Trinkwasseraufbereitung

Ist ein dynamischer Betrieb von Wasseraufbereitungsanlagen möglich und sinnvoll?

Einer Umstellung auf einen dynamischeren Betrieb muss auf jeden Fall für jede Anlage ein technischer Versuch mit den später typischen Randbedingungen vorangehen. Sie lohnt sich energetisch und wirtschaftlich nur in Sonderfällen, kann aber sinnvoll sein, wenn es für andere Bereiche der Versorgungskette lohnend ist.

Wasserwerk Roetgen, Fotoarchiv WAG

Abbildung 1: Wasserwerk Roetgen, Foto WAG

Untersuchungsmethoden und Tools

Zur Bestimmung der Energie- und Kosteneinsparpotenziale müssen zunächst folgende Einflussfaktoren bekannt sein bzw. ermittelt werden:

  • fluktuierende Strompreiskurve (variabler Anteil) zzgl. Strompreiszuschläge (fixer Anteil – z. B. EEG-Umlage, Stromsteuer, …)
  • Netznutzungsentgelt (bei ganzjähriger Betrachtung)
  • Wasserbedarf und Einspeiseganglinie des Versorgungsgebiets
  • Zeitlicher Verlauf der Füllstände von Speicherbehältern (z. B. Roh- und Reinwasser)
  • Schaltstufen und Kennlinien von Pumpen oder anderen Energieverbrauchern wie z. B. Ozonanlagen
  • Anlagenkennlinie der Aufbereitungsanlage

Um die Korrelation zwischen der elektrischen Leistung wesentlicher Energieverbraucher und dem Volumenstrom zu ermitteln, sind folgende Datenerhebungen notwendig:

  • Online-Messdaten zur elektr. Leistung einzelner Verbrauchseinheiten für minimale bis maximale Aufbereitungsleistungen
  • Einzelmessungen der Leistungsaufnahme aller relevanten Stromverbraucher bei minimaler, mittlerer und maximaler Aufbereitungslast als Alternative zu fehlenden Online-Messdaten
  • Daten zur Berechnung des Energiebedarfs der Pumpen

Für Pumpen kann der Energiebedarf des gesamten Pumpwerks über die allgemeine Pumpenformel berechnet werden:

P = (Q * H) / (367,2 * η)

Grafik Beispiel für das Ergebnis eines Tages der Optimierungsrechnung mit dem IWW-Tool, IWW 2017

Abbildung 2:  Elektrische Leistungsaufnahme statischer, linearer und dynamischer Energiebedarfsanteile;
Beispiel für das Ergebnis eines Tages der Optimierungsrechnung mit dem IWW-Tool, IWW 2017

Zur Bestimmung der Förderhöhe H werden sog. Energielinien der jeweiligen Wasseraufbereitungsanlagen erstellt (siehe Abbildung 3).

Für die Berechnung des Energiebedarfs einer dynamischen Fahrweise von Aufbereitungsanlagen und der damit verbundenen Kosten wurde vom IWW ein Tool erstellt. Damit können folgende Anteile des stündlichen Energiebedarfs für den jeweiligen Betrachtungszeitraum (z. B. 24 Stunden oder 1 Jahr) ermittelt werden:

  • statischer Anteil (z. B. Entfeuchtung, Klimatisierung, Heizung, Licht, Chemikalienlagerung)
  • linearer Anteil (z. B. statische Förderhöhe)
  • dynamischer Anteil (z. B. Strömungswiderstände)

Weiterhin wird in dem Modellierungstool das nutzbare Volumen des Trinkwasserspeichers mit Füllstandsänderungen berücksichtigt.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Füllhöhe hat auch die Einspeiseleistung ins Verteilungsnetz bzw. der reale Wasserbedarf des Versorgungsgebiets, der beizubehalten ist.

Die für die Berechnungen notwendigen Näherungsfunktionen werden aus den erhobenen Daten sowie wesentlichen Merkmalen der Aufbereitungsanlage ermittelt und zusammengeführt. Bei Anwendung realer oder optimierter Aufbereitungsganglinien auf diese Näherungsfunktionen erhält man als Ergebnis die elektrische Leistungsaufnahme pro Stunde für statische, lineare und dynamische Verbraucher (Abbildung 2, oben).
Zur Berechnung der Energiekosten wird der berechnete stündliche Gesamtenergiebedarf mit dem jeweiligen Strompreis (inkl. der fixen Strompreisanteile) dieser Stunde multipliziert. Das jährliche Netznutzungsentgelt wird auf alle Jahresstunden umgelegt.

Grafik Energielinie für das Wasserwerk Erlenhagen bei Aufbereitungsleistung, IWW 2017

Abbildung 3:  Energielinie für das Wasserwerk Erlenhagen bei einer Aufbereitungsleistung von 975 m³/h;
(Hgeo = geodätische Höhe, WSP = Wasserspiegel, DEA = Druckerhöhungsanlage), IWW 2017

Beispiele und Potenziale

Das Wasserwerk Erlenhagen des Aggerverbandes verbraucht jährlich ca. 3 Mio. kWh/a für Gewinnung und Aufbereitung. Anhand der ermittelten Energielinie für das Wasserwerk (Abbildung 4) wird deutlich, dass der hohe Energiebedarf der Wassergewinnung durch die Förderung des Rohwassers um eine Höhe von ca. 53 m vom Wasserspiegel der Talsperre bis hin zum Einlauf in das Wasserwerk verursacht wird.

Im Berechnungstool wurden Näherungsfunktionen P(Q) für die wesentlichen elektrischen Verbraucher des Wasserwerks Erlenhagen hinterlegt, die anhand der Messwerte bestimmt worden waren. Die wesentlichen Verbraucher sind: Mikrosiebanlage und offene Filter (Verbrauch an vorher erzeugter Lageenergie) sowie UV-, Kalkwasser- und geschlossene Filteranlagen (Verbrauch von elektrischer Energie).

Grafik zum berechneten Energiebedarf für das Wasserwerk Erlenhagen, IWW 2017

Abbildung 4:  Berechneter Energiebedarf für das Wasserwerk Erlenhagen, IWW 2017

Zum Vergleich des (spezifischen) Energiebedarfs und der Energiekosten bei dynamischer und konservativer Fahrweise wurde zunächst eine dynamische Aufbereitungsganglinie anhand der Spotmarktpreiskurve aus 2015 modelliert. Anhand des Modellierungstools, welches durch Zusammenführen einzelner Näherungsfunktionen den Energiebedarf der gesamten Aufbereitung berechnen kann (Abbildung 4), konnten so Energiebedarf und -kosten beider Fahrweisen bilanziert und gegenübergestellt werden.

Fazit der Untersuchungen im Wasserwerk Erlenhagen war, dass ein Einsparpotenzial lediglich beim Netznutzungsentgelt liegt und dieses durch Anpassung der Fahrweise um 21 % (=10.032 €/a) hätte reduziert werden können.

Durch die dynamische Fahrweise entsteht allerdings ein Mehrbedarf an Energie von 0,7 % (= 20.893 kWh/a), der folglich höhere Kosten durch die variablen und fixen Strompreisanteile mit sich bringt und der Einsparmöglichkeit durch fluktuierende Strompreise entgegenwirkt.

In Summe ergab sich eine Kosteneinsparung von ca. 2,7 % (= 10.032 €/a). Eine Verringerung von Energiekosten durch Anpassung an die Spotmarktpreiskurve zeigte sich nicht. Das größte Kosteneinsparpotenzial wird hingegen durch Meidung des Hochlastzeitfensters bei der atypischen Netznutzung erreicht.

Die Kalkulationen beziehen sich allein auf die Wasseraufbereitung und berücksichtigen nicht die Netzpumpen, die in der Regel Teil des Wasserwerks sind.

Webdienst Dynamisierung

Das ENERWA-Webtool

Dynamisierungsrechner Wasseraufbereitung

hilft dem Anwender die Auswirkungen eines dynamisierten Wasserwerksbetriebs

an realen Betriebsdaten beispielhafter Wasserwerke zu simulieren, um die ökonomischen und ökologischen Vor- bzw. Nachteile einer Dynamisierung der Wasseraufbereitung besser zu verstehen.

Grafik zur Strompreis-Zusammensetzung, ENERWA-Tools, IWW 2017

Abbildung 5:  Grafik zur durchschnittlichen Strompreisberechnung,
Ausschnitt aus ENERWA-Webtool, IWW 2017

Vertiefende Literatur

  • DVGW (2010): DVGW-Information Wasser Nr. 77 „Handbuch Energieeffizienz / Energieeinsparung in der Wasserversorgung“. DVGW, Bonn
  • ENERWA Abschlussbericht