Aufnahme eines Leitungsnetzes in der Infrarot-Wärmekarte. Inzwischen können die Infrarotdaten nicht nur Wärmeunterschiede sehr genau erfassen, sondern bieten auch für die Befliegung eine gute geometrische Auflösung. Foto: Scandat GmbH

Wärmebilder liefern wertvolle Informationen zu Mängeln über technische Anlagen, Wildtiere in Wiesen und Wäldern oder über Defekte an Solarmodulen. Sie werden erzeugt mit speziellen thermischen Kameras, die Infrarotstrahlung abbilden können und die es bereits seit den 1930er Jahren gibt. Entdeckt wurde die Strahlung, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist (Infrarot) und im Wellenlängenbereich von 780 Nanometern bis hin zu einem Millimeter von dem deutsch-britischen Astronomen William Herschel Jahr 1800. Infrarot bildet also rein physikalisch einen viel größeren Bereich ab als das sichtbare Licht (panchromatisch), was zugleich einen Hinweis auf die Komplexität gibt. Infrarot ist vielschichtig und ist von anderen Gesetzmäßigkeiten geprägt, als es die Seherfahrung des Menschen im sichtbaren Bereich vermuten lässt. Dementsprechend erfordern Infrarotmessungen auch spezielles Know-how.

In den letzten 25 Jahren hat sich die Thermografie im Allgemeinen und die luftgestützte Anwendung im Besonderen aus den technologischen „Kinderschuhen“ heraus zu einem anerkannten Messverfahren entwickelt. Zuvor war die Wärmebildtechnik vor allem dem Militär vorbehalten. Neue, kostengünstig herzustellende Varianten haben dafür gesorgt, dass Infrarot sogar im Hobbybereich angekommen ist.

Vor allem der Klimawandel und energetische Fragestellungen erfordern heute den Einsatz großflächiger, systematischer Erfassungen im zivilen Bereich. Auch im Bereich der Fernwärme entsteht neuer Bedarf. Im Zuge der Dekarbonisierung besteht ein verstärktes Interesse an Fern- und Nahwärmekonzepten, so dass auch die entsprechenden Netze und deren Zustand in den Fokus der Betrachtungen rücken. Die luftgestützte Thermografie gilt heute als effizientes Verfahren zur Zustandsbewertung und Leckortung von Fernwärmeleitungen. Gerade die luftgestützten Anwendungen erfordern aber, was im Zuge der Verbreitung der Thermografie oft übers hen wird, ein hohes Maß an Know-how und bedürfen auch vor dem Hintergrund der Projektbeauftragung und -vergabe einer besonderen Betrachtung.

Typisches Flugzeug für die Befliegung inklusive Kamera vorne. Infrarotbefliegungen werden oft Nachts durchgeführt, wodurch es erhöhte Anforderungen für Fluggenehmigung und Lärm gibt. Quelle: SCANDAT/Diamond Aircraft

Anspruchsvolle Technik

Die Infrarotmesstechnik (umgangssprachlich Thermografie genannt) gibt es heute in allen möglichen Varianten, von der einfachen Bolometerkamera bis zur High-End-3D-Thermokamera. Im Sprachgebrauch unterscheidet man zwischen Infrarotkameras, die auf den nahen Infrarotbereich fokussieren und Restlicht benötigen, und Wärmebildkameras, die ein breiteres Wellenspektrum erfassen können, damit feiner auflösen und auch bei völliger Dunkelheit arbeiten. In der Praxis, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen, ist es jedoch notwendig, die Thermografie noch weiter zu verfeinern, um zu sinnvollen Projekten zu kommen.

Vor diesem Hintergrund hat die Arbeitsgemeinschaft Fernwärme (AGFW) e.V. die Praxishilfe „Thermografische Zustandsanalyse von Fernwärmenetzen mit Luftfahrzeugen“ herausgegeben. Maßgeblich unterstützt wurde diese Hilfe von Hans-Jörg Krickau, der auch Inhaber der SCANDAT Gesellschaft für innovative Fernerkundungstechnologien mbH ist, die sich seit Jahren auf dieses Themengebiet spezialisiert hat. Inzwischen ist Krickau nur noch beratend am Markt tätig und versucht, das über Jahrzehnte erworbene Know-how weiterzugeben. „Es besteht vor allem die Gefahr, dass die Technik durch falsche Anwendung, Auslegung oder Auswertung nicht die erwarteten Ergebnisse liefert und dadurch allgemein in Verruf gerät“, sagt Krickau. Dann ist die Thermografie anspruchsvoll, hat praktische Grenzen und bietet im Vergleich zur Bildtechnik wesentlich mehr technische Unterschiede, die es zu beachten gilt.

Unterschiede bei der Wellenlänge

Dazu ist es notwendig, das Wellenspektrum der Infrarotstrahlung zu verstehen. Man unterscheidet das nahe Infrarot von 780 nm bis 3000 nm (das entspricht 3 Mikrometern, der üblichen Messgröße im Infrarotbereich), das mittlere Infrarot (entspricht 3 μm bis 9 μm) und den langwelligen Bereich von 8 μm bis 15 μm. Grundsätzlich gilt: Je wärmer ein Körper ist, desto kürzer ist die Wellenlänge, d.h. desto näher liegt der Nanometerbereich. Für die Leckortung ist jedoch ein niedriger Temperaturbereich interessant. So wird z.B. meist die Erwärmung der Ummantelung einer Fernwärmeleitung gemessen, z.B. eines Straßenkörpers, der mehrere Meter betragen kann und an dessen Oberfläche die Temperatur nur um wenige Grad ansteigt. Das allein kann schon ein zuverlässiger Hinweis auf einen Schaden sein, aber dazu muss die Kamera in der Lage sein, diese kleinen Temperaturunterschiede fein aufgelöst abzubilden. Solche Kameras sind auf den langwelligen Bereich (8 μm bis 15 μm) spezialisiert und liefern Unterschiede bis weit unter 0,1 Kelvin. Das Angebot an Wärmebildkameras ist jedoch groß und sehr differenziert. Kameras zur Waldbranddetektion haben sehr unterschiedliche Spezifikationen und arbeiten im nahen und mittleren Infrarotbereich.

Weitere Unterschiede ergeben sich aus dem Konstruktionsprinzip der Kameras. Die Kameraspezifikationen sind auf das Konstruktionsprinzip der Kameras zurückzuführen. Es gibt flüssigkeitsgekühlte Systeme, bei denen die Detektoren stark gekühlt werden (üblich sind etwa -190 Grad Celsius), um die Messqualität zu erhöhen. Diese Systeme sind zwar kostenintensiv, aber in Bezug auf Auflösung und Messgeschwindigkeit (analog zur Verschlusszeit einer optischen Kamera) für den fliegenden Einsatz im Flugzeug unerlässlich. Der erforderliche Wellenlängenbereich liegt ebenfalls bei 8 μm – 14 μm mit einer minimalen Pixelauflösung von 640 x 512 Pixel. Der Richtwert für die Bodenauflösung beträgt 25 cm. Die geforderte Temperaturauflösung von 0,1 Kelvin ist bei modernen Thermografiegeräten in der Regel bereits ab Werk gewährleistet. Laut AGFW-Praxishilfe sollten die Thermografiegeräte innerhalb der letzten zwei Jahre kalibriert worden sein. „Insgesamt sind aufgrund der Befliegungen kaum Angebote von der Stange möglich, vielmehr gilt es, die Anforderungen im Projekt genau zu definieren und diese dann präzise in die Vergabeprozesse einfließen zu lassen“, so Krickau. So ist es auch heute noch üblich, dass Messgeräte von anderen Firmen oder Institutionen (z.B. DLR) ausgeliehen werden.

Datenauswertung

Moderne Infrarotkameras sind in der Lage, auch bei vergleichsweise kalten Körpern wie etwa Straßen Temperaturunterschiede von wenigen Grad zu erkennen, die auf eine defekte Fernwärmeleitung im Untergrund hinweisen können. Die Rohdaten sind in Grauwerten abgestuft, zur intuitiveren Visualisierung werden sie in bunte Karten (oben) „umgerechnet“. Foto: Scandat GmbH

Die thermischen Rohbilddaten werden radiometrisch korrigiert und anschließend georeferenziert. Das Ergebnis ist eine thematische Thermalkarte im regionalen Koordinatensystem. Die Auswertung erfolgt in zwei Varianten, einmal als Karte und einmal als numerische Version in Tabellenform, in der die thermischen Anomalien den im GIS vorhandenen Infrastrukturelementen räumlich zugeordnet werden. Die erfassten thermischen Anomalien werden in der Regel farblich klassifiziert, wobei das Ampelprinzip rot/gelb/grün üblich ist. Für die Auswertung spielt die Modellierung der physischen Gegebenheiten eine große Rolle, da die Wärmestrahlung eigenen Gesetzmäßigkeiten folgt. Wichtig ist die sogenannte Transmission, also die Durchlässigkeit von Körpern für Strahlungen anderer Körper, was der typische Fall ist, wenn eine Fernwärmeleitung baulich überdeckt ist. Bis zu einer Überdeckung von ca. 2 -2,5 m sind die Erkenntnisse bezüglich Leckagen und schweren Schäden in der Regel sehr belastbar, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Überdeckung eine entscheidende Rolle spielt. Es macht beispielsweise einen Unterschied, ob das Leitungsnetz in Sand, Lehm- oder Lössböden liegt. „Hier muss eine Menge thermografisches Know-how in die Auswertung fließen, sonst ist kein Verlass auf die Ergebnisse“, beschreibt Krickau. Schließlich könnten aus Fehlinterpretation teure Maßnahmen wie etwas überflüssige Aufgrabungen oder teure Folgeuntersuchungen resultieren, und dann das Vertrauen in die Thermografie allgemein belasten würde.

Äußere Randbedingungen

Die Befliegung ist theoretisch ganzjährig möglich, in der Praxis gibt es aber Limitationen. Befliegungen erfordern trockene Witterungen, geringe Luftfeuchte, wolkenlosen Himmel und vor allem eine möglichst niedrige Temperatur (unter 5 Grad Celsius) während der Heizperiode. In der Regel wird daher nachts beflogen, ab zwei Stunden nach Sonnenuntergang da hier Reflexions- und Störquellen am Boden weitestgehend entfallen sind und die Temperaturdifferenzen (zwischen schadhaften und den angrenzenden, normalen Zonen) größer geworden ist. Dies spielt insbesondere bei unterirdischen Störungen eine Rolle, bei denen Fernwärmeleitungen etwa direkten Straßenbereich überdeckt sind. Die praktisch nutzbare Flugzeit ist daher insgesamt gering und die Projektplanung folglich anspruchsvoll. Zeitpunkt dafür sind die Heizperioden, daher sollten, so Krickau, die Vorbereitungen bis spätestens zum Ende des Kalenderjahres abgeschlossen sein. Wichtig sind auch die Fluggenehmigungen, die beim nächtlichen Flugbetrieb besondere Beachtung finden müssen. Für großflächige Inspektionen ist ein Tragflächenflugzeug mit Nachtfluggenehmigung, einem entsprechendes Lärmschutzzeugnis sowie die Einhaltung der aktuell geltenden Co2-Rechtsvorschriften vorgeschrieben. Bei kleineren Netzen ist auch die Verwendung von UAV möglich, die allerdings nur tagsüber in bewohntem Gebiet erlaubt ist (mit gesondertem Genehmigungsverfahren).

www.arge-waermewende.de

Der Beitrag Thermografie aus der Luft erschien zuerst auf Business Geomatics.

Flüssigkeitsgekühlt

Graphische Darstellung einer Schadstelle: Durch eine angepasste Farbskala wird diese deutlicher sichtbar, da im restlichen Bild weniger Farben vorhanden sind, die die Aufmerksamkeit ablenken.
Quelle: GeoFly GmbH

Und doch: Ohne Technik ist alles nichts. Das gilt leider besonders für die Fernerkundung, denn hier ist die Frage nach einem geeigneten Detektor vielleicht noch wichtiger als bei den üblichen optischen Kameras.
Im Bereich der Thermografie setzt GeoFly auf Sensoren der Firma Infratec, die zu den weltweit führenden Spezialisten auf dem Gebiet der Infrarottechnik zählt. Die Kamera gehört zur Gattung der Flächenkameras (FPA-System (Focal-Plane-Array-System)), die mit so genannten Quantendetektoren arbeiten. Das Besondere an diesen Sensoren ist, dass sie flüssigkeitsgekühlt bei etwa minus 190 Grad Celsius (70 Kelvin) arbeiten. „Die Sensoren ermöglichen zudem eine kürzere Flugzeit bei gleicher Fläche sowie variable Flughöhen bei hohem Flugaufkommen“, beschreibt Damrau.
Entscheidend ist dabei das Kühlsystem, das zwar aufwendig und damit teuer ist, aber entscheidende Eigenschaften für den Einsatz am Flugzeug erst ermöglicht. Die Grundidee: Je kälter der Sensor ist, desto feiner und genauer kann er die Infrarotstrahlung messen. Quantendetektoren erkennen Unterschiede von bis zu 10 Millikelvin.
Eine weitere Eigenschaft der gekühlten Detektoren ist die hohe Bildwiederholrate. Der Detektor ist sehr schnell, er kann also innerhalb kürzester Zeit neue „Aufnahmen“ machen und bewegte Objekte genauer erfassen. „Die Wärmebilder werden dadurch sehr scharf und ermöglichen die Datenerfassung bei hohen Geschwindigkeiten, wie sie beim Fliegen üblich sind“, sagt Damrau.

Mittel- und Langwellen
Ein weiteres wichtiges technisches Merkmal der GeoFly-Anlage ist die Verwendung von sogenannten Langwellen-Detektoren, die eine andere Qualität als die Mittelwellenvarianten haben. Die Mittelwelle-Geräte lösen Temperaturunterschiede nicht so fein auf und haben ihren Schwerpunkt auch bei höheren Temperaturen von 300° Celsius bis 1095° Celsius (2μm und 5μm Wellenlänge), etwa beim Erkennen von Waldbränden. Langwellen haben ihren Schwerpunkt bei niedrigeren Temperaturen (0° Celsius – 100° Celsius) und ermöglichen auch eine bessere Interpretation der Ergebnisse. Sie reagieren beispielsweise im Gegensatz zur Mittelwelle nicht auf die Einflüsse bezüglich der Infrarotstrahlung, die ein strahlender Körper naturbedingt hat.
Ein Beispiel hierfür ist Asphalt. Schwarzer und grauer Asphalt haben trotz gleicher Temperatur je nach Sensor unterschiedliche Emissionsgrade. Bei Langwelle gibt es nur einen Emissionsgrad für Asphalt, bei Mittelwelle müssen für schwarzen und grauen Asphalt unterschiedliche Emissionsgrade gewählt werden, um die gleiche Temperatur zu messen. „Theoretisch lässt sich das korrigieren, aber das ist sehr aufwendig, weil es für jeden Bereich manuell eingestellt werden muss und fehleranfällig ist“, erklärt Damrau. Langwellige Detektoren sind auch wesentlich unempfindlicher gegen Reflexionen, was bei Klimaflügen (wegen der Sonnenreflexion) sehr wichtig ist.
Zudem sind gekühlte Langwellen-Detektoren temperaturstabiler. Entscheidend ist die sogenannte Non Uniformity Correction (NUC), eine Art Kalibrierung des Detektors, die vor der ersten Messung durchgeführt werden muss. Bei ungekühlten Mikrobolometern ist dieser Abgleich innerhalb weniger Minuten notwendig und muss jeweils zu Beginn und erneut am Ende eines Flugstreifens durchgeführt werden, da sonst die Messergebnisse einer Temperaturdrift unterliegen. Bei gekühlten Quantendetektoren ist der erneute Abgleich erst nach Stunden notwendig. „Somit wird keine wertvolle Flugzeit vergeudet. Um Quantendetektoren kommen viele Anwendungen sowieso nicht herum, und meist wiegen die vielen Vorteile die höheren Kosten bei Weitem auf“, ist Damrau insgesamt überzeugt.

Beispiel Klimabefliegung. Hier wird die Temperaturentwicklung im Tagesverlauf ermittelt. Das Projektgebiet wurde zu drei verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen: links kurz vor Sonnenaufgang (Temperaturminimum), in der Mitte kurz nach Sonnenhöchststand (Maximum) und rechts nach Sonnenuntergang zur Ermittlung des Abkühlungsverhaltens.
Quelle: GeoFly GmbH

Einsatz von KI
GeoFly arbeitet an der Weiterentwicklung der Lösung. Ab dem kommenden Winter soll es etwa eine Online-Vorberechnung der Daten noch in der Luft geben, durch die Temperaturspitzen ersichtlich sind. KI spielt dafür die entscheidende Rolle, um die menschliche, subjektive Analyse der Daten zu unterstützen. „Unsere KI profitiert dabei vom extrem großen Datenbestand der Projekte von SCANDAT und GeoFly“, so Damrau.

www.GeoFly.de

Der Beitrag GeoFly: Auf der langen Welle erschien zuerst auf Business Geomatics.

Das von MVV Regioplan für den Climap-Dienst entwickelte Fahrzeug zur kinematischen Erfassung von Wärmebildern der Gebäudefassaden.
Quelle: MVV Regioplan

Durch die Stadt Bad Honnef sind im Winter im Rahmen einer Kooperation mit der MVV Regioplan GmbH, Tochterunternehmen des Mannheimer Versorgers MVV aus Mannheim, Wärmebilder (Thermografie) von sämtlichen Bestandsgebäuden im Stadtgebiet erstellt worden. Hierzu sind spezielle MVV-Thermografie-Fahrzeuge im Februar 2025 durch die Straßen gefahren. Ergänzt werden die Aufnahmen durch ein Thermografie-Flugzeug aus der Luft. Dazu hat die MVV Regioplan ein Befliegungsunternehmen beauftragt.
Die Erstellung der Aufnahmen ist eine Maßnahme des Integrierten Klimaschutzkonzepts der Stadt Bad Honnef. Dieses Konzept geht davon aus, dass Wohngebäude im Stadtgebiet sowohl den höchsten Anteil an Treibhausgasemissionen haben als auch gleichzeitig das größte Einsparpotenzial durch effizientere Energieerzeugung, nachhaltigere Energienutzung und Senkung von Energieverbräuchen bietet.
Swen Schmitz, Klimaschutzmanager der Stadt Bad Honnef, erklärt: „Mit der Aktion wollen wir die Eigentümerinnen und Eigentümer der Bestandsimmobilien dabei unterstützen, Einsparpotenziale zu identifizieren. Die Erkenntnisse helfen, um beispielsweise mit einem Energieberater oder mit Unterstützung der Energieagentur Rhein-Sieg Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz der Gebäude zu treffen.“
Voraussetzung für diese und weitere Maßnahmen aus dem Maßnahmenkatalog des Integrierten Klimaschutzkonzeptes war die seit Oktober bestehende Rechtskraft der beantragten Förderung des Förderprogramms „KSI: Begleitende Umsetzung des integrierten Klimaschutzkonzeptes der Stadt Bad Honnef – Anschlussvorhaben“ für den Zeitraum vom 01. Februar 2024 bis 31. Januar 2027. Das Förderprogramm ist Teil der Nationalen Klimaschutzinitiative, mit welcher das Bundesumweltministerium seit dem Jahr 2008 Projekte fördert, die einen Beitrag zur Senkung von Treibhausgasemissionen leisten.

Günstige Wetterlage für Aufnahme von Wärmebildern
„Für die Aufnahme von Wärmebildern sind kalte, trockene Herbst- und Winternächte eine ideale Voraussetzung. Diese Wetterkonstellation lässt sich leider nicht längerfristig planen, sodass kein konkreter Zeitpunkt für die nächtlichen Befahrungen angegeben werden kann“, erläutert Simon Gans, Programmleiter für digitale Stadtentwicklung bei der MVV-Tochtergesellschaft MVV Regioplan. Im Rahmen der Befahrungen wird ein mit Wärmebildkameras ausgestattetes Fahrzeug, das von der MVV Regioplan entwickelt worden ist, bei Nacht Aufnahmen der Gebäudefassaden erstellen.
Climap wird außerdem Wärmebilder der Dächer der Stadt mit einem Spezialflugzeug aufnehmen. Dazu kooperiert das Unternehmen mit entsprechenden Dienstleistern. Zwar bietet sich auch die Befliegung via Drohnen an, was aufgrund der geringeren Flughöhe auch bessere Thermobilder liefern würde, doch diese Befliegung wird von Kommunen oder Versorgern häufig nicht gewünscht. „Oft liegt das gar nicht an der Fluggenehmigung, die durchaus möglich ist, sondern an Bedenken gegenüber den Bürger:Innen, die sensibel auf die unbemannten Flugobjekte reagieren könnten“, weiß Gans. Die Kooperationen mit Befliegungsunternehmen waren zustande gekommen, weil man thermografische Daten aus Fernwärmenetzaufnahmen zweitverwertet hatte und sich die Daten als sehr leistungsfähig herausgestellt hatten.
Mit dem Innovationsprojekt Climap hat MVV eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, den Gebäudebestand in Städten und Kommunen in großem Maßstab mit Wärmebildern zu erfassen und diese automatisiert auszuwerten. So wurden seit dem Start des Projekts im Jahr 2020 bereits in einer Vielzahl von Städten und Gemeinden Baden-Württembergs, Nordrhein-Westfalens und von Rheinland-Pfalz Wärmebilder aufgenommen und vom Projekt Climap umgesetzt.

Vom Fahrzeug erfasste Wärmebilder von Fassaden. Quelle: MVV Regioplan

Energieberichte
Aus den erfassten Wärmeaufnahmen sowie aus weiteren gebäudespezifischen Informationen, wie beispielsweise dem Baualter, entwickelt Climap eine Wärmelandkarte. Diese gibt Auskunft über den energetischen Zustand der Gebäude und deren Energieeinsparpotenziale. Im Energiebericht ist der energetische Gebäudezustand durch eine einfache Ampellogik veranschaulicht.
Voraussichtlich im Mai 2025 liegen die Ergebnisse für Bad Honnef vor, sodass interessierte Hauseigentümer, deren Häuser thermografisch erfasst wurden, dann ihren individuellen Energiebericht im Portal www.climap.de bestellen können. Der Energiebericht ist eine Climap-Dienstleistung und liefert grundlegende Daten für den „Start in eine Gebäudemodernisierung“.

www.climap.de

Der Beitrag Bad Honnef erstellt Wärmelandkarte erschien zuerst auf Business Geomatics.