Wasserwirtschaft So managen Sie Wassernetze kostenbewusst

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Die Wasserwirtschaft ist geprägt von ihrer aufwändigen Infrastruktur mit einer langen Nutzungsdauer der Anlagen. Der technische Aufwand spiegelt sich in der Kostenstruktur wider – Fixkosten dominieren. Wir haben uns nach Lösungen umgesehen, die zumindest die Betriebskosten senken helfen.

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Beeindruckende Technik im Rohrkeller auf drei Ebenen: Insgesamt 70 pneumatisch angetriebene Absperrklappen öffnen und schließen die Rohrleitungen beim Spülvorgang der Mehrschichtfilter im Wasserwerk Langenau.
Beeindruckende Technik im Rohrkeller auf drei Ebenen: Insgesamt 70 pneumatisch angetriebene Absperrklappen öffnen und schließen die Rohrleitungen beim Spülvorgang der Mehrschichtfilter im Wasserwerk Langenau.
(Bild: Festo)

Im Bundesdurchschnitt liegen die Schadensraten bei den Versorgungsleitungen, den Hausanschlussleitungen und den Rohrnetzarmaturen in den letzten Jahren auf einem konstant niedrigen Niveau. Das dokumentiert nicht nur eine hohe Versorgungsqualität, sondern zeigt auch, dass die Instandhaltungs- und Investitionsstrategien der deutschen Wasserwirtschaft nicht ganz falsch sein können (dennoch sind immer wieder Kassandrarufe wegen angeblich maroder Infrastrukturen zu hören – lässt hier die Lobby grüßen?). Die Fixkosten sind hoch, unabhängig von den Wasser- und Abwassermengen. Einsparpotenziale gibt es nur bei den Betriebskosten. Wo finden sich hier die Stellschrauben?

Ziel des vom Bundeswirtschaftsministerium BMWi 2015 aufgelegten Vorhabens ENERWAG (Energieeffizienz in der Wassergewinnung) ist es, die Energieeffizienz unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit in den beteiligten Wasserversorgungsunternehmen, speziell im Bereich der Wassergewinnung nachhaltig zu verbessern.

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Erste Ergebnisse ergeben Untersuchungen in der Wasserversorgung Berlin: Bei der Energiebilanzierung ‚Rohwasser‘ erreichen die Energieverluste 56 % (aufgrund von Druckverlusten im Rohwassernetz, Verlusten in den 650 Pumpen, Kabelverluste, Einbauten, Verockerung), bei der Energiebilanzierung ‚Reinwasser‘ sind es noch 28 % (Verluste in den 44 Pumpen, Verluste im Leitungssystem).

Smarte Pumpensysteme

Pumpen, Druckverluste im Netz und der Zustand der Armaturen sollten demnach unter die Lupe genommen werden. KSB hat zur Wassergewinnung Unterwassermotorpumpen mit neuen Energiesparmotoren bis 150 kW im Programm. Bei den Antrieben handelt es sich um mit Permanentmagneten erregte Synchronmotoren. Diese zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Asynchronmotoren durch eine deutlich höhere Leistungsdichte aus. Das bedeutet: Bei gleicher Baugröße haben Synchronmaschinen eine deutlich höhere Leistung bei geringerer Eigenerwärmung. Zur Ansteuerung wird ein Frequenzumformer benötigt. Durch die angepassten Förderströme kann die Einschalthäufigkeit und damit die Belastung der Wicklung reduziert werden. Durch die optimierte Fahrweise gibt es deutlich weniger Schaltungen der Pumpe. Das verursacht weniger Verschleiß und sorgt für eine längere Lebensdauer.

Eine sichere Versorgung durch ausreichend Förderleistung, mehr Flexibilität durch vertikalen und horizontalen Einbau und eine hohe Lebensdauer durch Verwendung korrosionsfreier Materialien für alle medium-berührenden Teile – dies versprechen die Sub Unterwassermotor-Pumpen von Wilo. Die Highspeed-Variante Sub TWU 3 HS-ECP mit externem Frequenzumrichter samt integrierter Steuerung sowie umfangreichen Überwachungs- und Schutzfunktionen empfehle sich aufgrund der hohen Versorgungs- und Betriebssicherheit, so der Anbieter. Die Installation gestalte sich dank integrierter Drucksteuerung im Frequenzumrichter sehr einfach, da keine zusätzlichen Sensoren bauseitig mehr benötigt werden.

Herausforderungen für den Armaturen

Nicht allein Pumpen sind in der Versorgungsinfrastruktur relevant, wie Erhard (Talis) betont: Die bei der Wasserverteilung eingesetzten Armaturen müssen zum einen die Reinheit des Lebensmittels Wasser gewährleisten. Zugleich ergibt sich eine besondere Herausforderung für den Armatureneinsatz aus der Tatsache, dass Leitungen und Armaturen im Regelfall frostsicher in der Erde eingegraben sind. Viele Armaturen werden dort über lange Zeit nicht betätigt, müssen dann aber auf Abruf ihre Funktionstüchtigkeit beweisen. Extreme Robustheit, Korrosionsschutz oder auch die Dichtigkeit von Getrieben von außen her spielen deshalb bei Armaturen für Rohrnetze eine entscheidende Rolle.

Modulare Automation

In herkömmlicher Ausführung besteht eine Wasserfiltration aus Ventilen, Pumpen, Behältern, Filtermodulen, Sensoren und Rohren. Derartige Anlagen können auf einfache Weise modularisiert werden, sagt Festo: Der verfahrenstechnische Prozess wird in Teilprozesse zerlegt und für jeden Teilprozess wird ein Modul definiert, das alle mechanischen und automatisierungstechnischen Komponenten enthält, die für einen autarken Betrieb erforderlich sind. Gleichermaßen wird die Automatisierung modularisiert: die Schaltschrank-Komponenten und die zentrale Intelligenz (die verfahrenstechnische Applikations-Software) werden so aufgeteilt, dass die Module mit jeweils eigenen Controllern, Remote-IO-Komponenten und Pneumatik-Ansteuerungen ausgestattet sind. Mit derartigen Modulen lassen sich kundenspezifische Anlagen in beliebigen Ausprägungen aufbauen, nämlich durch Hinzufügen von bau- und funktionsidentischen Modulen: Numbering-up statt Scale-up.

Schwankungen auffangen

In den Netzen der deutschen Wasserversorger sind schätzungsweise drei Millionen Druckminderungsventile eingebaut. Aufgabe dieser Armaturen ist es, den Systemdruck zu begrenzen, damit der Verbraucher problemlos sein Wasser aus der Leitung entnehmen kann.

Das Vorhaben EWID soll Wege aufzeigen, diese Energievergeudung zu verringern. Als Turbinen betriebene Pumpen (PaT) sollen die Aufgabe konventioneller Druckminderer im Wasserverteilungsnetz übernehmen und gleichzeitig elektrische Energie erzeugen. Doch eine einfach in die Leitung installierte Turbine kann unter diesen Bedingungen nur einen Teil der Druckenergie in elektrische Energie umwandeln. Um dieses Problem zu lösen, setzt sich EWID zum Ziel, ein System zu entwerfen, das sich intelligent und dynamisch der jeweils aktuellen Situation anpasst. Die intelligente Regelung des Systemdruckes trägt zusätzlich zur Verringerung des Materialstresses und von Wasserverlusten bei und fördert damit den nachhaltigen Umgang mit der natürlichen Ressource Wasser. Begleitet wird das Projekt von der Universität der Bundeswehr in München (Fachbereiche Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik).

Intelligente adaptive Steuerung

Grundfos hat diese Lösung entwickelt, um den eingestellten Konstantdruck an der Druckerhöhungsanlage bis zum Verbraucher sicher zu stellen: Mit Hilfe von akkubetriebenen Datenloggern wird der Druck im Leitungsnetz gemessen und per GSM-Netz an die Demand Driven Distribution (DDD)-Steuerung übertragen. Die intelligente adaptive Steuerung sorgt dafür, dass der Verteilernetzdruck auf einem vorgegebenen Druckwert verbleibt. Resultat ist ein gleichbleibender Druck bei den Verbrauchern, reduzierte Betriebskosten und geringere echte Wasserverluste im Netz. Durch die in der Steuerung hinterlegten Pumpenkennlinien und dem daraus kalkulierten Volumenstrom kann sich der Betreiber das zusätzliche Volumenstrommessgerät sparen.

Auch Armaturen sind hier von Bedeutung: Druckhalteventile sorgen dafür, dass der Druck auf einem konstanten Niveau im Primärversorgungsgebiet bleibt. Dadurch ist die Wasserversorgung innerhalb dieses Gebietes sichergestellt. Sollte der Druck über den Sollwert steigen, öffnet das Druckhalteventil, verringert somit den Druck auf das Rohrleitungssystem und versorgt mit dem Überschuss ein sekundäres Versorgungsgebiet (zum Beispiel Felder oder Plantagen), so der Anbieter VAG.

Fazit

Keine Wasserversorgung gleicht der anderen. Es gibt keine Standard-Konfiguration, stets sind lokal angepasste Lösungen erforderlich – dies gilt auch im Hinblick auf die Automatisierung zur sicheren Steuerung und Überwachung der wasserwirtschaftlichen Anlagen. Industrieunternehmen in Deutschland decken 94 Prozent ihres Wasserbedarfs übrigens durch Eigenförderung (Quelle: Branchenbild der deutschen Wasserwirtschaft 2015/Statistisches Bundesamt, 2010). Die in diesem Beitrag gemachten Anmerkungen zum Management der Wassernetze gelten natürlich hier in gleicher Weise.

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