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Automatisierung Ifat 2016 – Wie die Automatisierung in der Wassertechnik neue Impulse setzt

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit stehen derzeit im Fokus der Wassertechnik. Ohne innovative Regelungen, intelligente Messtechnik und integrierte Prozesse wäre jedoch keines dieser Ziele umsetzbar. Auf der Ifat 2016 hat die Automatisierung einen entsprechend hohen Stellenwert.

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Die Kläranlage Wien soll zum Ökokraftwerk umgewandelt werden – ohne intelligente und vernetzte Komponenten der Automatisierungstechnik undenkbar.
Die Kläranlage Wien soll zum Ökokraftwerk umgewandelt werden – ohne intelligente und vernetzte Komponenten der Automatisierungstechnik undenkbar.
(Bild: Siemens)

Die Automatisierungstechnik mit ihrer Mess-, Steuer- und Regelungstechnik ist nicht mehr wegzudenken aus der Trinkwassergewinnung und der Aufarbeitung von Brauchwasser. Dabei helfen Online-Monitoring-Systeme, die Trinkwasserqualität zu überwachen und die Betriebssicherheit von Kläranlagen zu erhöhen. Die Branche gibt neben der Lebensmittel- und Pharmabranche aber auch wichtige Impulse für die Wirtschaft, nachdem die Chemieindustrie stagniert und die Gas/Öl-Branche schwächelt.

Und in der Tat ist die Wasser-/Abwasser-Branche zufrieden: „Das wirtschaftliche Umfeld im Jahr 2015 war ein gutes Jahr für Komponenten und Ausrüster der Wasserindustrie, auch für das Jahr 2016 sind wir positiv gestimmt“, resümiert Dr. Marcus Höfken, stellvertretender Vorsitzender der VDMA-Fachabteilung Wasser- und Abwassertechnik, die wirtschaftliche Situation der Branche. Zwar gäbe es immer schwierige Länder, wie im Augenblick Russland oder Brasilien, aber der weltweite Markt für die Wassertechnik und die Abwassertechnik sei und wachse stabil.

Nach wie vor gilt natürlich, dass Wasser in höchster Qualität hergestellt und bereitgestellt wird, inzwischen liegt der Fokus jedoch darauf, diesen Prozess so effizient wie möglich zu gestalten. „Hier benötigen wir innovative Prozesse, integrierte Designs, leistungsfähige energiesparende Komponenten sowie intelligente Steuerungen. Wenn man diese Aspekte zusammen bringt, kann man nachhaltig effizient Wasserwirtschaft betreiben“, so Höfken. „Mit der richtigen Prozessautomatisierung und vor allem mit der Kombination aus intelligenten Regelkonzepten und modernen Messmethoden lassen sich bis zu 30 Prozent Energie in Kläranlagen einsparen.“

Ganz in diesem Sinne präsentieren sich viele Unternehmen auf der Ifat. Ein Beispiel ist etwa das Online-Analyse-System von Bürkert, das im Wasserwerk kontinuierlich die wichtigsten Messparameter im Rohwasser und im behandelten Wasser vor der Abgabe an das Versorgungsnetz überwacht und speichert. Bei Abweichungen oder Grenzwertüberschreitungen kann das Gerät entsprechend seiner Programmierung, z.B. durch Eingriffe im Aufbereitungsprozess oder Meldungen an den verantwortlichen Wassermeister, reagieren. So können die Regelungen für einzelne Verfahrensschritte optimiert werden.

Zur Effizienz tragen aber auch kabellose Messsysteme bei, wie etwa das IDS-System von WTW, das nun mit universellen Funkmodulen für die kabelfreien IDS-Steckkopfsensoren pH/ORP, Leitfähigkeit, gelösten Sauerstoff und Trübung erhältlich ist. Bis zu drei Parameter lassen sich je nach Gerät gleichzeitig messen und speichern. Mit stromsparender Technik für lange Betriebszeiten und einer Reichweite bis 10 m lassen sich Messaufgaben im Labor, im Betrieb und im Feld ohne Kabelgezerre im Handumdrehen erledigen.

Von der Kläranlage zum Öko-Kraftwerk

Sozusagen in die Vollen geht die Stadt Wien, die ab 2020 ihre Hauptkläranlage in Simmering zum Öko-Kraftwerk ausbaut, in dem durch die Nutzung von Klärgas die zur Abwasserreinigung benötigte Energie selbst erzeugt wird. Auch hier spielen die Prozessautomatisierung und ihre Komponenten, die von Siemens geliefert werden, eine große Rolle. Das größte Umweltprojekt der Stadt Wien soll dann eine jährliche Eigenleistung von 78 GWh Strom und 82 GWh thermische Energie haben.

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Bei der überwiegenden Zahl der öffentlichen und industriellen Abwasseranlagen wird die Selbstüberwachung vom Betriebspersonal durchgeführt. Um den analytischen Gesamtaufwand zu vereinfachen, wurden hierfür unter dem Oberbegriff „Betriebsanalytik“ Messverfahren entwickelt. Zur Vervollständigung der analytischen Qualitätssicherung wurde in einem neuen DWA-Arbeitsblatt neben der Labor- nun auch die Prozessanalytik einbezogen, sodass mit dem Arbeitsblatt DWA-A 704 jetzt ein praxisnaher Rahmen für die gesamte Betriebsanalytik besteht. Zu diesem Thema veranstaltet die DWA am 2. November 2016 in Hennef ein eintägiges Seminar mit dem Titel „Qualitätssicherung in der Betriebsanalytik“.

Ein anderes Arbeitsblatt beschäftigt sich mit der energetischen Optimierung von Abwasseranlagen. „Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur Energieoptimierung von Abwasseranlagen“ beschreibt erstmals eine einheitliche Methodik zur Einschätzung der Energieeffizienz von Anlagen zur Abwasserbehandlung und -ableitung und formuliert Anforderungen an die Ausführung. Wegen der komplexen Abläufe in der Abwasserbeseitigung ist die Energieoptimierung von Abwasseranlagen allerdings nur durch eine systematische Vorgehensweise und mit umfangreichem Fachwissen möglich. Weitere Informationen unter www.dwa.de.

Bisher zählte die Kläranlage zu den größten kommunalen Energieverbrauchern der Stadt. Insgesamt sollen so rund 40.000 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart werden. Der Auftrag umfasst die Migration und Erweiterung des bestehenden Prozessleitsystems Simatic PCS 7 auf die Version 8.1. Diese Umstellung erfolgt parallel zum laufenden Betrieb. Darüber hinaus liefert Siemens Prozessinstrumente, Geräte zur Gasanalyse sowie Netzwerkskomponenten inklusive Verkabelung, Montage und Inbetriebnahme. Die redundante Stationsleittechnik verarbeitet sämtliche Datenpunkte aus der Energieversorgung und liefert diese in die übergeordnete Schaltanlagenleittechnik und in weiterer Folge zur Gesamtüberwachung in die neue Prozessleittechnik.

Effektives Energiemanagement

Wenn selbst Kläranlagen als Kraftwerke fundieren, erfordert dies ein Umdenken bei der Energieversorgung. Da konventionelle Energieträger und erneuerbare Energiequellen wie Erdwärme, Biomasse, Wind- und Wasserenergie parallel genutzt werden, spielen auch die Steuerungsart und die Anzahl der Steuerungsanforderungen eine Rolle. Mitsubishi Electric unterstützt Unternehmen bei der Entwicklung eines effektiven Energiemanagements. Dieses ist in der Lage, Energiequellen in Echtzeit miteinander zu vergleichen, die jeweils günstigste auszuwählen und unterbrechungsfrei zwischen Anbietern zu wechseln.

So führte die „Hybrid Power Source“ (HPS)-Technologielösung in einer Wasserpumpstation zu über 30 Prozent Energieeinsparungen bei einem ROI von geringfügig mehr als drei Jahren. Dabei nutzt das HPS vorrangig eigenproduzierte Solarenergie. Nur bei Bedarf wird Netzstrom bezogen.

Industrie 4.0 für die Wasserwirtschaft

Im Rahmen des Technologieprogramms „Smart Service Welt – Internet-basierte Dienste für die Wirtschaft“ untersucht derzeit ein Forschungsprojekt, wie die Wasserbranche für Industrie 4.0 profitiert. Gemeinsam mit den Projektpartnern Pegasys, Südwasser, Gecoc und Ieem sowie dem Konsortialführer HST Systemtechnik werden im Projekt webbasierte Plattformen, darauf aufbauende Anwendungstools und entsprechende Geschäftsmodelle entwickelt, um z.B. für kommunale Betreiber wasserwirtschaftlicher Objekte wie Kanalnetze, Pumpwerke oder Kläranlagen innovative Anwendungen von Industrie 4.0-Konzepten zu schaffen und den Weg der digitalen Transformation zu ebnen. Schwerpunkt der Arbeiten des Ifak e.V. ist die Entwicklung sicherer und intelligenter Simulationsservices für den integrierten Prozessentwurf und die Automatisierung kommunaler, abwassertechnischer Systeme.

Widersprüche in den Lebenszyklen auflösen

"Es gibt einen Widerspruch zwischen dem Lebenszyklus unserer Anlagen, die häufig 30 bis 40 Jahre laufen und den Komponenten der Prozessautomation. Hier sehen wir Handlungsbedarf", Gottlieb Hupfer, VDMA Fachabteilung Wasser- und Abwassertechnik.
"Es gibt einen Widerspruch zwischen dem Lebenszyklus unserer Anlagen, die häufig 30 bis 40 Jahre laufen und den Komponenten der Prozessautomation. Hier sehen wir Handlungsbedarf", Gottlieb Hupfer, VDMA Fachabteilung Wasser- und Abwassertechnik.
(Bild: VDMA)

In den Industrienationen dient allerdings nur ein geringer Teil der verfügbaren Wasserressourcen der Trinkwasserversorgung der Bevölkerung. In Deutschland liegt dieser Anteil bei gerade mal zwei Prozent. Der größte Verbraucher ist die Energiewirtschaft, die etwa zwei Drittel des insgesamt genutzten Wassers zur Kühlung in den Kraftwerken einsetzt. Die Aufbereitung von Frisch- und Prozesswasser, die Behandlung von Kühl- und Abwasser, das Recycling von Wasserströmen sowie die Rückgewinnung der darin oftmals enthaltenen Wertstoffe bieten der internationalen Umwelttechnikbranche nach wie vor ein riesiges Feld für die Vermarktung etablierter wie auch neuer Lösungen.

Ein schon lange anhaltender Trend bei den Industrieunternehmen weltweit ist es, den Wasserbedarf pro Produktionseinheit zu reduzieren. Bleibt der Eintrag von Verunreinigungen dabei gleich, entstehen immer kleinere, dafür aber zunehmend konzentrierte Abwasserströme. Für sie bieten sich kompakte, vor Ort arbeitende Behandlungsanlagen an. „In diesem Zusammenhang hat die Prozessautomatisierung eine wichtige Rolle inne, da sie diese Anlagen am Laufen hält.

Allerdings gibt es hier einen Widerspruch, da unsere Anlagen häufig 30 bis 40 Jahre laufen und die Prozessautomatisierung einen schnelleren Innovationszyklus von manchmal nur 5 Jahren hat. Hier gilt es, einen Kompromiss zu finden, etwa indem die Komponenten der Prozessautomatisierung zumindest 15 Jahre eingesetzt werden können“, beschreibt Gottlieb Hupfer, Geschäftsführer von Envirochem und Vorsitzender der VDMA Fachabteilung Wasser- und Abwassertechnik, die Aufgabe.

„Industrielle Abwässer“ virtuell erleben

Um ein Gefühl für Industrielle Abwässer zu bekommen, zeigt Endress+Hauser in München eine virtuelle Anlage, die im vergangenen Jahr erstmals auf der Achema gezeigt und nun um die Simulation einer industriellen Kläranlage erweitert wurde So können die Besucher der Messe die Produkte, Dienstleistungen und Lösungen rund um das Thema „Industrielle Abwässer“ virtuell erleben. Weiter zeigt das Unternehmen auch die klassische Instrumentierung, etwa den neuen Micropilot FMR10/20 – ein ultra-kompaktes Radarmessgerät, das für die Anforderungen der Wasser- und Abwasserindustrie entwickelt wurde. Das Gerät ist vollständig vergossen und erhält dadurch eine hohe chemische Beständigkeit mit der Schutzklasse IP68. Eine Parametrierung der Geräte erfolgt per App via Bluetooth oder über eine Hart-Verbindung.

Das Thema modulare Automation macht auch vor der Abwassertechnik nicht halt. Ermöglicht sie doch reduzierte Kosten bei Planung, Bau und Inbetriebnahme. Diese Anlagen sind zudem durch die kleinere Bauweise energieeffizienter. Als Beispiel stellt Festo in München ein neues innovatives Konzept für die Automatisierung modularer Anlagen vor. Dadurch können beispielsweise Wasseraufbereitungsanlagen schnell und flexibel aufgebaut und im Bedarfsfall problemlos angepasst werden, ohne dass diese komplett neu konfiguriert werden müssen. Auch hier sind adaptive, sich selbst konfigurierende und selbst-organisierende Produktionsanlagen mit einem hohen Vernetzungsgrad Voraussetzung.

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