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Wasserinfrastrukturen Lastmanagement – worüber sich Wasserversorger Gedanken machen sollten

| Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann

Im trockenen Sommer 2018 zeigten sich die Kapazitätsgrenzen von Anlagen zur Wassergewinnung und -verteilung. Es wurde deutlich, dass Optimierungsbedarf besteht. Das ist nicht nur für die kommunale Trinkwasserversorgung relevant, auch industrielle Selbstversorger müssen sich über ein intelligentes Lastmanagement Gedanken machen.

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Verteilerbauwerk in der Hochbehälteranlage Hassloch bei Rüsselsheim
Verteilerbauwerk in der Hochbehälteranlage Hassloch bei Rüsselsheim
(Bild: Hessenwasser)

Trotz hoher Fixkosten für die Infrastruktur (Brunnen, Wasserwerke, Rohrnetze) müssen sich die Versorger permanent mit den Stellrädern für eine wirtschaftliche Versorgung der Bürger mit Trinkwasser beschäftigen. Orientierungshilfen geben das DVGW-Arbeitsblatt W611 „Energieoptimierung und Kostensenkung in der Wasserversorgung“ sowie das „Handbuch Energieeffizienz/Energieeinsparung in der Wasserversorgung“ (Ergebnisse: siehe DVGW-Information Wasser Nr. 77).

Ausgeprägte Trockenjahre mit hohem Spitzenwasserbedarf treten in Deutschland statistisch gesehen nur etwa alle zehn bis 15 Jahre auf. Für die Höhe des Spitzenwasserbedarfs im Vergleich zum mittleren Wasserbedarf gibt es eine große Zahl von Erfahrungswerten, die im DVGW-Arbeitsblatt W410 zusammengefasst sind. Die damit errechneten Bedarfszahlen sind maßgeblich für die Auslegung der Wassergewinnungs-, Aufbereitungs- und Verteilungsanlagen bis zu den Wasserbehältern.

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Doch müssen sich die Versorger mittlerweile auf enger getaktete Trockenereignisse einstellen. Und der Aufbau von Reservekapazitäten und Redundanzen gewinnt an Bedeutung, wie Hessenwasser berichtet.

Bereitstellung des Spitzenbedarfs ist die große Herausforderung

Mit einer Trinkwassertagesabgabe von 426.312 m³ wurde bereits am 26. Juni 2019 der Höchstwert des Vorjahres von 417.867 m³ noch einmal um zwei Prozent überschritten. Dabei hatte der Sommer zumindest laut Kalender gerade einmal seit zwei Wochen begonnen ...

„Sowohl für die Trinkwassergewinnung als auch für die Trinkwasserverteilung bedeuten solche Spitzenwerte eine enorme Herausforderung“, stellt Nicole Staude, Bereichsleiterin Technik bei Hessenwasser fest: „Der Trinkwasserbedarf in solchen Hitzeperioden verläuft parallel zu den Tageshöchsttemperaturen. Im konkreten Fall bedeutete das innerhalb weniger Tage einen Anstieg um rund 35 Prozent. Dann laufen alle Wasserwerke in kürzester Zeit am Limit.“

„Die abgegebene Tagesmenge allein sagt über die Komplexität der Anforderungen an das Lastmanagement noch nicht viel aus“, erläutert Franco Coppola aus der Leitzentrale. „Vor allem in den Abendstunden, wenn alle nach Hause kommen, Duschen und den Garten bewässern oder vielleicht das Planschbecken für die Kinder neu befüllen, können dann im Einzelfall 100 m³ pro Stunde mehr oder weniger darüber entscheiden, ob ein Behälter bis in die Nachtstunden, wenn der Verbrauch sinkt, vor dem Leerlaufen bewahrt werden kann“, sagt Coppola, der mit seinem Team die Füllstände von 126 Behältern ständig im Blick haben muss. Die notwendige Abstimmung mit den Wassermeistern in den Kundenkommunen erfolgt dann sehr engmaschig und intensiv übers Telefon.

Weitere intensive Abstimmung mit den nur teilbelieferten Weiterverteiler-Kunden ist denn auch eine der Lehren aus den Erfahrungen des extremen Sommers im vergangenen Jahr. Schon im Spätsommer wurden dazu Gespräche aufgenommen mit dem Ziel, Maßnahmen zur Optimierung des Lastmanagements abzustimmen und so zügig wie möglich umzusetzen. Die hohe Belastung der Anlagentechnik als begrenzender Faktor für die Deckung des Spitzenbedarfs gewinnt dabei auch auf der Seite der Weiterverteiler zunehmend an Bedeutung. Übergabestationen, Transportleitungen, Pumpen und Trinkwasserspeicher sind auf diese Mengen bislang nicht ausgelegt.

„Es ist die technische Infrastruktur, die – über die gesamte Versorgungsschiene gesehen – mit der Dauer und Ausprägung des Trinkwasser-Spitzenbedarfs an ihre Grenzen stößt. Wir haben bereits Maßnahmen zur Optimierung der Infrastruktur auf den Weg gebracht und manche, wie den ersten Abschnitt der neuen Riedleitung, bereits umgesetzt. Wir werden nun weitere Projekte auch in Abstimmung mit den Kommunen rasch voranbringen müssen“, so Coppola.

Lessons learned im Lastmanagement

  • Die Analysen haben gezeigt, dass die Anlagen im Extremsommer 2018 auf weiten Strecken mit 100 Prozent Auslastung gefahren wurden. Alle Kunden wollten zur gleichen Uhrzeit ihre Trinkwasserbehälter füllen. Konsequenz: Mehr Messtechnik an definierten Überwachungs- und Steuerstellen, dann kann Hessenwasser aus der Leitzentrale das Befüllen der Kundenbehälter steuern und aufeinander abstimmen.
  • Um Spitzenlasten besser managen zu können, ist ein aktives Behältermanagement von zentraler Bedeutung. Dazu ist eine bessere technische Verzahnung der Kundensysteme mit der Leitzentrale erforderlich. Wenn die Systeme optimal aufeinander abgestimmt sind, entstehen Synergieeffekte, die zu einer höheren Effizienz führen.
  • Wird das Lastmanagement an der Übergabestelle gemeinsam betrieben, erhöht das die Versorgungssicherheit in Extremsituationen. Praxisbeispiel: Hessenwasser übernimmt nach fest definierten, an die Kundenwünsche angepassten Vorgaben die Bewirtschaftung seiner Behälter. Für den Anbieter bedeutet das mehr Steuerungsmöglichkeiten innerhalb des Lastmanagements, also eine höhere Flexibilität. Für den Kunden ist es eine Entlastung in seinem Behältermanagement. Er hat nach wie vor volle Behälter in Zeiten, in denen der Endverbraucher verstärkt Wasser zieht, die Befüllung erfolgt allerdings nicht mehr automatisch, sondern von Hessenwasser gesteuert und damit optimal auf den Verbrauch im gesamten Versorgungsgebiet abgestimmt.

Im Übrigen helfen auch solche Maßnahmen: Im Rahmen von Energieeinsparmaßnahmen hat die Bodensee-Wasserversorgung das Pumpwerk Aldingen mit Frequenzumrichtern ausgerüstet. Damit wird eine gleichmäßigere Förderung ermöglicht, welche die Rohrreibungsverluste reduziert und zu einer jährlichen Einsparung von 250 MWh/a führt.

Durch den konsequenten Einsatz von energieverbrauchsoptimierten Automatikfunktionen sowohl für die Rohwassergewinnung als auch für die Trinkwasserförderung konnten die Berliner Wasserbetriebe den spezifischen Energieaufwand für den Prozess Trinkwasserversorgung von 2012 bis 2014 um 2,9 Prozent senken. Der spezifische Energieaufwand für die Bereitstellung von 1000 Litern Trinkwasser betrug 2014 nur noch 0,476 kWh. In den vergangenen Jahren wurden viele Optimierungsmaßnahmen in allen Abschnitten der Trinkwasserbereitstellung durchgeführt. Die Anpassung der Betriebsweise der Wasser- und Pumpwerke wurde durch den Einbau energieoptimierter Brunnenpumpen, effizienter Drehzahlregeleinrichtungen in der Reinwasserförderung und die hydraulische Anpassung von Druckfiltern flankiert. Diese Maßnahmen bewirkten seit 2009 eine Senkung des spezifischen Energieverbrauchs um mehr als sechs Prozent, was etwa sieben Millionen kWh Strom und dem entsprechenden CO2-Äquivalent entspricht.

Wasserversorgung: Der digitale Zwilling hilft

Wie schaut es bei Hessenwasser in Sachen Reifegradmodell Wasserversorgung 4.0 aus? Je nach Arbeitsgebiet befindet sich das Unternehmen derzeit auf Reifestufe zwei bis vier. Schon in absehbarer Zeit sollen einige Prozesse Stufe fünf – die Prognosefähigkeit – erreichen. Zum Beispiel sollen die Anlagenauslastung und die Wasserbedarfe vorhersehbarer werden, um den Betrieb, Ausbau und die Instandhaltung weitsichtiger zu planen. Prognosen im Lastmanagement helfen, sommerliche Spitzenlasten besser zu beherrschen und die Versorgungssicherheit zu steigern – ein Projekt, für das Hessenwasser bereits mit Kunden kooperiert.

Großes Potenzial besteht im digitalen Abbild sämtlicher Infrastrukturen der Hessenwasser. Zentrale digitale Systeme erleichtern nicht nur die Arbeit im Feld und beschleunigen die Bestandsaufnahme, sondern gestatten auch effizientere Abläufe in der Planung von Anlagen. Um das komplexe System nachhaltig bewirtschaften zu können, muss man die Komponenten kennen. Dies wird durch das digitale Abbild zur Systembeschreibung sowie durch eine Bewertungssystematik für Rohrleitungen und Anlagen gewährleistet.

Fazit: Eine zuverlässige Wasserversorgung ist auch für Gewerbe und Industrie von entscheidender Bedeutung. Der Klimawandel offenbart aber auch in Deutschland, dass es bei der Wassergewinnung und Wasserverteilung Kapazitätsgrenzen gibt. Der Aufbau von Reservekapazitäten und Redundanzen sowie ein smartes Lastmanagement sind geboten. Wichtig: Energiemanagement auf der Grundlage drehzahlregelbarer Netzpumpen ist immer auch Lastmanagement.

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