Trinkwasseraufbereitung

Wie kann zur energetischen Optimierung aller einzelnen Apparate der Wasseraufbereitung eine gesamtsystemische Analyse durchgeführt werden?

Die gesamtsystemische Analyse hilft bei energetischen Optimierungsvorhaben, das gesamte Energieeinsparpotenzial zu erkennen und auszuschöpfen. Sie erfolgt über die Schritte:

  • Bestandsanalyse
  • Datenaufnahme mit Interpretation
  • Feinanalyse

In einem letzten Schritt werden die Optimierungsmaßnahmen umgesetzt.

Wiehl Talsperre, Foto FiW 2014

Abbildung 1: Wiehl Talsperre, Foto FiW 2014

Untersuchungsmethoden und Tools

Grafik zur Herangehensweise zur energetischen Analyse einer Wasseraufbereitungsanlage, IWW 2017

Abbildung 2: Herangehensweise zur energetischen Analyse einer Wasseraufbereitungsanlage, IWW 2017

Der Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage hat nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik zu erfolgen. Durch die Verankerung dieser Begrifflichkeit in der Trinkwasserverordnung wird in der Wasseraufbereitung der Fokus insbesondere auf die Funktionalität der Aufbereitung und das Erreichen der gewünschten Qualitätsziele, weniger aber auf die Energieeffizienz gelegt. Da viele Wasseraufbereitungsanlagen im 20. Jahrhundert erbaut worden sind, finden sich vor allem in älteren Werken Aufbereitungsstufen, die nicht mehr dem heutigen Stand der Technik entsprechen. Besonders die Nutzung moderner Steuerungs- und Regelungssysteme, drehzahlvariabler Antriebe und moderner Pumpentechnik kann dabei helfen, die Energieeffizienz zu steigern.

Der Energiebedarf der Wasseraufbereitung ist häufig mittelbar (Betrieb der Aufbereitungsanlage mit dem Vordruck der Brunnenpumpen) und/oder unmittelbar bestimmt durch den Betrieb von Pumpen. Dennoch erschöpfen sich die Energieeinsparpotenziale der Wasseraufbereitung nicht bei der Wirkungsgradänderung von Pumpen oder Neuanschaffung von Motoren mit höchsten Energieeffizienzklassen. In vielen Fällen lassen sich durch Analyse des Gesamtsystems energieineffiziente Schwachstellen der Verfahrensführung erkennen. Eine solche Analyse kann über die Schritte in Abbildung 2 durchgeführt werden.

Beispiele und Potenziale

In der gesamtsystemischen Analyse wurden am Beispiel des Wasserwerks Erlenhagen folgende relevante Verbraucher identifiziert:

Druckfiltration

Die Aufbereitung erfolgte bis zur Flockung über einen Hauptstrom. Danach teilte sich die Aufbereitung jedoch in zwei Teilströme zur offenen und zur geschlossenen Filtration. Die Energieanalyse ergab, dass für den Betrieb der geschlossenen Filterstufe von einer Druckerhöhungsanlage eine Förderhöhe von ca. 7 m aufgebracht wurde. Durch den höheren Wasserbedarf in der Vergangenheit war bisher der Betrieb der geschlossenen Filterstufe notwendig. Nach Optimierung wird der gesamte Volumenstrom heute über die offene Filterstufe geführt. Bei maximaler Aufbereitungsleistung von 1.224 m³/h erhöht sich dadurch die Filtergeschwindigkeit von 2,6 m/h auf 4,4 m/h, was verfahrenstechnisch problemlos möglich ist. Diese Optimierung bringt eine Energieeinsparung von ca. 45.000 kWh/a.

UV-Anlage

Eine starre UV-Desinfektionsanlage (18 kW) sorgt seit über 20 Jahren nach Eintritt des Rohwassers in das Wasserwerk für eine Desinfektion, um eine Verkeimung der nachfolgenden Filterstufen zu vermeiden. Die Messung der Leistungsaufnahme ergab einen mittleren spezifischen Energiebedarf von 22,3 Wh/m³. Laut Muschmann/Stimmelmayr sollte dieser für vorbehandeltes Wasser zwischen 8-20 Wh/m³ liegen. Einsparpotentiale könnten sich hier verbergen.

Für die Optimierung der UV-Anlage gibt es grundsätzlich folgende Möglichkeiten:

  • Anpassung der Leistungsaufnahme der UV-Strahler an die Aufbereitungsleistung im Bereich von 60 – 100 % mit entsprechenden Vorschaltgeräten (Energieeinsparung bis zu ca. 40 %)
  • ggf. Verwendung von energetisch günstigeren Niederdruckstrahlern, d.h. eine Neuanschaffung der UV-Anlage prüfen
Mikrosiebanlage

Die Mikrosiebanlage ist der höchste Punkt der Aufbereitung. Nach einem technischen Defekt wurde diese fortan nur noch im Bypass umströmt, da keine unzulässige Belastung des Trinkwassers auftrat. Es zeigten sich daraufhin Verbesserungen in der Flockungsstufe durch das Verbleiben der partikulären Wasser­inhaltsstoffe mit d > 15 µm. Eine Optimierung wird in Form einer gänzlichen Umgehung der Mikrosieb­anlage realisiert, wodurch ca. 4 m Förderhöhe im Pumpwerk Genkel und damit ca. 127.000 kWh/a eingespart werden.

Kaltwasserbereitungsanlage

Durch die Messung der Leistungsaufnahme der dauerbetriebenen Kalkwasserbereitungsanlage wurde ein Energiebedarf von ca. 70.000 kWh/a (~ 0,010 kWh/m³ Rohwasser) festgestellt. Die aufgenommenen Daten zur Wasserqualität geben einen Hinweis darauf, dass ein Verzicht auf die Kalkwasserbereitungsanlage und eine Umstellung auf eine direkte Kalkmilchdosierung gegebenenfalls möglich ist. Eine entsprechende Detailprüfung wurde empfohlen.

Webdienst Optimierungsratgeber

Das ENERWA-Webtool

Optimierungsratgeber zur energieeffizienten Wasseraufbereitung

hilft dem Anwender verborgene Energieeinsparpotenziale in seinen Wasseraufbereitungsprozessen zu entdecken.

Die Optimierungshinweise wurden in Anlehnung an anerkannte Leitfäden zur energetischen Optimierung der Wasseraufbereitung (DVGW –Information Wasser Nr. 77, LfU-Ratgeber „Einsparungen von Kosten und Energie in der Trinkwasserversorgung“, BFE/SVGW-Leitfaden „Energie in der Wasserversorgung“) zusammengestellt und durch Empfehlungen unserer ENERWA-Experten ergänzt.
Weitere Orientierung zur energetischen Optimierung Ihres Anlagensystems bietet die integrierte Carbon Footprint-Berechnung.

Grafik zum Ratgeber Energieeffiziente Wasseraufbereitung, ENERWA-Tools, IWW 2017

Abbildung 3: Ratgeber zur energieeffizienten Wasseraufbereitung, Ausschnitt aus ENERWA-Webtool, IWW 2017

Vertiefende Literatur

  • DVGW (2010): DVGW-Information Wasser Nr. 77 „Handbuch Energieeffizienz / Energieeinsparung in der Wasserversorgung“. DVGW, Bonn
  • Mutschmann, J., Stimmelmayr, F. (2014): Taschenbuch der Wasserversorgung. Springer Vieweg/Springer Fachmedien GmbH (16. Aufl.)
  • Schweizerischer Verein des Gas und Wasserfaches (2014): „Energie in der Wasserversorgung – Ratgeber zur Energiekosten- und Betriebsoptimierung“; Zofinger Tagblatt AG, Zofingen.
  • Trinkwasserverordnung 2016
  • ENERWA Abschlussbericht