Trinkwassertransport, -speicherung und -verteilung

Welche Einsparpotenziale hinsichtlich Energiebedarf und Energiekosten bestehen in Trinkwassernetzen?

Durch eine optimierte Gestaltung der Druckzonen kann der Energiebedarf in einer Bandbreite von 10-60 % reduziert werden. Durch eine optimierte Betriebsweise der Pumpen und Nutzung der Speicherfunktion der Behälter können die Energiekosten und Stromnetzentgelte um bis zu 25 % reduziert werden.

Wasserleitungen im Graben, AdobeStock 64800336

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Untersuchungsmethoden und Tools

Die Möglichkeiten der energetischen Optimierung in Trinkwassernetzen hängen von der anzutreffenden Konfiguration des Netzes bzw. der Druckzone ab.

Hierbei müssen drei Fälle unterschieden werden
(siehe Abbildung 2):

Grafik zur Druckzonenklassifizierung, RZVN 2017

Abbildung 2: Druckzonenklassifizierung, RZVN 2017

Fall 1: Von unten gespeist, ohne Netzgegenbehälter

In diesem Fall wird Energie für die Reinwasserpumpen benötigt und die Förderhöhe der Pumpen wird (neben den i. d. R. geringen Reibungsdruckverlusten) durch den am höchsten gelegenen Kunden bestimmt.

Bei dieser Netz- bzw. Druckzonenkonfiguration kann der Energiebedarf durch eine Optimierung der Druckzonenschaltung erreicht werden.

Methodik Fall 1

Für die optimierte Gestaltung der Druckzonen wurde das hauseigene Rohrnetzberechnungsprogramm ROKA³ um einen heuristischen Optimierungsalgorithmus erweitert, welcher die Kunden eines Trinkwassernetzes nach ihrer Höhenlage beurteilt. Ausgehend von den am höchsten gelegenen Kunden werden schrittweise eine oder mehrere neue Hochzonen eingerichtet und diese hoch gelegenen Kunden von dem Gesamtnetz in die neuen Hochzonen umgehängt.

Hierdurch kann für einen Großteil der Kunden, welche in dem tiefer gelegenen Netzbereich angeschlossen sind und die daher einen geringeren Druckbedarf aufweisen, eine Absenkung der Förderhöhe erreicht werden. Damit wird die Förderhöhe für die Gesamtmenge eines Netzes deutlich reduziert und nur noch die Fördermenge für die Hochzonen auf das benötigte höhere Druckniveau gebracht.

Fall 2: Von unten gespeist, mit Netzgegenbehälter

In diesem Fall wird ebenfalls Energie für die Reinwasserpumpen benötigt, die Förderhöhe der Pumpen wird hingegen durch die Höhenlage und den Füllstand des Behälters bestimmt.

Bei dieser Netz- bzw. Druckzonenkonfiguration können die Energiekosten durch eine Optimierung der zeitlichen Fahrweise des Netzes an schwankende Spotmarktpreise und zeitabhängige Komponenten der Stromnetzentgelte reduziert werden.

Methodik Fall 2

Für die Minimierung der Energiekosten wurde ein Gemischt-Ganzzahliges Lineares Optimierungsmodell (GGLP) entwickelt, welches die Betriebsweise der Pumpen und die Nutzung des Behälters den volatilen Spotmarktpreisen anpasst. Darüber hinaus kann eine Verminderung der Stromnetzentgelte erreicht werden, sofern eine atypische Netznutzung (§19 (2) StromNEV) nachgewiesen werden kann.

Das Verfahren optimiert den zeitlichen Einsatz der Pumpen unter den Randbedingungen, dass zu jeder Stunde des Jahres der Wasserbedarf gedeckt wird, die maximale Leistung der Pumpen eingehalten und das verfügbare Behältervolumen nicht überschritten wird. Das Netz wird durch eine vereinfachte Netzkennlinie abgebildet, welche den Druckverlust des Netzes hinreichend genau approximiert. Das Ergebnis ist ein stündlicher Netzfahrplan, welcher für jede Pumpe die Fördermenge und -höhe enthält.

Fall 3: Von oben gespeist

In diesem Fall wird eine Druckzone im freien Gefälle gespeist, so dass keine Energie in das System gesteckt werden muss oder vorab ein unvermeidbarer Energieeintrag zur Überwindung geodätischer Hochpunkte stattgefunden hat. Für solche Druckzonen kann eine Reduktion des Energiebedarfs durch die Installation von Turbinen erreicht werden, sofern lokale Drucküberschüsse bestehen.

Weitere energetische Optimierungsmöglichkeiten bestehen in der optimierten Auslegung der Pumpen sowie in der Reduktion der Fließwiderstände eines Netzes. Die optimierte Auslegung der Pumpen und die Installation von Frequenzumrichtern wurde im Forschungsvorhaben nicht betrachtet. Die Reduzierung der Fließwiderstände spielt in Trinkwassernetzen i. d. R. keine Rolle, da die Netze meist überdimensioniert sind und nur geringe Reibungsdruckverluste aufweisen.

Methodik Fall 3

Die Installation von Turbinen zur Energierückgewinnung kann entweder an bestehenden Standorten von Druckminderungsventilen erfolgen oder durch die gezielte Identifikation möglicher Tiefzonen, welche heute hohe Drucküberschüsse aufweisen und zukünftig gezielt über eine Leitung mit einer Turbine versorgt werden.

Die Installation von Turbinen zur Energierückgewinnung ist nur an Standorten mit möglichst hohem Durchfluss und möglichst großer Fallhöhe empfehlenswert und i. d. R. nur wirtschaftlich, wenn in unmittelbarer Nähe eine Anschlussmöglichkeit an das öffentliche Stromnetz besteht.

Beispiele und Potenziale

Die Druckzonenoptimierung hat durch die gezielte Einrichtung neuer Hochzonen in den untersuchten Netzen eine Reduktion des Energiebedarfs um 10 % bis 66 % ermöglicht. Inwieweit dieses energetische Einsparpotenzial auch wirtschaftlich nutzbar ist, ist durch die beteiligten Praxispartner im Rahmen einer Umsetzungsvorplanung zu evaluieren, da zur Versorgung der neuen Hochzonen zusätzliche Druckerhöhungsanlagen (DEA) installiert werden müssen. Nach einer Abschätzung der zu erwartenden Investitions- und Betriebskosten der zusätzlichen DEA kann entschieden werden, ob die Einsparung der Energiekosten höher oder niedriger ausfällt.

Durch die Optimierung des Pumpbetriebs durch Anpassung der Betriebsweise an schwankende Spotmarktpreise und zur Vermeidung eines hohen Strombezugs während der Hochlastzeitfenster des Stromnetzbetreibers konnte in den untersuchten Netzen eine Einsparung der gesamten Strombezugskosten um ca. 25 % im Vergleich zu der Ist-Fahrweise erreicht werden.

Ein Großteil der Einsparung (ca. 20 Prozentpunkte) entfällt hierbei auf die Reduktion der Stromnetzentgelte durch die atypische Netznutzung. Die reinen Energiekosten (ohne Netzentgelte, Steuern und Abgaben) können auch bei vollständigem Bezug am Spotmarkt lediglich um ca. 5 % gesenkt werden, da zum einen die Schwankungen am Spotmarkt zu gering sind, zum anderen die reinen Energiekosten lediglich etwa 20-25 % der gesamten Strombezugskosten ausmachen.

Der Austausch von Druckminderungsventilen durch Turbinen könnte in einem der Netze den Strombezug um bis zu ca. 300 MWh jährlich verringern. Allerdings wird hiervon voraussichtlich nur ein Teil umgesetzt werden können, da an den Standorten mit relativ geringem Durchfluss die Turbinen i. d. R. nicht wirtschaftlich installiert werden können.

Webdienst Wasserverteilung

Das ENERWA-Webtool

Energetische Optimierung der Wasserverteilung

führt den Nutzer schrittweise durch Optimierungsbeispiele zu den drei verschiedenen Druckzonentypen.

Jede Seite beinhaltet Hinweistexte mit hilfreichen Informationen, die das Methodenverständnis fördern und die praktischen Arbeitsschritte der jeweiligen Untersuchungsmethodik verdeutlichen.

Grafik zur Energetischen Optimierung der Wasserverteilung, ENERWA-Tools, IWW 2017

Abbildung 3: Grafik zur Energetischen Optimierung der Wasserverteilung,
Ausschnitt aus ENERWA-Webtool, IWW 2017

Vertiefende Literatur

  • ENERWA Abschlussbericht