Reality als d. h. der Kombination realer und virtueller
eine Umgebung definiert, in der reale und virtuelle Objekte zu einer neuen Szene.
Objekte in beliebiger Weise in einer Darstellung, d. h.
zwischen den beiden Extrempunkten des Kontinu-
ums liegend, kombiniert werden (Milgram & Kishino,
10 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
Beim visuellen Tracking
ist der Einsatz von Mar-
kern ein weitverbreitetes
Mittel. Marker müssen
optisch optimiert sein,
um perfekt von einem
Tracker erkannt zu wer-
den. Marker können
verschiedener Natur
sein:
• Code-Marker (künst-
liche Marker) wie z.B.
QR-Code.
• Texturmarker (Bild-
marker), d.h. natürliche
Marker wie z. B. foto-
grafierte Objekte, die
eine entsprechende
Abbildung 2: AR – ein generisches System nach (Mehler-Bicher & Steiger, 2014)
Animation auslösen.
Das Zusammenspiel von Tracking und Rendering ist
in Abbildung 2 dargestellt. Zudem lassen sich auch mittels Gesichts- oder
Körpererkennung entsprechende Animationen
Um AR-Anwendungen zu ermöglichen, ist es not- auslösen.
wendig, zunächst die reale Umgebung zu erfassen,
um diese dann um virtuelle Objekte zu ergänzen. Die Status quo
Software, die diese Aufgabe erfüllt, wird als Tracker
bezeichnet. Der Tracker soll die reale Umgebung und Darzustellende Szenarien werden in der Regel mit
gegebenenfalls darin befindliche Objekte erfassen Tablets oder Smartphones realisiert, da AR-Brillen bis
und den Blickwinkel des Betrachters und/oder die heute keine Marktreife erreicht haben. Innovative
Lage eines Markers im Raum möglichst genau und in Anwendungsszenarien, wie AR-Brillen z.B. Logistik-
Echtzeit erkennen und verfolgen (Mehler-Bicher & prozesse beschleunigen können, existieren bereits
Steiger, 2014). Eine perfekte Illusion wird dann er- (DHL, 2015) So hat DHL im Rahmen eines Pilotpro-
zielt, wenn die Integration der virtuellen Objekte in jekts erfolgreich den Einsatz von Datenbrillen
die reale Umgebung so genau wie möglich erfolgt. getestet. Beschäftigte wurden entsprechend aus-
Diese Genauigkeit hängt stets vom Anwendungsge- gestattet, um den Kommissionierungsprozess zu
biet ab (Klein, 2009). beschleunigen und Fehler zu reduzieren. Im Test
zeigte sich eine messbare Optimierung der Logistik-
Heutzutage nutzt man in der Regel ein visuelles prozesse (DHL, 2015).
Tracking. Dieses wird in der Regel mit einer Videoka-
mera realisiert und in zwei Schritten erreicht: Anwendungsszenarien
• Zuerst erfolgt eine Initialisierung, sprich das zu Unterschieden werden nach (Mehler-Bicher & Steiger,
trackende Muster wird im Kamerabild gesucht und 2014) folgende Anwendungsszenarien:
in der Orientierung berechnet. Der Marker muss
nicht orthogonal zur Kamera ausgerichtet sein. • Living Mirror
Beim Living Mirror erkennt eine Kamera das Gesicht
• Danach finden eine Verfolgung bzw. Antizipation des Betrachters und platziert lagegerecht dreidimen-
der möglichen Bewegung statt. Das durch die sionale Objekte auf dem Gesicht bzw. Kopf. Die
Orientierung verzerrte Bild wird über die nächsten Projektion erfolgt üblicherweise über einen großen
Bilder des Videos verfolgt und der zu untersuchen- Bildschirm oder einen Beamer, sodass ein Spiegel-
de Bereich eingeschränkt. effekt hervorgerufen wird.MEHLER-BICHER | STEIGER | ANWENDUNGSSZENARIEN FÜR AUGMENTED UND VIRTUAL REALITY IN UNTERNEHMEN | 11
• Living Print wahrgenommen werden. Mittels AR-Technologie
Dieses Szenario basiert auf dem Erkennen eines lässt sich dieses Ziel erreichen. Darüber hinaus ist es
Printmediums und entsprechender Augmentierung möglich, reale Objekte, die durch ihre reine Größe
(vgl. Abbildung 3). Dabei wird zwischen verschieden oder Komplexität nicht live „präsentierbar“ sind,
Printmedien unterschieden, seien es Sammel- bzw. darzustellen und sogar mit diesen zu interagieren.
Grußkarten (Living Card), Prospekte bzw. Broschüren
(Living Brochure) oder Verpackungsmaterialien • Living Meeting
(Living Object). Weitere Möglichkeiten bestehen in Durch die zunehmende Globalisierung finden immer
der Augmentierung von Büchern (Living Book) oder mehr Meetings als Tele- oder Videokonferenzen statt.
brettbasierten Spielen (Living Game). Mittels Augmented Reality kann man Tele- und
Videokonferenzen anreichern, sodass sie fast wie
reale Zusammentreffen
wirken.
• Living Environment
Alle AR-Anwendungen,
die mit mobilen Syste-
men reale Umgebungen
oder Einrichtungen mit
Zusatzinformationen
jeglicher Art wie Text,
2D-Objekten, 3D-Objek-
ten, Video- und Audio-
sequenzen erweitern,
bezeichnet man als
Living Environment.
Ziel ist grundsätzlich
eine zeitnahe Informati-
onsgewinnung (Time-
to-Content) des Benut-
zers allein dadurch, dass
Abbildung 3: Einsatz von Living Print unter Nutzung eines Code-Markers die Kamera ein oder
(Bildquelle: preality) mehrere Objekte erfasst
und dadurch entspre-
• Living Architecture chende Zusatzinformationen bereitgestellt werden.
Eine typische Anwendung im Architekturbereich Im Fall des Living Environment ist eine Kombination
ergibt sich, wenn ein Betrachter einen Eindruck eines mehrerer Sensoren möglich und oftmals gewünscht.
Raumes oder eines ganzen Gebäudes „erfahren“
möchte, indem er durch Bewegungen wie z. B. Obige Szenarien sind hinsichtlich ihres Anwen-
Drehen des Kopfes oder Gehen durch einen realen dungszwecks offen. Die Liste der Anwendungsszena-
Raum und weitere Aktionen wie z. B. Sprache oder rien ist nicht notwendigerweise vollständig, da sich
Gestik dessen Darstellung selbst bestimmt. durch technische Entwicklungen weitere Anwen-
dungsmöglichkeiten ergeben können.
• Living Poster
Unter einem Living Poster wird eine Werbebotschaft Realisierungsstufen
im öffentlichen Raum verstanden, die mit Augmen-
ted Reality um manipulative Informationselemente (Porter & Heppelmann, 2018) unterscheiden nach
erweitert wird. verschiedenen Realisierungsstufen, um unterschied-
liche Anwendungszwecke zu klassifizieren. Stufe 1 – 3
• Living Presentation werden wegen ihrer praktischen Relevanz vorgestellt.
Messestände und Präsentationen müssen immer
spektakulärer und interessanter werden, damit sie in
Zeiten der Informationsüberflutung überhaupt noch12 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
• Realisierungsstufe 1: Visualisierung und schlägt den nächsten Schritt vor. Eine Interak-
tion durch den Benutzer selbst z.B. mittels Sprach-
Mit Hilfe von AR lassen sich computergenerierte anweisungen ist in dieser Stufe nicht vorgesehen.
Objekte in die reale Umgebung projizieren. In dieser
Stufe ist der Benutzer ein passiver Betrachter einer - Zusätzlich zur visuellen Darstellung lassen sich
AR-Szene. Zusatzinformationen wie z.B. Videosequenzen oder
vertiefende CAD-Darstellungen situativ einblen-
Mögliche Anwendungen den.
- AR-animierte Printmedien wie z.B. Prospekte, - Ergänzend ist die Berücksichtigung von Prozess-
Kataloge, Verpackungen daten oder statistischer Informationen aus mög-
lich; dies erfordert jedoch entsprechende Schnitt-
- Einblenden technischer Informationen in das stellen zu den operativen IT-Systemen.
Gesichtsfeld eines Anwenders durch Headup-
Displays wie z.B. in PKW oder Flugzeug • Realisierungsstufe 3: Interaktion
- Lagegerechtes Einblenden touristischer Informati- Stufe 3 unterscheidet sich von Stufe 2 insoweit, dass
onen z.B. historischer Stätten wie Berliner Mauer das AR-Szenario nicht nach einem vorgegebenen
oder Tempel von Troja Muster abläuft, sondern die Sequenz der Teilschritte
durch den Benutzer selbst gesteuert wird. Dies kann
- Lagegerechtes Überlagern von Informationen aus sprach- oder gestengesteuert erfolgen. Steuerung
bildgebenden Verfahren in der Medizin zur über Eingabegeräte wie Maus, Tastatur oder Touch-
Unterstützung des Operateurs screen, aber auch per Mimik- oder Gestensteuerung
sind denkbar und von der jeweiligen Situation
• Realisierungsstufe 2: Anleitung und Kontrolle abhängig.
In dieser Stufe werden vorgefertigte Szenarien der Mögliche Anwendungen
Stufe 1 in eine logische Reihenfolge gebracht; der
Ablauf wird dabei durch die Veränderung des realen - Bei der Durchführung einer Konstruktion oder
Betrachtungsobjekts gesteuert. Reparatur erkennt das AR-System die aktuelle
Situation und gibt Handlungsanweisungen (vgl.
Mögliche Anwendungen Abbildung 4). Der Anwender steuert durch Einga-
ben den Ablauf, indem er Schritte überspringt oder
- Ein Wartungstechniker entfernt nach Anweisung Handlungsalternativen wählt.
ein Bauteil an einer Maschine; daraufhin erkennt
das AR-System die neue Situation, beurteilt diese
Abbildung 4: Interaktionsmöglichkeiten bei einer Reparatur (Bildquelle: Visometry und Fraunhofer IGD)MEHLER-BICHER | STEIGER | ANWENDUNGSSZENARIEN FÜR AUGMENTED UND VIRTUAL REALITY IN UNTERNEHMEN | 13
- Bei der Auswahl und Konfiguration von Einrich- Chancen und Risiken
tungsgegenständen im realen Raum (vgl. Abbildung 5)
kann die Position der Objekte lagegerecht im realen Die verschiedenen Anwendungsszenarien und
Raum erfolgen, was vor allem durch Visualisierung Realisierungsstufen zeigen deutlich die Potenziale,
der Größenverhältnisse eine Planung erheblich die AR bietet (Mehler-Bicher & Steiger, 2014):
vereinfacht.
• Schnelle Vermittlung von Inhalten (Time-to-
- Im Schulungsbereich lassen sich virtuelle Objekte Content)
im realen Raum projizieren und betrachten. Der
Benutzer wählt gezielt Objekte aus und kann diese Im Zuge der wachsenden Anzahl an Informationen
hinsichtlich Größe und Position im Raum verändern. wird die Suchzeit nach relevanten Informationen
immer wesentlicher; mittels Augmented Reality ist
Kombiniert man Anwendungsszenarien mit Realisie- eine schnelle Vermittlung von Inhalten möglich, was
rungsstufen (vgl. Tabelle 1), dann zeigt sich, dass in der Folge zu einer Reduktion von Suchzeiten führt.
insbesondere das Living Environment für die dritte
• Gleichzeitige Ansprache verschiedener Sinne
Die Steigerung der Emotionalität z. B. durch Bewegt-
bilder oder Musik und die daraus resultierende
Ansprache verschiedener Sinne unterstützt den
Kommunikationsprozess und vermittelt entspre-
chende Inhalte nachhaltiger.
• Erhöhung der Erfahrungs- und Vertrauenseigen-
schaften
Produkte und Dienstleistungen werden durch AR
erlebbar und begreifbar; dies gilt insbesondere auch
für komplexe Anwendungen im technischen Bereich.
Abbildung 5: Interaktionsmöglichkeiten bei einer
Konfiguration (Bildquelle: preality) • Parallelisierung verschiedener Tätigkeiten
Realisierungsstufe geeignet ist. Statische Elemente Durch Generierung und Visualisierung von Zusatzin-
zur Erzeugung von AR-Animationen wie z.B. Living formationen, die zur Verringerung der Komplexität
Print sind eher für die beiden ersten Realisierungs- verschiedener Tätigkeiten führen können, wird
stufen geeignet. Living Game mobile ist exkludiert, Multi-Tasking unterstützt; eine Parallelisierung
da sich hier keine wirtschaftlichen Nutzungsmög- verschiedener Tätigkeiten wird ermöglicht bzw.
lichkeiten ergeben. effizient unterstützt.
Anwendungsszenario Realisierungsstufe
Visualisierung Anleitung und Kontrolle Interaktion
Living Mirror geeignet geeignet
Living Print geeignet geeignet
Living Poster geeignet geeignet
Living Architecture geeignet geeignet geeignet
Living Presentation geeignet geeignet
Living Meeting geeignet geeignet geeignet
Living Environment geeignet geeignet geeignet
Tabelle 1: Kombination von Anwendungsszenarien und Realisierungsstufen14 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
• Kollisionserkennung realer und virtueller Objekte • Unter Immersion versteht man die Einbettung des
Nutzers in die virtuelle Welt, so dass die Wahrneh-
Gerade bei technischen AR Applikationen führt die mung der eigenen Person in der realen Welt ver-
verbesserte Kommunikation zu einer Verringerung mindert wird und der Nutzer sich als Person in der
möglicher Kollisionen und/oder Unfälle. virtuellen Welt fühlt. Durch eine hohe Anzahl
möglicher Interaktionen im System lässt sich eine
Augmented Reality wird als Informationsmehrwert hohe Immersion erzielen. (Grau, 2003)
zum täglichen Leben gehören und nicht nur das
Arbeitsleben beeinflussen, sondern auch das alltägli- • Eine virtuelle Welt gilt plausibel, wenn Interak-
che Verhalten verändern – ähnlich wie das Web. Wie tionen in ihr logisch und stimmig erfolgen (Slater,
die Gesellschaft mehrheitlich auf Augmented Reality 2007).
reagieren wird, ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht
beurteilbar (Mehler-Bicher & Steiger, 2014). In vielen • Interaktivität erzeugt die Illusion, dass virtuelle
Fällen überwiegt derzeit noch die Faszination, die Aktionen real passieren.
diese Technologie auf Betrachter ausübt. Kritik an AR
entzündet sich nicht an der Technologie an sich, • Wiedergabetreue liegt vor, wenn die virtuelle
sondern oftmals vor allem an der Benutzung einer Umgebung genau und realistisch gestaltet ist, also
Kamera im öffentlichen Raum. Eigenschaften einer natürlichen Welt abbildet und
dem Nutzer glaubwürdig erscheint.
Virtual Reality Um ein Gefühl der Immersion zu erzeugen, benötigt
man zur Darstellung virtueller Welten spezielle
Definition Ausgabegeräte (sog. Virtual-Reality-Headsets). Um
einen räumlichen Eindruck zu vermitteln, werden
Unter virtueller Realität (VR) versteht man die zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven
Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der erzeugt und dargestellt. Um das jeweilige Bild dem
Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften richtigen Auge zuzuführen, existieren verschiedene
in einer in Echtzeit computergenerierten, interakti- Technologien. Man unterscheidet aktive (z. B.
ven virtuellen Umgebung. Demnach sind diese Shutterbrillen) und passive Technologien (z. B.
virtuellen Welten zunächst in einem Rechner zu Polfilter).
erzeugen. (Lanier & Biocca, 1992)
Für die Interaktion mit der virtuellen Welt setzt man
Im Gegensatz zu AR, bei der die Anreicherung der spezielle Eingabegeräte wie z.B. 3D-Maus, Daten-
Realität im Vordergrund steht, lassen sich bei handschuh oder Flystick ein. Bei einigen Eingabege-
VR-Anwendungen gänzlich neue Umgebungen räten erhält der Benutzer eine Kraftrückkopplung auf
erschaffen. Grundsätzlich lassen sich auch hier reale Hände oder andere Körperteile, so dass er sich durch
Umgebungsbilder mittels einer Kamera einbeziehen Haptik und Sensorik als weitere Sinnesempfindung
(Mixed Reality). Die Darstellung des Bildes erfolgt in der dreidimensionalen Welt orientieren und
aber ausschließlich durch Projektion. Diese Projek- realitätsnahe Simulationen durchführen kann.
tion erfolgt stereoskopisch, d.h. je ein Bild auf jedes
Auge, um einen räumlichen Eindruck zu erzeugen. In Status quo
der Regel werden Szenen dargestellt, die in ihrer
Gesamtheit virtuell sind, d.h. zwei- bzw. dreidimensi- Die Bandbreite bei VR-Systemen reicht heute von
onale Objekte, die im Rechner generiert werden. Mobile VR bis hin zu High-End VR. Typische High-End
Dadurch ergeben sich unzählige Möglichkeiten der VR-Systeme erfordern einen leistungsfähigen Rechner,
Darstellung und Simulation. Vor allem im Spielebe- eine Hochleistungsgraphikkarte sowie eine hochauflö-
reich (VR Games) sind bereits heute viele Anwendun- sende Datenbrille. Zudem arbeitet man oftmals mit
gen verfügbar. (Mehler-Bicher & Steiger, 2018) Controllern oder Lasersensoren, so dass eine freie
Bewegung im Raum möglich ist. Seit 2018 kommen
Technische Grundlagen zunehmend Mobile VR-Systeme auf den Markt, bei
denen Rechner sowie Hochleistungsgraphikkarte
Eine virtuelle Realität muss Anforderungen hinsichtlich direkt in der Datenbrille verbaut sind. Die Rechen-
Immersion, Plausibilität, Interaktivität und Wieder- leistung von Smartphones ist in den letzten Jahren
gabetreue erfüllen (Dörner, Broll, Grimm, & Jung, 2019): zwar gestiegen, aber bei weitem noch nicht aus-MEHLER-BICHER | STEIGER | ANWENDUNGSSZENARIEN FÜR AUGMENTED UND VIRTUAL REALITY IN UNTERNEHMEN | 15
reichend, um gänzlich neue Szenen in Echtzeit zu selbständig seine Position ändern, um sich die
berechnen und darzustellen. Da der Begriff VR zurzeit Objekte näher zu betrachten. Dies kann z.B. das
in aller Munde ist und die Smartphone-Hersteller Innere eines Reaktors oder die Herzkammer eines
händeringend nach neuen Anwendungsbereichen Patienten sein.
suchen, wird VR immer dann – missbräuchlich –
benutzt, wenn die Projektion direkt in den Sichtbereich - Virtuelle Rundgänge durch Gebäude oder Anlagen
des Benutzers erfolgt. Idee ist nun, Technologien direkt mit Anleitungscharakter
in das Smartphone-Betriebssystem zu integrieren, mit
deren Hilfe Nutzer in virtuelle Welten eintauchen • Realisierungsstufe 3: Interaktion
können. Möglich sind z.B. Cardboard-Brillen, in denen
das Display eines eingelegten Smartphones Bilder wie Stufe 3 unterscheidet sich von Stufe 2 insoweit, dass
in einem Stereoskop erzeugt. das VR-Szenario nicht nach einem vorgegebenen
Muster abläuft, sondern die Steuerung insgesamt und
Realisierungsstufen damit auch die der Teilschritte durch die Benutzer
selbst erfolgt. Dies kann sprach- oder gestengesteuert
Im Bereich Virtual Reality lassen sich wie bei erfolgen. Eine Steuerung über Eingabegeräte wie
Augmented Reality drei Realisierungsstufen, die Maus, Tastatur oder Touchscreen ist ebenfalls
verschiedene Anwendungsszenarien bedingen, denkbar und von der jeweiligen Situation abhängig.
unterscheiden:
Mögliche Anwendungen
• Realisierungsstufe 1: Visualisierung
- Im Schulungsbereich kann der Betrachter die darge-
Mit Hilfe von VR lassen sich computergenerierte stellten Objekte nicht nur betrachten, sondern
Objekte in eine virtuelle, computergenerierte diese auch „anfassen“ oder durch andere Eingaben
Umgebung projizieren. In dieser Stufe ist der Benut- manipulieren. Dadurch wird der Betrachter zum
zer passiver Betrachter einer VR-Szene. Akteur innerhalb der Szene.
Mögliche Anwendungen - Produktdesigner oder Künstler entwickeln Objekte
oder verändern diese (z.B. ein PKW- oder Fahrrad-
- Virtuelle Rundgänge z.B. durch computergene- Modell) im virtuellen Raum (vgl. Abbildung 6). Dies
rierte Gebäude oder technische Anlagen kann auch kollaborativ im Kollektiv erfolgen.
- Betrachtung und Untersuchung von Objekten aus - Bei einer VR-Anwendung ist – unabhängig von der
bildgebenden Verfahren in der Medizin, um beispiels- Realisierungsstufe – der virtuelle Raum in der
weise eine Operation vorzubereiten Regel begrenzt; diese Größe beträgt in der Regel ca.
3 x 3 Meter.
- Teilhabe an einem künstlerischen Prozess wie z.B.
virtuelle Verfolgung des Prozesses zur Erstellung Chancen und Risiken
eines 3D-Kunstwerks aus selbstgewählten Positionen
Den kommerziellen Durchbruch werden VR-Anwen-
• Realisierungsstufe 2: Anleitung und Kontrolle dungen im Games-Bereich schaffen; Computerspiele
In dieser Stufe werden vorgefertigte Szenarien der
Stufe 1 in eine logische Reihenfolge gebracht. Der
Ablauf wird – anders als bei AR – nicht durch die
Veränderung des realen Betrachtungsobjekts
gesteuert, sondern durch die Veränderung der
virtuellen Objekte. Deshalb ist dies eher ein linearer
Prozess, der im Zeitablauf relativ starr ist.
Mögliche Anwendungen
- Im Schulungsbereich werden Umgebungen und Abbildung 6: Konstruktionssimulation
Vorgänge simuliert. Der Betrachter kann (Bildquelle: Flying Shapes)16 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
waren schon immer Technologietreiber im Rechner- Technologiewahl
bereich. Hohe Auflösung und schneller Bildaufbau
sind Leistungskriterien solcher Spiele, was hohe Rech- Augmented Reality und Virtual Reality weisen
nerleistung und schnelle Graphikkarten ermöglichen. hinsichtlich der Realisierungsstufen viele Gemein-
Außerdem lässt sich nur in diesem Bereich eine hohe samkeiten auf, dennoch unterscheiden sie sich in den
Stückzahl am Markt absetzen, was zwingend notwen- Anwendungsmöglichkeiten. Zu prüfen ist daher
dig ist, um einen akzeptablen Marktpreis für VR-Bril- zuerst, ob man eine Anwendung der erweiterten oder
len zu erreichen, so dass VR-Equipment auch im der virtuellen Realität umsetzen möchte. Prüfkrite-
Unternehmensumfeld interessant werden kann. Im rien sind vor allem Simulation von Situationen, ihre
technisch-wissenschaftlichen Bereich ergeben sich Verfügbarkeit sowie ihr Gefährdungspotenzial,
durch diese Technologie auch interessante Anwen- Notwendigkeit der Einbettung in Realität, Aufwand
dungsmöglichkeiten, die aber zahlenmäßig eine und Kosten. Eine entsprechende Einordnung erfolgt
untergeordnete Rolle spielen werden. Der Aufwand in Tabelle 2 (vgl. (Mehler-Bicher & Steiger, 2020)).
zur Umsetzung virtueller Realitäten ist sehr hoch und
wird im Unternehmensumfeld häufig dazu führen, Betrachtet man die Reparatur einer Anlage, dann
dass man von einer entsprechenden Realisierung bietet sich Augmented Reality an. Die Notwendigkeit
Abstand nimmt. der Einbettung in die Realität ist gegeben; Funkti-
onsfähigkeit, also eine Alltagssituation, ist zu
Der Vorteil einer VR-Anwendung – Erzeugung erzielen. Ebenso ist die Verfügbarkeit der Anlage
vollkommen virtueller Umgebungen – wird gleichzei- gegeben und es liegt kein Gefährdungspotenzial vor.
tig mit einem großen Nachteil erkauft. Da das Anders sieht es z.B. bei einem Flugsimulator aus. In
menschliche Gleichgewichtssystem ständig versucht, dieser virtuellen Welt sollen vor allem Ausnahmesi-
die visuellen Informationen der Augen mit den tuationen geübt werden, die in der Realität selten
Informationen des Gleichgewichtsorgans in Einklang auftreten, dann aber ein hohes Gefährdungspotenzial
zu bringen, führt dies bei Kopf-, besonders aber bei aufweisen.
Körperbewegungen oftmals zu Übelkeit (motion
sickness) und in der Regel zum Verlust der Balance. Hat man eine Entscheidung zwischen Augmented
Dieses Problem schmälert die Nutzbarkeit derartiger und Virtual Reality getroffen, muss man die Realisie-
Systeme erheblich. rungsstufe klären: Reicht eine Visualisierung (Stufe
1), bewegt man sich eher im Bereich Anleitung und
Die freie Bewegung in einem virtuellen Raum mit Kontrolle (Stufe 2) oder ist eine Anwendung zur
gleichzeitiger Interaktion mit virtuellen Gegenstän- Interaktion (Stufe 3) notwendig?
den ist nur eingeschränkt möglich, zumal Rechner- Je höher die Realisierungsstufe ist, desto größer sind
und Grafikleistung auch am Körper des Agierenden Entwicklungs- und Schulungsaufwand sowie damit
verbaut werden müssen. Solange diese Probleme nicht verbundene Kosten. Hat man sich für Augmented
gelöst sind, ist man von der Zukunftsvision des Reality entschieden, ist nun in Abhängigkeit der
Holodecks aus Raumschiff Enterprise noch weit Realisierungsstufe noch ein passendes Anwendungs-
entfernt. szenario zu wählen.
Kriterium Augmented Reality Virtual Reality
Simulation von Situationen Alltagssituationen Ausnahmesituationen
Verfügbarkeit von Situationen hoch Ausnahmen, in der Realität selten
auftretend
Gefährdungspotenzial von kein gering bis hoch
Situationen
Notwendigkeit der Einbettung in ja nein
Realität
Aufwand zur Erstellung gering bis mittel hoch
Kosten zur Erstellung gering bis mittel hoch
Tabelle 2: Prüfkriterien zur TechnologieauswahlMEHLER-BICHER | STEIGER | ANWENDUNGSSZENARIEN FÜR AUGMENTED UND VIRTUAL REALITY IN UNTERNEHMEN | 17
Anwendungen im AR und VR Bereich stehen und fallen
mit dem generierten Mehrwert. Natürlich erfordert die Literatur
Umsetzung einer AR- oder VR-Anwendung entspre-
chenden Entwicklungsaufwand, der nicht zu unter- Azuma, R. (1997). A Survey of Augmented Reality. Abgerufen
schätzen ist. Sehr viel wichtiger ist aber, dass in die am 31. März 2020 von http://www.cs.unc.edu/~azuma/
Konzeption der Anwendung einerseits so viel Kreativität ARpresence.pdf
wie nötig und andererseits so viel Pragmatismus wie
DHL. (2015). DHL testet erfolgreich Augmented Reality-
möglich fließen, so dass die Anwendung später den
Anwendung im Lagerbetrieb. Abgerufen am 04. April 2020
notwendigen Mehrwert liefert.
von https://www.dpdhl.com/de/presse/pressemitteilun-
gen/2015/dhl-testet-augmented-reality-anwendung.html
Fazit und Ausblick
Dörner, R., Broll, W., Grimm, P., & Jung, B. (2019). Virtual und
AR- und VR-Anwendungen stehen vor dem wirtschaftli- Augmented Reality (VR/AR): Grundlagen und Methoden der
chen Durchbruch und werden zunehmend für Unterneh- Virtuellen und Augmentierten Realität. Berlin.
men interessant. Seit 2015 stellen verschiedene Anbieter
AR- wie auch VR-Brillen vor; teils liegen bereits Brillen in Fraunhofer IGD. (2003). Abgerufen am 07. April 2020 von
der zweiten Generation vor und werden zunehmend Studie des ARToolKits für Collaborative Augmented Reality.:
alltagstauglicher. http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-18716.html
Grau, O. (2003). Virtual Art. From Illusion to Immersion.
Trotz der Gemeinsamkeiten, die Augmented Reality und Cambridge.
Virtual Reality hinsichtlich der Realisierungsstufen
aufweisen, muss im Unternehmen zunächst Klarheit Klein, G. (2009). Visual Tracking for Augmented Reality:
darüber bestehen, welche Technologie verfolgt werden Edge-based Tracking Techniques for AR Applications.
soll. Ist diese Entscheidung getroffen, dann sind in Saarbrücken.
weiteren Schritten Realisierungsstufe und gegebenenfalls
Lanier, J., & Biocca, F. (1992). An Insider‘s View of the Future
Anwendungsszenario zu wählen.
of Virtual Reality. Journal of Communication, S. 150.
Beide Technologien bieten eine Vielzahl von Chancen, Mehler-Bicher, A., & Steiger, L. (2014). Augmented Reality -
weisen aber zugleich Risiken und Grenzen auf. Ein Theorie und Praxis, 2. Auflage. München.
Problem heute ist die in der Regel fehlende Integration
entsprechender Anwendungen in die Unternehmens-IT- Mehler-Bicher, A., & Steiger, L. (2018). Augmentierte und
Landschaft. Mit dem vermehrten Auftreten entsprechen- Virtuelle Realität. In A. Hildebrandt, & W. Landhäußer, CSR
der AR- und VR-Anwendungen werden sukzessive und Digitalisierung (S. 127-142). Berlin.
Lösungen hierzu entwickelt werden.
Mehler-Bicher, A., & Steiger, L. (2020). Augmented und
Virtual Reality. In M. Lang, & M. Müller, Von Augmented
Ein weiteres Problem ist die Nutzung von AR und VR
Reality bis KI. München.
Applikationen, die über das Internet und insbesondere in
der Cloud bereitgestellt werden. Bei fehlender Bandbreite Milgram, P., & Kishino, F. (1994). A Taxonomy of Mixed
sind diese nur bedingt einsetzbar. Ein zügiger Ausbau der Reality Visual Displays. IEICE Transactions on Information
Bandbreiten, um AR wie auch VR umfassend nutzen zu and Systems, Special Issue on Network Reality, E77 - D (12).
können, ist daher zwingende Notwendigkeit.
Milgram, P., Takemura, H., Utsumi, A., & Kishino, F. (1994).
Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-Vir-
Von hoher Relevanz ist heute vor allem, dass Unterneh-
tuality Continuum. Telemanipulator and Telepresence
men bezüglich AR und VR nicht den Trend der Zeit ver-
Technologies, S. 282-292.
passen und gegebenenfalls nicht mehr marktfähig oder
konkurrenzfähig sind. Dies wird insbesondere kleine und Porter, M., & Heppelmann, J. (2018). Eine Brücke zwischen
mittlere Unternehmen vor große Herausforderungen digitaler und physischer Welt. Harvard Business (Februar), S.
stellen. 2-21.
Slater, M. (2007). Place Illusion and Plausibility Can Lead to
Realistic Behaviour in Immersive Virtual Environment.
Abgerufen am 04. April 2020 von http://www0.cs.ucl.ac.uk/
staff/m.slater/Papers/rss-prepublication.pdf18 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
2 | Erwärmung erdverlegter Kabelanlagen unter
Berücksichtigung von Geometrie- und
Materialeigenschaften der Bettung
Ralf-Dieter Rogler und Carsten Loth
1 | Untersuchungsgegenstand
In Übertragungsleitungen verursacht der Stromfluss
eine Verlustleistung, die zur Erwärmung der Leitung
führt. Gemäß DIN VDE 0276 Teil 1000 darf diese
Leistung nur so groß sein, dass sich das Betriebsmittel
im Nennbetrieb zu keinem Zeitpunkt und an keiner
Stelle über die zulässige Betriebstemperatur erwärmt
[1]. Erreicht das umgebende Erdreich eine spezifische
Grenztemperatur, so kann es zu einer Austrocknung
des Erdreichs kommen. [2]. Dabei verringert sich
die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, und es droht
eine thermische Überbeanspruchung der Leitungen.
An der HTW Dresden wurden in den letzten Jahren
Versuchsstände etabliert mit welchen man die
thermischen Eigenschaften von Erdböden und
Bettungsmaterialien experimentell bestimmen kann.
Kennt man die genauen thermischen Eigenschaften des
Erdreichs und der Bettungsmaterialien, so ist eine gezielte
Gestaltung des Trassenaufbaus möglich. Dabei lässt
sich vor allem die Trassenbreite signifikant reduzieren.
Obwohl zusätzliche Kosten für die eingesetzten Bettungs-
materialien aufkommen werden, können durch einge- 2 | Wärmeleitfähigkeiten von
sparte Aushubarbeiten beim Trassenbau die Gesamtkosten Bettungsmaterialien
der Kabelanlage reduziert werden. Anhand eines Regel-
grabenprofils (s. Abbildung 1) sollen im Weiteren die Aus- 2.1 Grundlagen
wirkungen von Bettungsmaterialien und der Trassen- Bei erdverlegten Leitungen bildet sich entlang des
breite auf die Strombelastbarkeit aufgezeigt werden. negativen Temperaturgradienten ein Wärmestrom
zur Erdoberfläche hin aus. Die kabelnahen Boden-
schichten werden dabei wärmer als kabelferne
Abbildung 1: Bodenschichten.
Regelgrabenprofil Das im Erdboden gespeicherte
Wasser fängt an zu verdampfen und wandert in
kühlere Bodenschichten. Durch Kapillarkräfte im
Erdreich wird das kondensierte Wasser wieder in die
Teilsystem 1B Teilsystem 1A Teilsystem 2A Teilsystem 2B
Schichten höherer Temperatur zurückbewegt. Wird das
Stromkreis 1 Stromkreis 2
Erdreich über eine spezifische Grenzübertemperatur
Abbildung 1: Regelgrabenprofil (Temperaturdifferenz zum ungestörten Erdreich) hinaus
erwärmt, gerät dieses Wechselspiel ins Ungleichgewicht
und der Erdboden trocknet partiell aus (s. Abbildung 2).
In den ausgetrockneten Bereichen des Erdreichs sinkt
die Wärmeleitfähigkeit signifikant. In der DIN VDE 0276
sind für das Erdreich folgende Standardwerte angesetzt:ROGLER | LOTH | ERWÄRMUNG ERDVERLEGTER K ABELANLAGEN | 19
IBC
Trage-
konstruktion
Feuchte-
messung
Wärme-
quelle
Temperatur-
messung
Abbildung 3: Übersicht Komponenten im Versuchsstand
Abbildung 2: Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs nach
DIN VDE 0276-1000
• Wärmeleitfähigkeit feucht: 1,0 W/(m K) durchgeführt. Als kugelförmige Wärmequelle diente
• Wärmeleitfähigkeit trocken: 0,4 W/(m K) eine Vollkugel aus Eisen mit einem Durchmesser von
• Grenzübertemperatur: 15,0 K 10,0 cm. Um diese gleichmäßig zu erwärmen, wurde eine
Der Boden wird im Weiteren als VDE-Sand bezeichnet. zylindrische Heizpatrone eingebaut. Zum Schluss wurde
der Container mit den Bettungsmaterialien gefüllt und
2.2 Versuchsstände die Messung gestartet.
An der HTW Dresden wurden die thermischen
Eigenschaften in 8 Versuchsständen von Sand- 2.3 Versuchsergebnisse
mischungen und Flüssigböden gemessen. Die Die Versuchsdauer der einzelnen Proben betrug
Versuchsstände sind eine annähernd kugelförmige ca. 3 bis 4 Monate. Nach dieser Zeit hatte sich ein
Anordnung, wodurch bei jedem Versuchsstand keine stationärer Zustand eingestellt und die Bestimmung der
Kalibrierung notwendig war, da der mittig eingebrachte thermischen Parameter konnte durchgeführt werden.
Wärmestrom vollständig durch das zu untersuchende Mithilfe der Temperaturen können über folgende
Material führte. Als Basis der Versuchsstände Formel die thermischen Widerstände der einzelnen
dienten Intermediate Bulk Container (IBC) mit einer Kugelschalen berechnet werden:
Kantenlänge von ca. 1,0 m. Im Zentrum der Container
wurde eine Wärmequelle eingebracht, welche den
Wärmestrom strahlenförmig in jede Richtung
gleichmäßig abführt. Radial von der Wärmequelle
wurden Messsensoren zur Bestimmung der Feuchte-
und Temperaturverteilung angebracht
(s. Abbildung 3).
Für die Temperaturmessung wurden Thermoleitungen So lässt sich für jede Kugelschale die Wärmeleitfähigkeit
des Typs K (NiCr-Ni) nach DIN EN 60584-3 verwendet. l bestimmen:
Die Enden der Thermoleitungen wurden mit Aderend-
hülsen verbunden und am GFK-Rohr verklebt. Pro
Container wurden 4 derartiger Messsonden verbaut.
Die Erfassung der Feuchteverteilung wurde indirekt
über den elektrischen Widerstand des Bodens durch
eine Strom- und Spannungsmessung bestimmt. Für die
Messsonden wurden Kupferplättchen auf ein GFK-
Rohr aufgeschoben und jeweils an eine Messleitung
angeschlossen. Die Messung des elektrischen Wider-
standes wurde jeweils zwischen 2 dieser Plättchen20 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
Kommt es zur Austrocknung der Probe, sinkt die Wärme- des feuchten und trockenen Bodens. Im Vergleich zum
leitfähigkeit und man erhält an dieser Stelle die Grenz- VDE-Sand zeigen alle untersuchten Böden deutlich
übertemperatur und die beiden Wärmeleitfähigkeiten bessere thermische Eigenschaften (s. Tabelle 1)
Boden Wärmeleitfähig- Wärmeleitfähig- Grenzüber- Wärmeüber-
keit feucht keit trocken temperatur (K) gangskoeffizient
(W/mK) (W/mK) (W/m²K)
VDE-Sand 1,00 0,40 15,0
Sandiger Boden 1,92 0,98 12,0 106
Flüssigboden (Lößlehm) 1,33 318
mit thermisch
stabilisiertem Bentonit
Flüssigboden (Rotlagen- 2,61 159
kies) mit Bentonit
Flüssigboden (Rotlagen- 2,30 318
kies) mit thermisch
stabilisiertem Bentonit
Flüssigboden (Mergel) 1,57
mit thermisch
stabilisiertem Bentonit
Flüssigboden (Sand) 2,02 318
mit thermisch
stabilisiertem Bentonit
DuoFill 2,62 80
Sandmischung 2,41 1,04 29,2 292
(HeidelbergCement)
Mibau Granodiorit 1,53 0,70 35,4 168
Mibau Quarzdiorit 2,34 265
Köster-ThermBett 3,58 245
Tabelle 1: Messergebnisse der Bodenuntersuchungen
3 | Berechnungsverfahren zur Kabel-
belastbarkeit
3.1 Wärmenetz erdverlegter Kabel Größe elektrisch thermisch
Die mathematisch-physikalische Beschreibung des
thermischen Verhaltens einer erdverlegten Leitung Strom I P
basiert auf der Analogie zwischen dem elektrostatischen Potenzial j J
Feld und dem Wärmeströmungsfeld. Sowohl in der Wärme-
technik als auch in der Elektrotechnik können die Über- Potenzialdifferenz Uj DJ
tragungsmechanismen über Material- und Feldgrößen
Widerstand R RTh
beschrieben werden.
Leitwert k l
Es können entsprechende Größen aufgelistet werden
Kapazität C CTh
(s. Tabelle 2). Da die Quellen und Widerstände i.d.R. nicht-
linear sind, müssen für die Lösung eines Wärmenetzes Tabelle 2: Analogie zwischen elektrischen und
iterative Lösungsverfahren angewendet werden [3]. thermischen GrößenROGLER | LOTH | ERWÄRMUNG ERDVERLEGTER K ABELANLAGEN | 21
Die ohmschen und dielektrischen Verluste PV,Le, PV,Iso 3.2 Berechnung des thermischen Erdboden-
und PV,Sch (s. Abbildung 4) werden durch Wärmequellen widerstandes
beschrieben. Diese werden über Wärmeleitungs-, Mit heutigen leistungsfähigen FEM-Programmen ist es
Konvektions- und Strahlungswiderstände mit der möglich, komplette Kabeltrassen mit einer thermischen
unbeeinflussten Erdbodentemperatur J0 verbunden und elektromagnetischen Kopplung zu berechnen (s.
(s. Abbildung 4). Der thermische Widerstand der Abbildung 5). Im Regelgrabenprofil gibt es 2 separate
Kabelisolation, des Kabelmantels und durch des Stromkreise, wobei jeweils 2 Drehstromsysteme mitein-
Schutzrohres kann als Zylinderanordnung berechnet ander verbunden sind. So teilt sich je nach Impedanz der
werden mit: zu übertragende Gesamtphasenstrom
für den Stromkreis 1 auf die jeweiligen Leiter im
Teilsystem 1B und 1A auf.
Es kommt je nach Verlegeanordnung dazu, dass Phase L1
aus Teilsystem 1A einen abweichenden Strom führt als
Phase L1 aus Teilsystem 1B. Für die Berechnung wurden
Für den thermischen Widerstand zwischen Kabelmantel folgende Parameter angenommen:
und Schutzrohr kann allgemein folgende Gleichung • Wärmeleitfähigkeit Bettung feucht: 2,4 W/(m K)
angesetzt werden: • Wärmeleitfähigkeit Bettung trocken: 1,0 W/(m K)
• Grenzübertemperatur Bettung: 30,0 K
• Thermische Eigenschaften des Erdreichs nach DIN
VDE 0276
• Unbeeinflusste Erdbodentemperatur: 15,0 °C
Während es sich bei den Wärmeleitwiderständen RL bei Aus dem sich einstellendem Temperaturfeld sind
konstanter Wärmeleitfähigkeit l um lineare Wider- folgende Aussagen möglich (s. Abbildung 5):
stände handelt, ist die Wärmeübertragung zwischen • Die innenliegenden Phasen jedes Teilsystems sind die
Kabelmantel und Schutzrohr mit nichtlinearen Kon- thermisch kritischsten Stellen des gesamten Kabel-
vektions- und Strahlungswiderständen, aufgrund profils
der Temperaturabhängigkeit der Wärmeübergangs- • Die innenliegenden Teilsysteme sind aufgrund der
koeffizienten, beschrieben. Für den Erdbodenwiderstand elektromagnetischen Kopplung stärker belastet als die
RL,Erde gibt es für bestimmte Verlegeanordnungen äußeren Teilsysteme
analytische Berechnungsgleichungen. Kommen • Werden tieferliegende Grundwasserschichten nicht
Bettungsmaterialien zum Einsatz und haben diese berücksichtigt, können sich weiträumige Trocken-
im Vergleich zum umgebenden Erdreich andere schichten des Erdreichs ausbilden.
thermische Eigenschaften, so können diese analytischen Der Nachteil solcher FEM-Rechnungen liegt im nicht zu
Gleichungen nicht mehr verwendet werden. unterschätzendem Modellierungs- und Berechnungs-
aufwand.
Abbildung 4: Thermisches Netzwerk eines erdverlegten Kabels in einem Schutzrohr22 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
Abbildung 5: Temperatur- (oben) und Wärmeleitfähigkeitsverteilung (unten)
Über eine statistische Versuchsplanung kann der rameter, der thermischen Eigenschaften der Bettung
thermische Erdbodenwiderstand in Abhängigkeit der und des Erdbodens und der
thermischen Bodeneigenschaften und Verlegegeometrie Verlustleistung durch zugeschnittene Gleichungen be-
in einer zugeschnittenen Gleichung in festgelegten stimmt. Der Vorteil der statistischen Versuchsplanung
Parametergrenzen berechnet werden. liegt in der Reduzierung des Gesamtaufwandes der zu
untersuchenden Parameterkombination, um ein
unbekanntes System näherungsweise zu beschreiben.
4 | Statistische Versuchsplanung
Betrachtet man ein Drehstromsystem (s. Abbildung 6),
Mittels einer statistischen Versuchsplanung (engl. ergeben sich neben 5 geometrischen Parametern:
Design of Experiments = DoE) wurden für eine • Verlegetiefe t
verschiedene Anzahl an verlegten Kabelsystemen die • Phasenabstand a
Erdbodenwiderstände in Abhängigkeit der Verlegepa- • Bettungsrücklage c
• Bettungsaufschüttung h
• Leiter- bzw. Leehrrohrdurchmesser d
aufschüttung
Verlegetiefe
weitere 6 thermische Parameter:
Bettungs-
• Wärmeleitfähigkeit feucht/trocken Erdreich +
100 mm
Grenzübertemperatur
• Wärmeleitfähigkeit feucht/trocken Bettung +
Grenzübertemperatur und
Phasenabstand Bettungsrücklage • die entstehende Verlustleistung des Kabels zu insge-
Abbildung 6: Verlegeparameter eines Drehstromsystems samt k = 12 Parametern.ROGLER | LOTH | ERWÄRMUNG ERDVERLEGTER K ABELANLAGEN | 23
stellende Übertemperatur der Bettungsschicht für das
Für diese einfache Verlegeanordnung ergeben sich Kabel L2 dargestellt (s Abbildung 7). Vereinfachend
nach folgender Formel [4] 4121 zu berechnende kann das Ergebnis der statistischen Versuchsplanung
Parameterkombinationen: j = 2k + 2k + 1 = 4121 (k = 12) dargestellt werden (s. Abbildung 7). Dabei wurde für
Die Zielgröße der statistischen Versuchsplanung ist die den Erdboden VDE-Sand und ein Leerrohrdurchmesser
Übertemperatur, die sich durch lineare und quadra- von 225 mm angenommen. Die Berechnung derartiger
tische Glieder aus den Einflussgrößen (k = 1U 12) Parametervariationen erfolgt mit einem FEM-Modell.
nach einem bestimmten statistischen Rechenapparat Damit lassen sich für alle möglichen Verlegevariationen
zusammensetzt. Für das obige Beispiel ist die sich ein- die zugeschnittenen Gleichungen innerhalb festgelegter
Abbildung 7: Ergebnis der statistischen Versuchsplanung für den Leiter L2 in einem Drehstromsystem
Systemgrenzen beschreiben.
5 | Softwaretechnische Umsetzung
Grenzübertemperatur
Aus der Versuchsplanung mit den zugeschnittenen • Belastungsparameter
Gleichungen für Wärmeerzeugung und Übertragung - Phasenstrom, Spannung für dielektrische Verluste,
wurde an der HTW Dresden ein Softwaretool auf Basis Umgebungstemperatur
von Delphi XE2 (s. Abbildung 8) zur schnellen Berechnung • Schirmbehandlung
von Kabeltrassen entwickelt. Einstellmöglichkeiten sind: - durchverbunden, ausgekreuzt, offen
• Verlegegeometrie • Verlegung der Kabel direkt im Erdreich oder in einem
- Verlegetiefe, Phasenabstand, Systemabstand, Schutzrohr im Erdreich
Stromkreisabstand, Bettungsgröße • Elektromagnetische Kopplung einzelner durchver-
• Kabelparameter bundener Kabel
- Widerstandsbelag, Stromverdrängungsfaktor,
Isolationsstärke, Mantelstärke, Schirmquerschnitt
• Thermische Eigenschaften des Erdbodens und der
thermischen Bettung
- Wärmeleitfähigkeit feucht/trocken,o Phasenstrom, Spannung für dielektrische Verluste, Umgebungstemperatur
• Schirmbehandlung
o durchverbunden, ausgekreuzt, offen
24 | BUNDESNETZAGENTUR | TAGUNGSBAND WISSENSCHAFTSDIALOG 2019
• Verlegung der Kabel direkt im Erdreich oder in einem Schutzrohr im Erdreich
• Elektromagnetische Kopplung einzelner durchverbundener Kabel
Abbildung 8:
Abbildung Programmoberfläche der
8:Programmoberfläche derSoftware
SoftwareKabelverlegung
Kabelverlegung
6 | Einfluss von Verlegegeometrie und
Bettungsmaterialien auf die Stromtrag-
fähigkeit von Kabeltrassen
Kabeltrasse (bei 1,6 m Verlegetiefe = 32 m).
6.1 Einfluss der Bettungsmaterialien auf die • Wird das Kabel nun nach Regelgrabenprofil in eine
Nennstromtragfähigkeit beim Regelgrabenprofil thermische Bettung eingelegt (rote Kurve), reduziert
Unterstellt man die Verlegung eines typischen 400 kV- sich die Gesamtbreite der Kabeltrasse deutlich ( bei
Kabels (2XS(F)2Y 1x2500 RMS 250 + FO 230/400 kV) im 1,6 m Verlegetiefe = 16 m).
Regelgrabenprofil (s. Abbildung 1) kann die maximale • Wird die Bettung bis 0,5 m unterhalb der Erdober-
Stromtragfähigkeit unter Berücksichtigung der im Vor- fläche ausgeführt (orange Kurve), reduziert sich
feld untersuchten Bettungsmaterialien mithilfe der Soft- die Gesamtbreite der Kabeltrasse weiter (bei 1,6 m
ware Kabelverlegung bei einer maximalen Leitertempe- Verlegetiefe = 15 m).
ratur von 90 °C bestimmt werden (s. Tabelle 3). Es ergibt
sich im Vergleich zum VDE-Sand eine um 20-36 % Es wurden folgende Randbedingungen angenommen:
höhere Übertragungskapazität beim Einsatz geeigneter • Das Erdreich ist VDE-Sand.
Bettungsmaterialien. • Die Bettung hat eine Wärmeleitfähigkeit von 2,0 W/(m K).
• Die Bettung trocknet nicht aus.
6.2 Auswirkung der resultierenden Trassenbreite bei • Der Sytemabstand bleibt bei 6,5 m.
verschiedenen Verlegetiefen • Die unbeeinflusste Erdbodentemperatur beträgt 15,0 °C
Ist eine feste zu übertragende Stromstärke von 2 x 1575 =
3150 A pro Stromkreis vorgegeben, kann eine maximale Es zeigt sich, dass der Einsatz einer thermischen Bettung
Leitertemperatur von 90 °C nicht eingehalten werden. nach Regelgrabenprofil die Gesamtbreite der Kabeltrasse
Als technische Lösung kann die Vergrößerung des Phasen- um den Faktor 2 verringert. Das Auffüllen des Bettungs-
abstandes der einzelnen Leiter diskutiert werden. materials bis 0,5 m unterhalb der Erdoberfläche kann
• Verlegt man die Kabel nur im VDE-Sand (blaue Kurve) die Gesamttrassenbreite um bis zu Faktor 4 verringern.
und bestimmt jeweils den Phasenabstand bei einer
vorgegebenen Verlegetiefe, bei der der Strom 3150 A
und die maximale Leitertemperatur 90 °C betragen,
ergibt sich eine notwendige Gesamtbreite derSie können auch lesen
