Zur Erfassung von winterlichen Fahrbahn- und Witterungszuständen werden zurzeit vor allem an Bundesautobahnen, zunehmend aber auch an Bundes-, Landes- und Kreisstraßen, Glättemeldeanlagen (GMA) eingesetzt. Im nachgeordneten Straßennetz ist die Ausstattung mit GMA allerdings noch deutlich geringer und ermöglicht dadurch keine flächendeckende Aussage zum Straßenzustand. Eine Verdichtung des Messstellennetzes analog zu den Bundesautobahnen ist jedoch aus finanziellen und organisatorischen Gründen nicht realisierbar. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurden Lebenszykluskosten bestehender Anlagen untersucht, um hierdurch wesentliche Kostenkomponenten und -treiber von GMA aufzuzeigen. Im Abgleich mit den Ergebnissen einer Nutzungsanalyse von GMA in der Winterdienst-Praxis konnten Mindestanforderungen für die Ausstattung einer GMA ermittelt werden. Im Zusammenhang mit der Nutzung im nachgeordneten Straßennetz wurden auch die Möglichkeiten einer autarken Stromversorgung untersucht, welche abseits besiedelter Gebiete oder vorhandener Versorgungsnetze notwendig wird. In durchgeführten Vergleichsmessungen wurde die Messgenauigkeit von GMA in Abhängigkeit der Nutzungsdauer stichprobenhaft untersucht, um die Notwendigkeit von Instandhaltungsarbeiten zu ermitteln. Diese Instandhaltungsarbeiten können in einem Qualitätssicherungsprozess integriert werden, dessen Anwendung und Inhalte ebenfalls analysiert wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass GMA im nachgeordneten Straßennetz geänderte Anforderungen an die Ausstattung und Versorgungstechnik aufweisen. Aus einer sinnvollen Anpassung der Ausstattung sowie organisatorischen Maßnahmen können geringere Investitionskosten und eine gesteigerte Nutzung resultieren, wodurch eine wirtschaftliche Verdichtung des GMA-Netzes bei vergleichbarem Nutzen für den Einsatzleiter ermöglicht wird.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Der Straßenbetriebsdienst in Deutschland, vor allem auch der Winterdienst, hat eine sehr hohe Bedeutung für die Aufrechterhaltung eines sicheren und leistungsfähigen Straßennetzes sowie den Substanzerhalt des Bauwerks „Straße“. Hiermit verbunden sind erhebliche Aufwendungen, die 2011 allein für die Bundesfernstraßen in einer Größenordnung von 1,2 Milliarden Euro (für den Betriebsdienst) lagen. Davon sind ca. 500 Mio. Euro für Bundesstraßen ausgegeben worden [1].

Zur Erfassung von winterlichen Fahrbahn- und Witterungszuständen werden GMA eingesetzt, die dem Winterdienstverantwortlichen eine Beurteilung des Streckenzustandes ermöglichen, um die Winterdiensteinsätze anforderungsgerecht durchführen zu können. Im nachgeordneten Straßennetz ist die Ausstattung mit GMA allerdings noch deutlich geringer als an den Bundesautobahnen und ermöglicht dadurch keine flächendeckende Aussage zum Straßenzustand.

Aus diesem Grund ist eine wesentliche Verdichtung des Messstellennetzes anzustreben, wofür bei gleichbleibender Ausstattung erhebliche zusätzliche Aufwendungen erforderlich wären. Daher sind die Aufwendungen für GMA deutlich zu senken, wozu neben messtechnischen Vereinfachungen auch ein kostengünstiger Betrieb sowie günstige Datenübertragungswege und eine einfache, autarke Energieversorgung beitragen können. Ziel war es daher, ausgehend von dem derzeitigen Erkenntnisstand, die wesentlichen Anforderungen an GMA im nachgeordneten Straßennetz zu definieren, um das Messstellennetz unter wirtschaftlich akzeptablen Bedingungen zu verdichten.

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens „Regionalisierte Erfassung von Straßenwetter-Daten“ (FE 4.0245/2011/KRB) im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) an der Hochschule Biberach (9/2011 bis 3/2013) und der Hochschule Karlsruhe (3/2013 / 9/2013) durchgeführt.

Bild 1: Gliederung des FE-Vorhaben

Die Untersuchung gliedert sich in sechs Arbeitspakete. Auf Basis einer umfassenden Literatur- und Grundlagenanalyse, für die auch zahlreiche Interviews mit Experten auf Seiten der Straßenbauverwaltung, Herstellern und weiteren Institutionen geführt wurden, wurden die zu untersuchenden Aspekte mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen analysiert.

Im Anschluss daran wurden im Rahmen einer Lebenszykluskostenanalyse erfasste Kosten von über 200 GMA ausgewertet, wobei nach Investitions- und Folgekosten sowie verschiedenen Kostenarten differenziert wurde.

Dieser Kostenanalyse wurde die Nutzung von GMA gegenübergestellt. Hierbei wurde betrachtet, in welchem Umfang GMA sowie welche der verfügbaren Parameter für Einsatzentscheidungen maßgebend sind.

Zur Bewertung möglicher Formen der autarken Energieversorgung wurde der Stromverbrauch an drei bestehenden GMA untersucht sowie in einem weiteren Schritt wurden die möglichen Energieressourcen Photovoltaik, Windkraft und Brennstoffzelle in Bezug auf Stromertrag, die zu erwarteten Kosten und betrieblichen Aspekte bewertet.

Aufgrund der im Vorhaben gewonnen Erkenntnisse wurde die Genauigkeit der erfassten GMA-Daten bei bestehenden Anlagen in Vergleichsmessungen stichprobenhaft untersucht. Im Rahmen dieser Messungen wurden auch vereinfachte Messverfahren erprobt, die im Hinblick auf eine systematische Kontrolle von GMA vor Ort von Bedeutung sein können.

Zur Entwicklung einer systematischen Qualitätssicherung bei GMA wurden vier Straßenbauverwaltungen hinsichtlich des bestehenden Prozesses von der Ausschreibung bis zum Betrieb von GMA befragt. Hieraus wurden die wesentlichen Ansätze zur Qualitätssicherung in den unterschiedlichen Phasen der Beschaffung bis zum Betrieb abgeleitet.

2 Lebenszykluskosten für Glättemeldeanlagen

Im Rahmen einer Lebenszykluskostenanalyse wurden erfasste Kosten von insgesamt 217 bestehenden GMA in vier ausgewählten Straßenbauverwaltungen in Baden-Württemberg, Bayern und Nordrhein-Westfalen ausgewertet. Dazu wurden die Investitionskosten für die erstmalige Errichtung, die Implementierung und Planungs- und Schulungsleistungen erfasst. Für die Nutzungsphase wurden Folgekosten in Anlehnung an die DIN 31051 „Grundlagen der Instandhaltung“ [2] für den Betrieb, die Wartung, Instandsetzung und Erweiterung erfasst. In allen Phasen wurden die Kosten Bauteilen oder Bauwerken zugeordnet, um Kostentreiber analysieren zu können. Die zusammengetragenen Kostendaten wurden in einer finanzmathematischen Rechnung homogenisiert, um eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Daten herzustellen.

Für die untersuchten GMA wurde im Durchschnitt eine Investition von 38.000 € getätigt (s. Bild 2). Das Maximum beträgt hier 66.800 €, wobei diese hohen Kosten vor allem auf hohe Systemkosten je GMA, eine sehr aufwendige Sensortechnik sowie eine umfangreiche Planung zurückzuführen sind. Dem gegenüber beträgt das Minimum der Investitionskosten

35.200 € für eine GMA. Dieses System ist durch eine kostengünstigere Messtechnik sowie geringere Aufwendungen für das Bauwerk charakterisiert, da Tiefbauarbeiten für Zuleitungen aufgrund einer autarken Stromversorgung nicht notwendig waren.

Bild 2: Gesamtinvestitionen je GMA, differenziert nach GMA- und Systemkosten mit Maximum, Minimum, Mittelwert [Index: 12/2011]

Ebenfalls zu erkennen ist, dass sich die Investitionskosten der GMA in den untersuchten Systemen nur weniger unterscheiden, wobei die Anschaffung der Komponenten ca. 75 % dieser Kosten ausmacht. Die Kosten für die Investition in ein übergeordnetes System schwanken wesentlich stärker, wobei diese mit einer zunehmenden Anzahl an GMA stark abnehmen. Kosten für Planungen, Thermal Mapping oder die EDV-Infrastruktur teilen sich in einem solchen Fall auf eine größere Anzahl an GMA auf. Werden deutlich mehr GMA an ein System angeschlossen, liegen die Systemkosten je GMA in einer Größenordnung von weniger als 2.000 €.

Großen Anteil an den Investitionskosten für eine GMA hat die Messtechnik (s. Bild 3), für die die Investitionskosten im Durchschnitt 17.200 € betragen, wovon ca. 60 % auf die Fahrbahnsensorik zurückzuführen sind. Deutlich höhere Investitionen sind für berührungslose Fahrbahnsensoren erforderlich, wobei diese Mehrkosten zum Teil durch geringere Installationskosten kompensiert werden. Ebenfalls stark Kosten beeinflussend wirken sich aufwendige meteorologische Sensoren aus, wie Sichtweitenmessung und Schneehöhenmessung. Der Einbau einer Kamera führt zu Mehrkosten von ca. 3.600 €. Die durchschnittlichen Kosten für die Anlage, das heißt Mast, Energieversorgung, Schaltschrank etc., liegen in einer ähnlichen Größenordnung (16.600 €) wie für die Sensorik. Die Kosten für das Bauwerk, wie z. B. Fundamente und Zuleitungen, fallen im Durchschnitt deutlich geringer aus (5.300 €).

Bild 3: Investitionskosten der einzelnen Produktgruppen je GMA mit Maximum, Minimum, Mittelwert [Index: 12/2011]

Die Kosten für das Bauwerk bzw. die Anlage werden stark von der Art der Stromversorgung beeinflusst. Für Systeme mit ausschließlicher Netzversorgung der GMA ist der Anteil der Baukosten höher, da hier der Anteil für Zuleitungen ca. 80 % beträgt. Die geringsten Baukosten sind bei einem System mit einer hohen Anzahl an GMA mit autarker Stromversorgung erfasst worden, da hier keine Zuleitungen hergestellt werden müssen. Allerdings sind dort die Anlagenkosten für die autarke Energieversorgung entsprechend höher. Die Installation einer autarken Stromversorgung (Teil der Anlagenkosten) führt insgesamt zu durchschnittlichen Mehrkosten von ca. 7.000 € gegenüber der netzgebundenen Stromversorgung.

Die neben den einmaligen Investitionskosten anfallenden Folgekosten betragen durchschnittlich 2.000 € je GMA und Jahr (s. Bild 4). Die am stärksten variierende Komponente stellen dabei die Betriebskosten dar, wobei hierfür durchschnittliche 200 €/a anfallen. Diese Kostenart ist stark von der jeweiligen Systemgröße abhängig, da sich fixe Kosten für die Bereitstellung der Software, der Netzwerkinfrastruktur und zusätzliche Analysen auf die Anlagen aufteilen. Im Maximalfall machen Softwarekosten bis zu 75 % der Betriebskosten aus.

Der größte Anteil der Folgekosten wird mit durchschnittlich 1.300 € pro GMA und Jahr für Inspektion und Wartung fällig. Dabei sind zwei typische Muster anzutreffen: Zum einen die im Diagramm dargestellten, meist pauschal für alle GMA abgerechneten Wartungen. Zum anderen die Systeme, in denen die GMA nicht turnusmäßig gewartet werden, sondern in denen lediglich Instandsetzungen bei Beschädigungen oder Ausfall durchgeführt werden. Tendenzen in Abhängigkeit der Ausstattung oder des Standorts sind hierbei nicht zu erkennen. Die durchschnittlichen Instandsetzungskosten belaufen sich auf 400 €/GMA/Jahr, wobei der größte Teil (97 %) Fahrbahnsensoren zuzuordnen ist. Für die Erweiterung und Verbesserung liegt lediglich ein Kostenkennwert vor. In diesem System mit 62 GMA wurden durchschnittlich 400 €/ GMA/Jahr für die Erweiterung und Verbesserung ausgegeben.

Bild 4: Folgekosten je GMA und Jahr mit Maximum, Minimum, Mittelwert [Index: 12/2011]

Die Untersuchung der LZK von GMA hat gezeigt, dass die Gesamtkosten einer GMA zu einem großen Teil von der Investition und hier von der Sensortechnik abhängig sind. Bei der durchgeführten Untersuchung betrugen die jährlichen Folgekosten nach 10 Jahren nur ca. 50 % der durchschnittlichen Investitionskosten.

Aus der LZK-Analyse lassen sich folgende wesentliche Einflussgrößen auf die Gesamtkosten ableiten:

–    Art der Fahrbahnsensorik (berührungslos/eingebaut),

–    außergewöhnliche meteorologische Sensorik (Sichtweite, Schneehöhe),

–    Kamera (mit/ohne Nachtsichtmodus),

–    Art der Stromversorgung (autark/netzgebunden).

Bei einer Konzeption von GMA sollten insbesondere für die vorgenannten Aspekte die Investitions- und Folgekosten abgeschätzt werden. Die beschriebenen Faktoren stellen die Hauptkostentreiber für GMA dar, jedoch sind sie durch eine angepasste Auswahl der Ausstattung gut beeinflussbar, so dass eine starke Kostenoptimierung möglich ist.

3 Nutzung von Glättemeldeanlagen

Zur Bewertung, inwieweit GMA für Einsatzentscheidungen maßgebend sind und welche der gemessenen Parameter dabei wirklich genutzt werden, wurden in zwei Straßenmeistereien die Einsatzentscheidungen während des Winters 2011/2012 durch die Einsatzleiter protokolliert. Hierfür wurden je Meisterei in Abstimmung mit den Meistereileitern Erfassungsbögen entwickelt. Neben den vorhandenen GMA und den relevanten Parametern wurden auch weitere Informationsquellen, wie SWIS und allgemeine Wetterprognosen, erfasst. Insgesamt konnten

197 Einsatzentscheidungen dokumentiert werden, die zu Winterdiensteinsätzen geführt haben. Die im Winter 2011/12 vorherrschende Witterung wurde mit Hilfe von langjährigen Klimadaten auf ihre Repräsentativität untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass GMA die wichtigste aller Informationsquellen sind. In beiden Meistereien wurden die GMA zu über 60 % aller Einsatzentscheidungen herangezogen (s. Bild 5). Alle anderen genannten Informationsquellen wurden hingegen wesentlich seltener genutzt. Ein wesentlicher Unterschied besteht unter anderem in der Nutzung des Internets als Informationsquelle. Mitarbeiter der Meisterei 2 nutzen das Internet in über 20 % aller Einsatzentscheidungen, die Mitarbeiter der Meisterei 1 greifen für die Einsatzentscheidungen nicht auf Informationen aus Internetquellen zurück. Eine weitere wichtige Informationsquelle sind die Meldungen von Fahrern, der Polizei, Rettungsdiensten oder Dritten, welchen in beiden Meistereien ein hohes Gewicht beigemessen wurde. In der Analyse wurde ebenfalls deutlich, dass eine Entscheidung nie auf Basis einer einzelnen Informationsquelle, sondern in Kombination verschiedener Informationen getroffen wird. Die Nutzung der einzelnen Informationsquellen ist sehr stark vom Vertrauen der Mitarbeiter in die angebotenen Informationen sowie der Kenntnis über Zusammenhänge und die Interpretationsfähigkeit abhängig. Ist dies gegeben, so wird diese Informationsquelle häufiger genutzt und im Entscheidungsprozess höher gewichtet.

Bild 5: Anteil an Einsatzentscheidungen unter Verwendung der jeweiligen Informationsquelle

Beim Vergleich der genutzten Parameter einer GMA wird deutlich, dass die Lufttemperatur sowie die Fahrbahntemperatur in beiden Meistereien die ausschlaggebenden Parameter sind und in Meisterei 1 in über 80 % aller Einsatzentscheidungen herangezogen wurden (s. Bild 6). Eine weitere, sehr wichtige Information war – wenn verfügbar – das Kamerabild. Aus Gesprächen wurde deutlich, dass zum Zweck der visuellen Überprüfung, zur Plausibilitätsprüfung der angezeigten Messwerte sowie zur Überprüfung des Räum- und Streuerfolgs diese Bilder häufig genutzt wurden und einen hohen Stellenwert besitzen. Weniger häufig genutzt wurden die Parameter Fahrbahnzustand und Windgeschwindigkeit. Diese beiden Parameter wurden meist im Zusammenhang mit entsprechenden Wetterlagen wie Schneefall oder starkem Wind mit Verwehungen genutzt. Auf die anderen Parameter, wie Fahrbahnkörpertemperatur, Griffigkeit, Niederschlagsart und -intensität oder die Taupunkttemperatur, entfallen jeweils weniger als 5 % der Nennungen.

Aus den Untersuchungen wurde deutlich, dass GMA für die Einsatzleiter die wichtigste Informationsquelle darstellen, jedoch vielfach nur ein Teil der sehr umfangreichen Daten einer GMA genutzt werden, in erster Linie die Informationen zu Fahrbahn- und Lufttemperatur. Stehen viele GMA im Streckennetz zur Verfügung, wird häufig nur auf wenige GMA zurückgegriffen. Daher ist bei der Planung der GMA und ihrer Standorte zu berücksichtigen, inwieweit sie im Rahmen eines Gesamtsystems repräsentativ für größere Netze oder Teilnetze sein können. Anderseits sind Standorte an exponierten Stellen sinnvoll, da nur dann auf gegebenenfalls aufwendige Kontrollfahrten verzichtet werden kann. Bei der Standortwahl ist auch zu berücksichtigen, dass die Messdaten teilweise durch den DWD für die Erstellung der Straßenwettervorhersagen herangezogen werden. Es wird empfohlen, dass bei der Standortwahl alle relevanten Institutionen beteiligt werden, insbesondere die zuständige Fachabteilung als Know-How-Träger und die Meisterei als unmittelbarer Anwender. Eine Standortoptimierung mit Thermal Mapping als standardisiertes Verfahren ist in der Regel nicht erforderlich, da das Personal vor Ort die lokalen Besonderheiten des Streckennetzes bei unterschiedlichen Witterungslagen gut einschätzen kann. Werden Daten über Mobilfunk übertragen, sollte die Netzqualität der unterschiedlichen Mobilfunkanbieter am vorgesehenen Standort überprüft werden.

Die Ergebnisse zur Nutzung der GMA-Daten machen deutlich, dass eine anwenderfreundliche Informationsaufbereitung wichtig ist, bei der die wesentlichen Informationen unmittelbar visualisiert werden. Spezifische Anpassungen der Visualisierung sind hierbei sinnvoll, da die verschiedenen Einsatzleiter unterschiedliche Fähigkeiten und Erfahrungen in der Anwendung haben. Für die Einsatzsteuerung sind auch die Informationen über die GMA angrenzender Regionen wichtig, unabhängig von Verwaltungs- und Landesgrenzen. Daher sollten für diese, wie bereits vielfach realisiert, entsprechende Zugriffsmöglichkeiten bestehen. Die nur eingeschränkte Nutzung der GMA-Daten kann zum Teil auch auf unzureichende Kenntnisse der Einsatzleiter zu den meteorologischen Zusammenhängen zurückgeführt werden, z. B. bei der Taupunkttemperatur, so dass neben der programmtechnischen Schulung auch eine verstärkte inhaltliche Schulung in der Interpretation der GMA-Daten zu empfehlen ist.

Bild 6: Anteil an Einsatzentscheidungen mit GMA unter Verwendung des jeweiligen Parameters

Aus diesen Ergebnissen lassen sich für die Konfiguration einer vereinfachten GMA verschiedene Kriterien ableiten. Für die Systemkonfiguration, -integration und -ausstattung ergeben sich folgende Erfordernisse:

• Anwenderfreundliche Informationsaufbereitung aller Informationsquellen und Daten von GMA in einem nutzerorientierten System und Schulung der Mitarbeiter. Hierdurch können parallel genutzte Systeme vermieden, die Anwenderfreundlichkeit und der Nutzen für die Einsatzleiter erhöht werden.
• Anforderungsorientierte Standort- und Sensorauswahl zur Reduktion von Kontrollfahrten. Dabei sollten die Belange der Einsatzleitung, der Straßenbauverwaltung, des Deutschen Wetterdienstes als auch rechnerische Belange für Vorhersagen berücksichtigt werden.
• Standortbezogene Auswahl der Sensorik und Installation von Kameras unter Berücksichtigung äußerer Rahmenbedingungen wie Stromanschluss, Mobilfunk, Sicherheit und Witterung. Folgende Minimalausstattung wird dafür vorgeschlagen:
• Lufttemperatur
• Niederschlagszustand
• Relative Luftfeuchtigkeit
• Fahrbahnoberflächentemperatur und -zustand
• Nachtsichtfähige, hochauflösende Kamera.

4 Autarke Energieversorgung von GMA

GMA im nachgeordneten Straßennetz liegen aufgrund der häufig notwendigen exponierten Lage meist abseits vorhandener Versorgungsleitungen. Ein Anschluss an das Versorgungsnetz ist daher häufig nicht oder nur mit hohem finanziellem Aufwand möglich, weshalb für GMA immer häufiger Systeme zur autarken Energieversorgung installiert werden. Mit diesen Systemen können GMA durch die Nutzung von Sonnenenergie, Windenergie oder die Nutzung fossiler Brennstoffe unabhängig von vorhandenen Stromnetzen betrieben werden.

Zur Dimensionierung möglicher Formen der autarken Energieversorgung wurde an drei bestehenden GMA unterschiedlicher Ausstattung über einen 30-tägigen Messzeitraum der Stromverbrauch in fünfminütigen Intervallen erfasst, so dass neben dem Durchschnittsverbrauch auch Verbrauchsschwankungen erkennbar sind.

Die errechneten Mittelwerte betragen für die GMA 1 77,2 Watt (W) und für die GMA 3 42,8 W (s. Bild 7). Die Auswertung der GMA 5 erfolgte für die zwei Zeitbereiche von 17 Uhr bis 8 Uhr und von 8 Uhr bis 17 Uhr, da sich die Leistungsaufnahme für die beiden Zeitintervalle signifikant unterscheidet. Die Mittelwerte betragen hier 39,6 W und 25,5 W. Somit wird deutlich, dass die Leistungsaufnahme der drei GMA sehr unterschiedlich ist, was im Wesentlichen auf die eingesetzte Sensorik, Messzyklen und Datenübertragungseinheiten zurückgeführt werden kann. So wird der Infrarot-Scheinwerfer an GMA 1 tageszeitunabhängig betrieben, während der Scheinwerfer an GMA 5 bei ausreichendem Tageslicht (7:00 bis 17:00 Uhr) abgeschaltet wird. Dies führt zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme in dieser Zeit um ca. ein Drittel (14 W). Auch der Einsatz von aktiver Fahrbahnsensorik beeinflusst die Leistungsaufnahme. So ist GMA 1 mit aktiver Fahrbahnsensorik ausgestattet während diese an GMA 5 nicht verbaut wurde. Bei GMA 3 werden die Fahrbahnparameter mittels berührungsloser Sensorik ermittelt.

Bild 7: Mittelwerte der Leistungsaufnahmen [W] über 30 Tage dargestellt je Stunde über 24 Stunden

Die Messungen haben gezeigt, dass beim Stromverbrauch unterschiedlicher GMA starke Differenzen von über 40 W auftreten. Auch wurde deutlich, dass durch eine gezielte Steuerung einzelner Komponenten, wie Scheinwerfer, Kamera oder energieintensiver Sensoren der Stromverbrauch deutlich reduziert werden kann. Dabei ist der Stromverbrauch maßgebendes Kriterium für die Machbarkeit einer autarken Stromversorgung sowie deren Dimensionierung und hat somit auch unmittelbaren Einfluss auf Investitions- und Folgekosten. Aus diesem Grund wurden in einem weiteren Schritt Photovoltaik, Windkraft und Brennstoffzelle für die autarke Energieversorgung auf Machbarkeit, Dimensionierung sowie die hieraus resultierenden Kosten untersucht und bewertet.

Die Investitions- und Folgekosten variieren sehr stark zwischen den einzelnen Energieressourcen. Für eine autarke Versorgung mittels Photovoltaik oder Windkraft werden Investitionskosten von 12.000 € bzw. 15.000 € notwendig (s. Tabelle 1). Hierbei sind Kosten für den Energieerzeuger, Speichermedien, Steuerungstechnik sowie Montagematerial berücksichtigt. Erhebliche Folgekosten, wie z. B. regelmäßiger Austausch oder Betriebsstoffe sind bei diesen Systemen nicht zu erwarten. Die Investitionskosten für die Installation einer Brennstoffzelle fallen mit 6.500 € hingegen deutlich geringer aus. Hiermit verbunden sind jedoch sehr viel höhere Folgekosten für den notwendigen Brennstoff (z. B. Methanol) sowie die regelmäßige Erneuerung der Brennstoffzelle, die ca. aller fünf Jahre notwendig wird und Kosten in Höhe der Erstanschaffung verursacht. Die Investitionskosten für einen Netzanschluss variieren direkt mit der Länge des herzustellenden Anschlusses und schwanken meist zwischen 5.000 € und

10.000 €. Folgekosten für den Anschluss und den Strom können mit ca. 100 €/a angesetzt werden.

Tabelle 1: Investitions- und Betriebskosten für autarke Stromversorgungsanlagen an GMA

Neben dem „stand alone“-Betrieb besteht noch die Möglichkeit der Kombination zu sogenannten Hybridanlagen. Denkbare Kombinationen sind beispielsweise die Kombination von Photovoltaik und Wind oder von Photovoltaik/Wind und einer Brennstoffzelle, wie sie bereits in der Vergangenheit bei GMA zum Einsatz kamen.

Die Kombination von Photovoltaik und Windenergie erlaubt keine Reduktion der Batteriespeicher, da es gerade im Winter Witterungslagen ohne Sonnenschein und Wind gibt. Auch kann die Größe der Photovoltaik-Paneele und der Windrotoren nicht signifikant reduziert werden, so dass insgesamt mit erheblich höheren Investitionen zu rechnen ist, ohne dass die Ausfallwahrscheinlichkeit bedeutend gesenkt werden kann.

Die Kombination mit einer Brennstoffzelle führt ebenfalls zu höheren Kosten, da die Kosten für die Brennstoffzelle eine mögliche Einsparung bei der Batterie übersteigen. Weiterhin sind die Betriebskosten für die Brennstoffzelle zu berücksichtigen, deren Effizienz umso geringer ist, je seltener sie zum Einsatz kommt. Der Energieverbrauch zum Halten der Betriebstemperatur steigt, ohne dass diese Energie zum Betrieb der GMA notwendig wäre. Allerdings kann die Ausfallwahrscheinlichkeit minimiert werden, da bei ungünstigen Witterungslagen unbegrenzt lange die Energieversorgung durch die Brennstoffzelle gewährleistet wird.

Die durchgeführten Untersuchungen zur Konzeptionierung einer autarken Stromversorgung mittels Sonnenenergie, Windenergie und Brennstoffzelle für GMA haben gezeigt, dass bei Systemen auf Basis von Sonnen- oder Windenergie als autarke Stromversorgung ähnlich hohe Investitionskosten zu erwarten sind. Die Entscheidung, welcher Energieträger genutzt werden kann, hängt somit im Wesentlichen von der Lage der jeweiligen GMA ab, wobei tendenziell die Energieeffizienz von Photovoltaikanlagen im Süden Deutschlands höher ist, während Windenergie eher im Norden zum Einsatz kommen kann. Allerdings sind neben der generellen Lage auch kleinräumige Gegebenheiten wie Schattenwurf oder Windschatten des Standortes bei der Auswahl zu berücksichtigen. Für Brennstoffzellen sind zwar erheblich geringere Investitionen notwendig, aufgrund der Betriebskosten und der geringeren Lebensdauer fallen jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren höhere Kosten gegenüber der Photovoltaik oder der Windenergienutzung an. Die Entscheidung, welche Form der autarken Energieversorgung sinnvoll ist, ist im Einzelfall in Abhängigkeit der folgenden Kriterien zu treffen:

–    erforderliche Energieaufnahme der GMA,

–    erforderliche Ausfallsicherheit der GMA,

–    Witterung am Standort (Sonnenscheinstunden, Windgeschwindigkeiten),

–    verfügbare Flächen, Beschattung, Bebauung, Zugänglichkeit.

Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen wird empfohlen, für die autarke Stromversorgung von GMA weitestgehend Photovoltaik und Kleinwindenergieanlagen einzusetzen. Für ihre wirtschaftliche Dimensionierung ist es zielführend, die GMA und ihre Komponenten möglichst energieoptimiert auszurüsten. Auch kann ein flexibles Gerätemanagement sinnvoll sein, das bei geringen Energiereserven einzelne energieintensive Komponenten der GMA zeitweise außer Betrieb setzt bzw. Mess- und Übertragungszyklen reduziert.

5 Genauigkeit und Qualitätssicherung bei GMA

Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass bei GMA häufig keine Wartung entsprechend den Empfehlungen der Hersteller erfolgt. Diese regelmäßigen Wartungs- und Kalibrierungsarbeiten sind nach Aussage der Hersteller jedoch zur Erreichung der geforderten Messgenauigkeit auch bei älteren GMA erforderlich. Häufig wird seitens der Straßenbauverwaltungen auf diese Leistungen aus Kostengründen verzichtet. Auch liegen bisher entsprechende Nachweise über tatsächliche Fehlfunktionen nicht vor. Wartungs- bzw. Instandsetzungsarbeiten werden deshalb nur nach Hinweis durch die Nutzer oder nach Beschädigung einer GMA durchgeführt.

Für die Messsensorik sind die Grenzwerte in der DIN 15518-3 [3] definiert, die Prüfverfahren werden in der DIN 15518-4 [4] beschrieben, die jedoch stark auf die Eignungsprüfung unter Laborbedingungen ausgelegt sind. In situ-Verfahren zur Abnahme- bzw. Kontrollprüfung werden in den „Technischen Lieferbedingungen für Streckenstationen“ (TLS) [5]. beschrieben. Für die Vergleichsmessungen wurden sieben GMA verschiedener Hersteller in Baden-Württemberg und Bayern ausgewählt und stichprobenhaft Vergleichsmessungen zwischen den angezeigten und den vor Ort gemessenen Messwerten durchgeführt.

Besonders hohe Abweichungen, teils auch außerhalb der Normbereiche, konnten bei der Fahrbahnsensorik festgestellt werden. So wurde beispielsweise bei keiner der durchgeführten Vergleichsmessungen die Salzkonzentration einer aufgebrachten Salzlösung korrekt ermittelt (s. Bild 8, links), eine Korrelation zwischen Ist und Soll ist hierbei nicht auszumachen. Ähnlich, wenn auch in weniger starkem Ausmaß, zeigen sich diese Ergebnisse auch bei der Wasserfilmdicke. Hier liegen in allen Fällen die angezeigten Messwerte unter der aufgebrachten Wasserfilmdicke. Besonders kritisch sind diese unbefriedigenden Ergebnisse im Zusammenhang mit der Ermittlung der Gefrierpunkttemperatur zu sehen, die bei einer passiven Messung aus diesen beiden Parametern ermittelt wird.

Bild 8: Vergleich zwischen gemessenem und angezeigtem Messwert für Salzkonzentration [%] und Wasserfilmdicke [mm]

Auffällig ist hierbei auch, dass ein Normbereich nach DIN 15518-3 [3] für die Salzkonzentration nicht, für die Wasserfilmdicke nur oberhalb von 0,2 mm und für die Gefriertemperatur nur sehr grob (± 0,5 für > -15 °C, gemessen) [3] definiert ist. Besonders kritische Situationen durch überfrierende Nässe oder Glatteis entstehen jedoch häufig im Grenzbereich unterhalb dieser Normgrenze von 0,2 mm Wasserfilmdicke und bei Temperaturen um den Frostpunkt. Hierfür kann die Sensorik keine ausreichend genaue Aussage bieten.

Ein ähnliches Bild bietet sich für die Vergleichsmessungen bei der Fahrbahntemperatur (s. Bild 9). Die mittlere absolute Abweichung zwischen gemessener und angezeigter Fahrbahntemperatur beträgt 0,7 °C. Die maximale Abweichung beträgt +2,6 °C, die minimale Abweichung -0,9 °C, wobei der Normbereich im dargestellten Bereich mit ± 0,2 °C [3] definiert ist. Circa. zwei Drittel aller Messungen liegen außerhalb des Normbereichs. Auffällig bei der Detailanalyse ist, dass die Abweichung bei nassen oder feuchten Fahrbahnzuständen ansteigt. Bei einzelnen Messungen herrschte Niederschlag als Schnee oder Regen, wodurch die mittlere absolute Abweichung dieser Messungen auf über 1,0 °C stieg.

Bild 9: Vergleich zwischen gemessener und angezeigter Fahrbahntemperatur [°C]

Die Problematik bei der Fahrbahntemperatur ergibt sich aus der häufigen Nutzung des Parameters, wie es die Nutzungsanalyse zeigt. Die Fahrbahntemperatur wird mit der Kenntnis der hohen Normgenauigkeit und Aussagekraft sehr häufig für Einsatzentscheidungen herangezogen. Korrelieren diese GMA-Daten in der Praxiserfahrung nicht mit den tatsächlichen Gegebenheiten, so führt dies zu einem Vertrauensverlust und im schlechtesten Fall zur Nicht-Nutzung des Parameters.

In den Interviews mit den Meistereien und den Straßenbauverwaltungen hat sich gezeigt, dass GMA nur teilweise vor oder nach der Installation sowie während des Betriebs auf ihre Genauigkeit und Funktion geprüft werden. Häufig werden nur grobe Abweichungen und Fehlfunktionen durch die Mitarbeiter erkannt und gemeldet, Ungenauigkeiten im Bereich der Normung können jedoch durch die Mitarbeiter nicht erkannt werden, wobei diese Ungenauigkeiten zu großem Misstrauen führen können.

Aus diesem Grund wird empfohlen, für alle GMA Verträge zur Durchführung von Wartung und Kalibrierung abzuschließen, um eine Verbesserung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit zu erreichen. Darüber hinaus wird empfohlen, nach der Installation der Anlage Abnahmeprüfungen sowie während des Betriebs regelmäßige Kontrollprüfungen an den Anlagen durchzuführen. Dies kann durch die Straßenbauverwaltungen oder unabhängige Dritte durchgeführt werden. Hierfür wird angeregt, vereinfachte Verfahren und Methoden für praxisgerechte in situ-Messungen zu entwickeln, mit deren Hilfe die Messwerte vor Ort über die Plausibilitätsprüfung der Anlage selbst sowie deren Plausibilisierung im nachgeordneten Netz überprüft werden können.

Darüber hinaus wird empfohlen, für GMA einen durchgehenden Qualitätssicherungsprozess durch die Straßenbauverwaltungen zu implementieren. Hierfür ist das technische Regelwerk der Leistungsbeschreibung zugrunde zu legen. Es sollten verbindliche Typprüfungen für alle Sensoren erfolgen, die die Eignung für den Einsatz in einer GMA nachweisen. Diese Typprüfungen können unter Laborbedingungen und in Testfeldern durch die BASt oder andere hierfür zertifizierte Stellen erfolgen. Im Weiteren sollte auch die Planung, die Ausschreibung und Vergabe, die Installation und Abnahme sowie der Betrieb und die Wartung in einem Qualitätssicherungsprozess innerhalb der Straßenbauverwaltung integriert werden. Umfassende Abnahmeprüfungen sollten für alle GMA vor Ort vorgesehen werden, bei denen neben den baulichen Kriterien vor allem auch die Qualität der Messdaten überprüft wird. Während des Betriebs sind, wie oben erwähnt, regelmäßige Kontrollprüfungen sinnvoll. Für Abnahme- und Kontrollprüfungen sollte geschultes Fachpersonal der Straßenbauverwaltung oder von unabhängigen Dritten eingesetzt werden.

6 Ergebnisse und Empfehlungen für die Praxis

Zusammenfassend wird aus den Untersuchungen deutlich, das GMA von großer Bedeutung für einen effizienten Winterdienst sind und daher auch im nachgeordneten Netz verstärkt zum Einsatz kommen sollten. Der Einsatz von GMA im nachgeordneten Netz ist generell zu empfehlen, da GMA wie auch an Autobahnen die wesentliche Informationsquelle für den Einsatzleiter bei der Organisation und Durchführung des Winterdienstes sind. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen können folgende Empfehlungen abgeleitet werden, wie GMA zur Verbesserung des Winterdienstes beitragen können:

–    Auswahl repräsentativer Standorte unter Beteiligung aller Institutionen

Es wird empfohlen, bei der Standortfindung alle relevanten Institutionen zu beteiligen. Dies sind insbesondere die Einsatzleiter der Meistereien mit Kenntnis über das zu betreuende Straßennetz, die Straßenbauverwaltung mit den Anforderungen an das Gesamtsystem, der Deutsche Wetterdienst (DWD) mit Anforderungen an Art, Weise und Genauigkeit der Messung und des Standorts sowie Dienstleister und Dritte, welche die Daten weiter aufbereiten. Eine Standortfindung bzw. -optimierung mittels Thermalkartierung ist in der Regel nicht erforderlich, da die genannten Institutionen ausreichend Anhaltspunkte zur Findung kritischer und relevanter Standorte geben.

–    Standortbezogene Auswahl der Sensorik und Installation von Kameras unter Berücksichtigung äußerer Rahmenbedingungen

Die Messung von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Niederschlagsintensität ist generell zu empfehlen und wird häufig als „All-in-one-Sensoren“ angeboten. Darüber hinaus wird aufgrund der durchgeführten Analyse empfohlen, Sensoren für Fahrbahnoberflächentemperatur und -zustand sowie eine hochauflösende, nachtsichtfähige Kamera zu installieren. Weitere spezifische Sensoren, wie für die Sichtweiten- oder die Schneehöhenmessung, sind hingegen relativ teuer und sollten daher nur bei Bedarf implementiert werden. Bei der Auswahl der Sensorik sollte auf äußere Rahmenbedingungen wie einen möglichen Stromanschluss, die Datenübertragung mittels Mobilfunk, die Sicherheit für die Straßennutzer sowie die am Standort vorherrschende Witterung (Sonne, Wind) geachtet werden.

–    Anwenderfreundliche Informationsaufbereitung und Schulung

Durch eine anwenderfreundliche Informationsaufbereitung soll erreicht werden, dass die Effektivität der GMA-Nutzung durch die Beachtung und Nutzung der Messwerte steigt. Hierzu ist es notwendig, dem Einsatzleiter alle winterdienstrelevanten Informationen aus verschiedenen Quellen nutzerorientiert, individuell anpassbar und übersichtlich darzustellen, um parallele Systeme und Widersprüche zwischen verschiedene Quellen zu vermeiden. Darüber hinaus wird empfohlen, Einsatzleiter über die Nutzung des Systems, Bewertung und Interpretation der Messwerte sowie allgemeine meteorologische Zusammenhänge zu schulen. Dies soll zu einem erhöhten Verständnis für die Messwerte und dadurch einer intensiveren Nutzung des GMA-Systems führen.

–    Überprüfung der Praxistauglichkeit bei Fahrbahnsensoren

Die durchgeführten Vergleichsmessungen an vorhandenen GMA haben gezeigt, dass die untersuchten Parameter die in der DIN 15518-3 [3] geforderten Fehlergrenzen überschreiten. Bei den Parametern Gefrierpunkt, Wasserfilmdicke und Salzkonzentration konnte keine ausreichende Korrelation zwischen Mess- und Anzeigewert nachgewiesen werden. Es wurde deutlich, dass eine aussagekräftige Bestimmung der Wasserfilmdicke in der Praxis nicht, eine Bestimmung der Fahrbahntemperatur mit Einschränkungen und Aussagen zur Gefriertemperatur nur mit größeren Abweichungen möglich sind. Aus diesem Grund wird empfohlen, die Messverfahren zur Bestimmung von Fahrbahnparametern auf ihre Praxistauglichkeit hin zu überprüfen beziehungsweise diese Daten nur unter Kenntnis der beschriebenen Abweichungen zu nutzen.

–    Abnahme- und Kontrollprüfungen sowie Wartungen im Rahmen eines Qualitätssicherungsprozesses

Bei der Analyse der Vergleichsmessungen hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit von älteren Anlagen tendenziell auch von der Durchführung regelmäßiger Wartungen und Kalibrierungen abhängig ist. Daher wird empfohlen, die Qualität der gemessenen und angezeigten Daten umfassend bei der Abnahme und im Rahmen der Gewährleistung zu überprüfen. Sinnvoll sind darüber hinaus regelmäßige Kalibrierungen durch den Hersteller, z. B. im Rahmen von Wartungsverträgen, sowie Kontrollprüfungen und fortlaufende automatisierte Plausibilitätsprüfungen der Messdaten durch die Straßenbauverwaltung oder unabhängige Prüfinstitutionen. Diese Instandhaltungsmaßnahmen sollten dabei in einen übergeordneten Qualitätssicherungsprozess integriert sein, der alle Phasen wie Planung, Ausschreibung und Vergabe, Bau, Installation und Abnahme sowie den Betrieb, die Schulung und die Instandhaltung beinhaltet.

Literaturverzeichnis

1. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (2013): Verkehrsinvestitionsbericht für das Berichtsjahr 2011, Drucksache 17/12230 des Deutschen Bundestages vom 25.1.2013
2. Deutsches Institut für Normung e.V. (2012): DIN 31051: Grundlagen der Instandhaltung, Beuth Verlag GmbH
3. Deutsches Institut für Normung e.V. (2011): DIN 15518-3: Winterdienstausrüstung – Straßenzustands- und Wetterinformationssysteme – Teil 3: Anforderungen an gemessene Werte der stationären Anlagen, Beuth Verlag GmbH
4. Deutsches Institut für Normung e.V. (2011): DIN 15518-4: Winterdienstausrüstung – Straßenzustands- und Wetterinformationssysteme – Teil 4: Prüfverfahren bei stationären Einrichtungen, Beuth Verlag GmbH
5. Bundesanstalt für Straßenwesen (2012): Technische Lieferbedingungen für Streckenstationen (TLS), Bergisch Gladbach