Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

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Prof. Dr. Martin Böhle

Technische Universität Kaiserslautern
Gottlieb-Daimler-Str. 47
67663 Kaiserslautern

Tel.: +49 631 205-2769
martin.boehle@mv.uni-kl.de

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Logo H2OptInteraktive Entscheidungsunterstützung für das Betriebs- und Energiemanagement von Wasserversorgungsbetrieben auf der Grundlage von mehrkriteriellen Optimierungsverfahren

Hintergrund

Die flächendeckende, konstante Trinkwasserversorgung der Bevölkerung stellt eine essentielle Aufgabe eines jeden Gemeinwesens dar. Planer und Betreiber von Trinkwasserversorgungsanlagen müssen dabei die Versorgungssicherheit und eine hohe Trinkwasserqualität auf der einen Seite und eine nachhaltige Wasserentnahme und eine möglichst hohe Kosten- und insbesondere Energieeffizienz bei der Versorgung auf der anderen Seite sicherstellen. Der mögliche Nutzen von Energieeinsparungen wird besonders deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, dass pro Einwohner etwa 29 kWh/Jahr für die Gewinnung, Aufbereitung und Verteilung von Trinkwasser aufgewendet werden. Dies entspricht bei einem Strompreis von 20 ct/kWh und rund 80 Mio. Einwohnern in Deutschland Kosten von etwa 460 Mio. € pro Jahr – Tendenz mit teurer werdender Energie steigend. Den weitaus energieintensivsten Teil in der Trinkwasserversorgung stellt der Betrieb der Pumpen in den Wasserwerken dar. So belaufen sich zum Beispiel die Stromkosten bei der Stadtwerke Kaiserslautern Versorgungs- AG allein für den Transport des Trinkwassers auf 600.000 € pro Jahr. Studien anhand von Messungen von 2.500 Brunnenpumpen haben gezeigt, dass ca. 37% aller Brunnen zu hohe Energiekosten aufweisen, da die Pumpen nicht im optimalen Betriebsbereich aufgrund fehlerhafter Auswahl bzw. Regelung betrieben werden. Die Gründe hierfür liegen oft in der Komplexität der Anlagen, hervorgerufen durch die Vielzahl und Interaktion der einzelnen Komponenten, sowie die schwankende Trinkwasserverfügbarkeit und den schwankenden Verbrauch. An dieser Stelle setzt das Verbundprojekt an.

Ziele

Ziel des Verbundprojektes ist die Erstellung einer Software, die es ermöglichen wird, eine Optimierung von Anlagen zur Trinkwasserversorgung unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten durchzuführen. Nutzer der Software werden Wasserversorger und Planungsbüros sein. Die Software soll eine ganzheitliche Betrachtung der Anlage ermöglichen. Somit können alle Komponenten einer Trinkwasserversorgungsanlage, aus den Bereichen Wasserförderung, Wasseraufbereitung, Wasserspeicherung und Wassertransport, die bedeutsam für den Energieverbrauch sind, virtuell abgebildet werden (Abb. 1).

Modellierungsumfang am Beispiel des Wasserwerks Rote Hohl Kaiserslautern

Abb. 1: Modellierungsumfang am Beispiel des Wasserwerks Rote Hohl Kaiserslautern

In Kombination mit modernen Optimierungsverfahren erfolgt die Simulation und Berechnung optimaler Komponenten. Dabei werden neben den Energiekosten weitere Kriterien zur Optimierung wie z. B. die Lebenszykluskosten, die Schalthäufigkeit der Pumpen, die Gewährleistung der Versorgungssicherheit, die Vermeidung von Druckstößen, etc. berücksichtigt. Bei dieser mehrkriteriellen Optimierung mit mehreren Optimierungsvariablen gibt es nicht nur eine optimale Lösung sondern eine Vielzahl an Lösungen, die den besten Kompromiss darstellen. Basierend auf diesen Ergebnissen muss der Planer eine Entscheidung über die Konfiguration der Anlage treffen. Durch eine Oberfläche zur Entscheidungsunterstützung erhält der Nutzer die Möglichkeit, interaktiv diese optimalen Einzellösungen zu analysieren und die Auswirkungen auf den Betrieb der Anlage ganzheitlich zu erfassen. Dabei wird durch die Optimierung sichergestellt, dass nur die Lösungen, die den besten Kompromiss darstellen, betrachtet werden. Durch die Einbindung einer Komponentendatenbank wird es möglich sein, Alternativen zu den bereits vorhandenen Komponenten, wie z. B. Pumpen, bei der Optimierung zu berücksichtigen. Eine schematische Darstellung der einzelnen Softwaremodule ist in Abb. 2 dargestellt.

Arbeitsschwerpunkte

Die Modellierung des Wasserwerkes und des Rohrleitungsnetzes stellt zu Beginn des Projektes den Hauptarbeitsschwerpunkt dar. Für das Wasserwerk werden Simulationsmodelle von Brunnen, Pumpen, Komponenten zur Wasseraufbereitung und Wasserspeicherung erstellt. Zur Modellierung des Rohrleitungsnetzes werden schon existierende Rohrleitungsrechner wie z. B. EPANET und Schnittstellen zu kommerziellen Rohrleitungsrechnern integriert. Die Modellierung erfolgt zunächst am Beispiel von zwei Anlagen der am Projekt beteiligten Versorgungsunternehmen. Dabei wird darauf geachtet, dass die Modelle derart parametrisiert sind, dass später Modelle von beliebigen Anlagen über eine graphische Benutzeroberfläche per Drag & Drop erstellt werden können. In der Betreiberumfrage sollen technische und betriebswirtschaftliche Daten von weiteren Trinkwasserversorgungsanlagen erhoben werden, die in die erstellten Modelle einfließen.

Schematischer Aufbau der Software

Abb. 2: Schematischer Aufbau der Software

Die Validierung der erstellten Modelle erfolgt durch umfangreiche Messungen in den Anlagen der Stadtwerke Kaiserslautern Versorgungs-AG und der EWR AG in Worms sowie im Labor der TU Kaiserslautern. Die ganzheitliche Betrachtung der Anlage wird abgerundet durch eine Lebenszykluskostenanalyse, die für jede Komponente durchgeführt wird. Es werden maßgeschneiderte Optimierungsverfahren zur Kopplung mit den erstellten Modellen in die Software integriert. Zur Darstellung der Optimierungsergebnisse wird eine graphische Benutzeroberfläche programmiert, mit der die Trade-Offs zwischen den einzelnen Optimierungsparametern und Zielfunktionen analysiert werden können. Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit wird die entwickelte Software zur Analyse und Optimierung der Betriebsführung der 12 Brunnenpumpen im Brunnengebiet Kaiserslautern-Ost eingesetzt.

Weitere Informationen

>> zu den Arbeitspaketen

>> zur Homepage des Verbundes