Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

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Patrick Hochloff

Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Königstor 59
34119 Kassel

Tel.: +49 561 7294-214
patrick.hochloff@iwes.fraunhofer.de

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Logo EnWasserErschließung eines Lastmanagement-potenzials in der Wasserversorgung zur Integration erneuerbarer Energien

Hintergrund

Es ist davon auszugehen, dass der Anteil der erneuerbaren Energien im Stromversorgungssystem in den nächsten Jahrzehnten stetig zunehmen wird. Diese sich verändernde Energieerzeugungsstruktur stellt neue Herausforderungen an das Stromversorgungssystem und an große Stromverbraucher. Die volatile Einspeisung aus Wind- und Solarenergie und ihre regionale Verteilung erfordert künftig eine höhere Anpassungsfähigkeit aller Erzeuger und Verbraucher im Stromversorgungssystem. Verbraucherseitige Maßnahmen zur Flexibilisierung tragen zur Aufnahmefähigkeit von Wind- und Solarenergie in das Stromversorgungssystem bei. Großen Stromverbrauchern in Süddeutschland fällt in Folge der Verzögerungen im Netzausbau mit der Fähigkeit zum kurzfristigen Lastabwurf eine besonders wichtige Rolle zu. Strukturell bedingt können Fernwassersysteme wie z. B. die Bodensee-Wasserversorgung einen hohen Stromverbrauch haben, wenn große Förderhöhen überwunden werden müssen. Das Förderregime richtet sich bisher nach dem Wasserbedarf im Versorgungssystem und bekannten Rahmenbedingungen wie Hoch- und Niedertarifen, berücksichtigt jedoch kaum das Angebot aus erneuerbaren Energien oder die sonstige Stromnachfrage.

Hochbehälter Büttnau am Eingang des Albstollens

Abb. 1: Hochbehälter Büttnau am Eingang des Albstollens

In der Wasserversorgung, insbesondere in energieintensiven Systemen, können deutliche Lastmanagementpotenziale gehoben werden. Wenn die Betriebszeiten der Förderpumpen flexibel gestaltet werden können, kann der Einsatz an die volatile Stromeinspeisung aus Wind- und Solarenergie angepasst werden. Damit ist ein Stromverbrauch mit einem hohen Anteil der erneuerbaren Energien möglich. Gleichzeitig wird die Versorgungssicherheit in der Wasserversorgung bei Engpässen in der Stromversorgung erhöht, die flexible Fahrweise planbar gemacht für einen kostengünstigen Stromeinkauf oder für Zusatzeinnahmen in Systemdienstleistungsmärkten und somit auf eine nachhaltige Energieversorgung umgestellt. Das Forschungsprojekt „EnWasser – Erschließung eines Lastmanagementpotenzials in der Wasserversorgung zur Integration erneuerbarer Energien“ befasst sich mit der Stromversorgung für den Betrieb von überörtlichen Wasserversorgungssystemen und Fernwasserversorgungssystemen. In einem interdisziplinären Verbundprojekt wird untersucht, wie der Stromverbrauch mit erneuerbaren Energien gedeckt werden kann und welche Maßnahmen im Wasserversorgungssystem ergriffen werden müssen.

Ziele

Der Fokus des Verbundvorhabens richtet sich auf Wasserspeicherkapazitäten und alle weiteren Maßnahmen zur Herstellung der Speicherfähigkeit. Mit Wasserspeicherkapazitäten kann die Anpassungsfähigkeit des Pumpstromverbrauchs hergestellt und zeitlich vom Wasserbedarf entkoppelt werden. Mit der Erschließung eines derartigen Lastmanagementpotenzials können eigene oder fremde Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien genutzt, die Volatilität der Strommarktpreise ausgenutzt und Systemdienstleistungen im Stromnetz durch An- oder Abschalten der Pumpen bereitgestellt werden. Die Speicherung größerer Mengen von Roh- oder Reinwasser in einem Wassersystem aus energetischen Gründen stellt dabei eine neue Herausforderung dar, die im Kontext bisheriger Wasserspeicherlösungen nicht Stand der Technik ist. Bisher dienen Wasserreservoirs der Sicherstellung der Wasserversorgung. Künftig könnten Wasserspeicher ähnlich wie ein Pumpspeicherwerk genutzt werden. Der Lösungsansatz des Verbundvorhabens liegt zwischen den Anforderungen der Wasserversorgung und der energiewirtschaftlichen Nutzung. Bei der Dimensionierung und Nutzung von  Wasserspeichern sind der energiewirtschaftliche Nutzen, mögliche Qualitätsänderungen des Wassers, der bauliche Aufwand und die technischen Möglichkeiten der Betriebsmittel zu beachten. Das Ziel des Vorhabens ist es, eine fundierte Basis für die energie- und wasserwirtschaftliche Bewertung der Lastmanagementpotenziale in großen Wassersystemen und ihre Erschließung herzustellen. Durch einen interdisziplinären Ansatz werden die Anforderungen aus unterschiedlichen Sichtweisen definiert und die Lastmanagementpotenziale entsprechend bewertet.

Wasseraufbereitungsanlage auf dem Sipplinger Berg

Abb. 2: Wasseraufbereitungsanlage auf dem Sipplinger Berg

Arbeitsschwerpunkte

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Entwicklung von Energieversorgungskonzepten für die Speisung des Wasserversorgungssystems der Bodensee-Wasserversorgung und Versorgungssystemen mit ähnlichen Herausforderungen. Darin enthalten sind Maßnahmen zur Umsetzung eines Lastmanagements mit den Förderpumpen und die entsprechende Dimensionierung von Wasserspeicherkapazitäten. Damit soll eine weitestgehende Stromversorgung aus erneuerbaren Energien für den Betrieb des Wasserversorgungssystems realisierbar werden. Die Konzepte werden mittels Szenarien der zukünftigen Energieversorgung betriebswirtschaftlich bewertet. Einen weitereren Schwerpunkt bildet die Untersuchung der notwendigen technischen Maßnahmen an den Anlagen zur Umsetzung eines variablen Betriebs in Abhängigkeit der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien. Insbesondere die Anforderungen an die Wasseraufbereitung bei einer Speicherung auf verschiedenen Aufbereitungsstufen sowie die Fördertechnik werden dabei eingehend untersucht. Es werden integrierte Anlagenkonzepte entwickelt, die die Randbedingungen der Fördertechnik, der Rohrleitungen, der Wasseraufbereitung und der Speicherkapazitäten und entsprechende Maßnahmen beinhalten. Im Rahmen einer Vorplanung werden die Kosten für die entwickelten Maßnahmen geschätzt. Im Rahmen einer Simulation des Anlageneinsatzes im Jahresverlauf werden die Anlagenkonzepte mit Energieversorgungskonzepten auf ihren energiewirtschaftlichen Nutzen hin geprüft. Dafür werden Modelle der Anlagen entwickelt, die im zeitlichen Verlauf der  Stromversorgung, der Wasserverfügbarkeit und der Wasserentnahme im Verteilnetz den Einsatz optimieren. Die Maßnahmen zum Lastmanagement und zur Energieversorgung mit erneuerbaren Energien werden daraufhin im Rahmen der Strom- und Wasserversorgung hinsichtlich ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses sowie der Risiken bewertet.

Weitere Informationen

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