Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Kontakt

Prof. Dr. F. Wolfgang Günthert

Universität der Bundeswehr München
Institut für Wasserwesen, Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85579 Neubiberg

Tel.: +49 89 6004-2156
wolfgang.guenthert@unibw.de

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Logo EWIDEnergiegewinnung im Wasserverteilungsnetz durch intelligentes Druckmanagement

Hintergrund

Im öffentlichen Bereich zählt die Wasserversorgung zu den großen Verbrauchern elektrischer Energie. Gleichzeitig muss zur Druckbegrenzung in den Netzen aber auch ständig Energie vernichtet werden, indem sie in nutzlose Schall- und Wärmeenergie umwandelt wird. Das Vorhaben EWID soll Wege aufzeigen, diese Energievernichtung zu verringern. Als Turbinen betriebene Pumpen (PaT) sollen die Aufgabe konventioneller Druckminderer im Wasserverteilungsnetz übernehmen und gleichzeitig elektrische Energie erzeugen. Hierdurch wird die Energiebilanz in der Wasserversorgung verbessert und ein Beitrag zur Eigenenergieversorgung geleistet. Die Wasserabgabe über das Netz folgt typischen saisonalen und tageszeitlichen Profilen, die von momentanen Schwankungen überlagert werden. Hierdurch kommt es, besonders in den unteren Ebenen des Netzes in unmittelbarer Nähe der Verbraucher, zu ständigen Druckschwankungen. Eine „einfach“ in die Leitung eingebaute Turbine kann unter diesen Bedingungen nur einen Teil der Druckenergie in elektrische Energie umwandeln. Um dieses Problem zu lösen, setzt sich EWID zum Ziel, ein System zu entwerfen, welches sich intelligent und dynamisch der jeweiligen aktuellen Situation anpasst.

Höhendifferenzen zur Energieerzeugung in der Modellregion Bayerisches Oberland

Abb. 1: Höhendifferenzen zur Energieerzeugung in der Modellregion Bayerisches Oberland

Das Verbundforschungsprojekt leistet einen bedeutenden Beitrag zur Energieeffizienz und Energiegewinnung in der Wasserwirtschaft. Die intelligente Regelung des Systemdruckes trägt zusätzlich zur Verringerung des Materialstresses und von Wasserverlusten bei und fördert damit den nachhaltigen Umgang mit der natürlichen Ressource Wasser.

Ziel

Ziel des Vorhabens ist es, das auf der Energiedissipation beruhende „klassische“ Druckmanagement in Wasserverteilungsnetzen mittels Ventilen durch ein Druckmanagement unter Erzeugung elektrischer Energie zu ersetzen bzw. zu ergänzen. Dabei sollen neue Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Energie in Trinkwassernetzen erschlossen und somit Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Wasserwirtschaft aufgezeigt werden.

Arbeitsschwerpunkte

Im Forschungsvorhaben soll ein PaT-System (Pumpe als Turbine) entwickelt werden, welches aus der eigentlichen Druckregel- und Energiegewinnungseinheit (umgedreht angeströmte Pumpe + Generator) und einer überlagerten Steuerung für das „intelligente“ Druckmanagement besteht. Dieses Gesamtsystem bildet die Versuchseinrichtung. Für die verschiedenen Entwicklungsstufen des PaT-Systems, sowie die zu verwendenden Komponenten, sind umfangreiche Erprobungen an einem Teststand (Teststrecke + Versuchseinrichtung) erforderlich. Mit der Konzeption dieses Systems geht die Erarbeitung der Grundlagen für die interne Steuerung dieser Einheit einher. Dabei müssen Algorithmen für die optimierte Druckregelung im Wasserverteilungsnetz entwickelt werden. Um die Versuchsumgebung der Systementwicklung zu Projektbeginn genau zu definieren, werden die konkreten Randbedingungen der Anwendungspartner definiert und geeignete Pilotbezirke ausgewählt. Die Netzdaten aus GIS und Prozessleitsystemen werden hierfür von den Netzbetreibern zur Verfügung gestellt. Sollten diese nicht ausreichen, müssen zusätzliche Daten durch die Erweiterung des Messnetzes im Vorfeld generiert werden. Für die Vergleichbarkeit aller erfassten Daten müssen diese danach in eine gemeinsame Datenstruktur übertragen und vereinheitlicht werden.

Technische Anlage zur Druckerhöhung, -minderung

Abb. 2: Technische Anlage zur Druckerhöhung, -minderung

Ziel ist die dezentrale Erfassung, Übertragung und Verarbeitung von Informationen und Daten im Netz der Wasserversorger. Entwickelt werden müssen Soft- und Hardwarekomponenten, die über die Realisierung verschiedenster Datenschnittstellen, die Anbindung von Sensorik, Steuereinheiten sowie analogen/digitalen Eingangs-/Ausgangssignalen an dezentralen Stationen im Netz den sicheren und effizienten Datenaustausch zwischen den Kommunikationseinheiten (Com-Units) im Netz (inklusive Querkommunikation) und der Leitsystem-Zentrale ermöglichen. Dies hat, aufgrund der Dynamik im Wasserversorgungsnetz, in „Quasi-Echtzeit“ zu geschehen. In einem dynamischen Modellabgleich müssen die übertragenen Informationen zur  Ableitung regelungstechnischer Steuerungslogiken und -befehle für das intelligente Druckmanagement für die Ansteuerung der hydraulischen PaT-Einheiten (Versuchseinrichtung bzw. der Feldversuchseinrichtungen) genutzt werden. Ziel ist die Verbindung der bedarfsorientiert optimierten Druckregelung für das Versorgungsnetz mit der maximalen Energieerzeugung durch die PaT-Einheit (Versuchseinrichtung, später Feldversuchseinrichtungen). Hierzu soll die „Nahe-Echtzeit“ Nutzung von Wassernetzsimulationsmodellen in Verbindung mit Optimierungsstrategien erprobt werden. Regelungsstrategien für das „intelligente“ Druckmanagement basierend auf in Echtzeit gemessenen physikalischen Größen, wie Druck und Durchfluss sowie modellgestützten Daten, müssen entwickelt und überprüft werden. Erreicht werden soll eine effizientere Regelung des Druckes in den Wasserverteilungsnetzen bei gleichzeitiger („verlustfreier“) Energierückgewinnung und bedarfsgerechter Versorgung. Weiterhin werden Daten sowohl für die potenzielle Energieerzeugung als auch zu Anlagenkosten erhoben, sowie Vorschläge für die Energienutzung im Inselbetrieb erarbeitet. Nach der Entwicklung und Erprobung soll die „neue Systemeinheit“ im realen Netz eingebaut werden. Dabei soll die Regelung des Systems über eingebaute Drucksensoren an kritischen Punkten des Netzes erfolgen, um ein dezentrales Druckmanagement zu erproben. Nach einer erfolgreichen Inbetriebnahme muss das System einer Optimierung und Justierung unterzogen und das Verhalten im Dauerbetrieb angepasst werden. Basierend auf den Ergebnissen der Technikumserprobungen und der Verifizierung des zu entwickelten Systems im Netz wird anhand des Abschlussberichtes ein Leitfaden für Fachverbände (DVGW), Wasserversorger, Kommunen sowie Planungsbüros als praktische Arbeitshilfe erstellt. In Hinblick auf den zukünftigen Einsatz der Systeme in weiteren Unternehmen der Wasserwirtschaft muss eine detaillierte Erfassung der technischen und administrativen Randbedingungen für den Einsatz der neuen Systeme vorgenommen werden. Topographie, Siedlungsdichte, Hydrogeologie und Klima (Niederschlag) spielen hier eine zentrale Rolle. Ebenso sollen Versorgungsstruktur (zentral/dezentral) und Netzlängen berücksichtigt werden.

Weitere Informationen

>> zu den Arbeitspaketen

>> zur Homepage des Verbundes