Stand der Technik

Stand der Wissenschaft und Technik

Die Bauweise von Gasgestützten Membranen wird seit ca. 50 Jahren für Überdachungen in der Architektur genutzt. Traglufthallen wurden zur Überdachung von sehr großen Spannweiten bis in die 1980er Jahre international zahlreich gebaut. Die Witterungsanfälligkeit dieser Bauweise zeigt sich eindrücklich darin, dass nahezu jede große derartige Stadionüberdachung in den USA ein- oder mehrmals bei Sturm kollabiert ist. In den letzten 20 Jahren hat die Bauweise als

wirtschaftliche Abdeckung von Becken in der Umwelttechnik und bei Biogasanlagen wieder an Bedeutung gewonnen und die Sensibilität der biegeweichen Abdeckungen gegenüber

Umgebungsbedingungen und Betriebszuständen ist auch hier durch häufig auftretende Schadensfälle bekannt.

Wissenschaftliche Grundlagen

Wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Umgebungsbedingungen, Luft- und Gasmasse, Massen- und Volumenströmen befassen fehlen bis heute. Ebenso gibt es keine fundierten Untersuchungen zu den Einflüssen der Konfektionierung auf das Verformungsverhalten der äußeren Membran und Gasmembran. Die Besonderheit der Betrachtungen liegt in der

Trennung in Luft- und Gasvolumen und der Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen beiden Volumina abhängig von den Umgebungsbedingungen und dem Betriebszustand der Anlage. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass bei den betrachteten Speichersystemen sehr große

Gesamtvolumina (7.000-10.000 m³) vorliegen, deren Eigenschaften und Dynamik von nur sehr geringen Druckdifferenzen abhängt. Hieraus ergeben sich spezielle und bisher mangels wissenschaftlicher Grundlegung nicht systematisch zugängliche Eigenschaften.

Für Tragluftbauten gibt es die DIN 4134 (Literatur 1) aus dem Jahr 1983, in der Angaben zu Berechnung, Ausführung und Betrieb solcher Bauten gemacht werden. In dieser Norm fehlen aber z. B. Angaben zur Veränderung des Innendrucks abhängig von den Umgebungsbedingungen.

Auch können auf Grundlage dieser Norm die in der Praxis sehr häufigen Versagensfälle bei Sturm nur mangelhaft erklärt werden. Die weitreichenden Mängel in der bisherigen Normvorgabe und Zulassungspraxis sind auch Gegenstand aktueller Diskussionen und laufender

Verbesserungsansätze in den einschlägigen Gremien und Arbeitskreisen (z. B. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Clearingstelle EEG, Fachverband Biogas e. V.).

Das Gasvolumen in Membrangasspeichern wird mit dem vereinfachten Gasgesetz

Temperaturabhängig ermittelt. In der Berechnung fehlt die Interaktion des Gasvolumens mit dem Luftvolumen, welchen extrem von den Umgebungsbedingungen abhängig ist und über die Gasmembran mit dem Gasvolumen interagiert.

Zum Knickverhalten von beschichteten Geweben und Folien gibt es den Dauer-Knickversuch nach DIN 53359 (Literatur 10), der auch für die verwendeten Membranen durchgeführt wird. Dieser hat allerdings nur eine geringe Aussagekraft hinsichtlich der für die Gasmembran relevanten

Knickbeständigkeit. Es ist aus dem textilen Bauen bekannt, dass bei der Montage von Membran-Dächern Knicke entlang von Falten wandern und zu Schädigung der Beschichtung führen. Es ist durchaus möglich, dass in der Gasmembran ähnliche Walkvorgänge auftreten, die zu einer größeren Undichtigkeit führen – die genauere Sachlage ist auch hier bisher unbekannt.

Eine Norm zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer geschweißten Naht für beschichtete Gewebe und Folien fehlt. Für die baupraktischen Anwendungen werden in DIN 4134 (Literatur 1) , DIN 18204 (Literatur 3) und dem Tensinet Design (Literatur 2) Guide Vorgaben für die Festigkeiten von Schweißnähten und für deren messtechnische Bestimmung gemacht, wobei der Verlauf der Schweißnähte Fadenparallel ist. Die Versuche werden bei 23°C und 70°C durchgeführt.

Erfahrungen der Fa. Seybold sind, dass bei dunklen Abdeckungen auf der Oberfläche Temperaturen von deutlich über 70°C auftreten können.

Aus der Literatur (Literatur 4) ist bekannt, dass flache Abdeckungen hinsichtlich der Umströmung von Wind günstiger sind als hohe, halbkugelförmige Abdeckungen. Es gibt bei ersteren nur Sogbelastungen auf die Dachflächen und keine Druckbelastung. Bei Halbkugeln ergibt sich hingegen auf ca. 30 % der windzugewandten Seite eine Druckbelastung und im Polbereich eine hohe Sogbelastung. Die zugehörigen Verformungen ändern das Luftvolumen und es ist

unbekannt, welche Auswirkungen diese dynamischen Volumenänderungen auf das innere Gasvolumen haben.

Erst durch die im Projekt angezielte Erfassung der umgebungsbedingten Zustände, die Kenntnis der Bewegung und Verformung der Gasmembran, Erforschung der Faltenbildung und möglicher Schädigungen der Beschichtung, Informationen über die Temperaturen auf der Oberfläche der Außenmembran, Festigkeiten von Nähten, die keinen Fadenparallelen Verlauf haben, Entwicklung optimierter Zuschnitte und Polkappenausbildung etc. werden die erforderlichen Grundlagen

geschaffen, um wesentlich robustere, dauerhaftere und insgesamt wirtschaftlichere Gasspeichersysteme planungssicher zu realisieren.

Hinsichtlich IT-basierter Planungs- und Berechnungswerkzeuge für Membran-Biogasspeicher ist ein ausgesprochen rudimentärer Stand der Technik gegeben: Mangels spezifischer Tools werden hier Software-Lösungen für die Auslegung von z. B. membranbasierten Flächentragwerken oder andere Lösungen für die allgemeine Berechnung und Modellierung von Membranen verwendet.

Diese Werkzeuge basieren auf Finite-Elemente- Methoden und sind improvisiert an die Erfordernisse des vorliegenden Kontexts anzupassen – verbunden mit gravierenden Einschränkungen und klaren sachlichen Mängeln.

Als wesentliche Mängel sind hier zu nennen:

 So weit es überhaupt möglich ist, einen Innendruck in die Berechnung von Lasten und Lastabtragung einzubeziehen, nur mit einer konservative Innendrucklast gearbeitet werden kann, d. h. mit einer in Betrag und Richtung über die Verformung des Elements konstanten Drucklast. Somit wird ein Großteil der tatsächlichen Systemcharakteristika a priori vollständig ausgeblendet.

 Auch die Bestimmung optimaler Formauslegungen – z. B. des Membranrandbereichs bzw.

der Grundflächenform – ist mit vorhandenen Werkzeugen nicht möglich, und die unterschiedlichen Eignungen etwa von polygonalen, elliptischen oder kreisförmigen Ausführungen können nicht erfasst werden.

 Im Übrigen wird das prinzipiell mögliche Funktionsprofil von aktuellen Softwarelösungen schon aufgrund des begrenzten Grundlagen- und Methodenwissen signifikant eingeschränkt.

Aufgrund der vielfältigen Beschränkungen werden Softwarewerkzeuge bisher nur in Einzelfällen eingesetzt. Überwiegend findet keine weitergehende Berechnung oder einzelfallspezifische

Auslegung statt, sondern es wird auf Grundlage der – ebenfalls stark begrenzten – Normvorgaben

„einfach gebaut“. Die praktischen Konsequenzen zeigen sich unübersehbar in den kurzen Standzeiten aktueller Membran-Biogasspeicher, der hohen Versagensanfälligkeit, mangelnder Wirtschaftlichkeit, schleppenden Genehmigungsverfahren Mangels verbindlicher Regelungen, einer zunehmend problematischen Versicherungs-Situation angesichts unkalkulierbarer Schadensrisiken etc..

Bautechnik und Ausführung von Dach- /Speichersystemen für Biogasanlagen Biogasspeicher nach Stand der Technik haben eine relativ flache Bauweise und dadurch bedingt eine relativ niedrige Speicherkapazität pro Grundfläche. Selbst Ausführungen, die allen gültigen Normen entsprechen (DIN, EC, BSJ), sind nicht immer angemessen ausgelegt und nicht über lange Zeiträume sowie bei allen auftretenden Wettersituationen tatsächlich versagenssicher.

Als Konsequenz diese Sachlage sind aufgrund begrenzter Gewährleistungszeit bzw. wegen akuter technischer Mängel innerhalb der kommenden 5 Jahre ca. 80% der in Deutschland betriebenen Speicher auszutauschen – allerdings stehen aktuell keine neuen, gegenüber den

Bestandsanlagen tatsächlich verbesserten Ausführungstechniken zur Verfügung.

Tabelle 2 | Vergleich von Stand der Technik und Projektzielen bezüglich des Speichersystems

Merkmal Stand der Technik Projektziel

Speichervolumen pro

Standzeit In der Regel höchstens 8 Jahre (abhängig von der Planungskompetenz und Ausführungssorgfalt – keine verbindlichen Qualitätsstandards)

Garantierte Nutzungsdauer von 15 -20 Jahren

- Sachbasierter, nachvollziehbarer Qualitätsnachweis

Steuerung - Nur Notabschaltung bei krit.

Druckabfall bzw. Abfackeln bei krit.

Druckanstieg.

- Reißen der Membran wegen unzulässiger Betriebszustände.

Sensorik I.d.R. nur ungenaue, indirekte Füllstandsmessung

Exakte Erfassung von Temperatur, Füllstand und Druck (innen / Umgebung)

Inspektions- und Wartungsmöglichkeiten

Sehr eingeschränkt - Gute Inspektionsmöglichkeiten - Gasmembran (Verschleißteil) ist tauschbar

- Durch Integration von Rückstell-mustern an den Membranen sind Reißfestigkeit und

Schweißnahtfestigkeit periodisch überprüfbar

- Abgleichen dieser Prüfergebnisse mit den Abminderungsfaktoren der statischen Berechnungen ergibt Aussage über die zu erwartende (Rest-)Lebensdauer

Dimensionierung der Betriebstechnik

Keine systematische Berechnung Regelbasierte, einzelfallspezifische Auslegung (Standort, Gährgut etc.) Isolierung I. d. R. keine Isolierung Isolierende Kaschierung auf der

Außenseite der Gasmembran (ggf.

Strukturiert zur Optimierung des Faltungsmusters)

Methangasdurchlässigkeit Hohe Durchlässigkeitswerte speziell bei Temperaturen >36 °C

Optimiert durch spezielle Pastenzusammensetzung der Beschichtungsmasse

Anheben der Gasmembrane Unspezifisch / unklar System spezifisch darauf optimiert in Auslegung / Strukturierung und Betriebssteuerung (z. B. Stützluftdruck relativ zu Gasdruck).

Verarbeitung / Fertigung - Unzureichende Nahtfestigkeit aufgrund Fertigung per Heizkeil- oder Warmluftverschweißung

- Ausführung des Randdetails: Oftmals nur Lochungen, kein statisch nicht statisch nachweisbar ist etc.)

- Spezifisch abgestimmte durch neues System basierend auf Klemmleiste / Klemmschien und Kederwulst