Zukunftssicherheit durch HST Lösungen für 4.0-Netzbewirtschaftung, smarte Maschinen und Energieautarkie!
Die Digitalisierung ist das dominante Thema der 2020er Jahre. Selbst Corona macht deutlich, wie wichtig 4.0-Technologie ist. Bestimmungen zu Digitalisierung für Betriebsführung und Netzbewirtschaftung finden sich in diversen DWA-Normen und den EU-Wasserrahmenrichtlinien (WRRL) wieder. Dadurch wird 4.0-Netzbewirtschaftung zum Stand der Technik und ist für die Organisationen der Wasserwirtschaft verpflichtend. Die Frage ist: Was ist der richtige Weg von bestehenden Systemen zur Netzbewirtschaftung? Für eine strukturelle Entwicklungsplanung ist die Betrachtung von der Maschinen- über die Anlagen- zur Netzebene insbesondere unter praktischen Gesichtspunkten zielführend.
smarte Maschinen
Bereits auf der Maschinenebene sorgt Intelli für lokale Intelligenz. Dadurch wird
- Energieverbrauch und
- Wartungsaufwand verringert sowie
- Stoffrückhalt, auch von Mikroplastik, gesteigert.
Diese Vorteile nutzen 4.0-Maschinen von HST mit Intelli. Sie führen Ihre Aufgabe im Gegensatz zu Maschinen, die auf herkömmlicher Technik basieren, intelligenter und somit auf die Situation optimiert durch.
Die IntelliSysteme lassen sich vielfältig einsetzen. Exemplarisch werden im Folgenden drei IntelliSysteme auf Maschinenebene detailliert vorgestellt: IntelliScreen Rechen für maximalen Stoffrückhalt, IntelliGrid Strömungserzeuger für energiesparende Reinigungsprozesse und IntelliFlow für selbstkalibrierende Abflusssteuerung und -regelung.
IntelliScreen - Rechen
Das Thema Gewässerschutz hat in den vergangenen Jahrzehnten mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Sogar die Verschmutzung von Meeren und Gewässern mit Kleinstpartikeln („Mikroplastik“) nimmt in den letzten Jahren durch die verstärkte mediale Berichterstattung einen festen Platz im Bewusstsein der Menschen ein.
Nicht zuletzt durch dieses stark zunehmende Umweltbewusstsein ist es für Betreiber von Kanalnetzen oder Kläranlagen immer wichtiger geworden, der Verschmutzung von Gewässern bestmöglich entgegenzuwirken. Dies ist mit moderner 4.0-Technologie auch für die Feinstoffrückhaltung möglich. Die Evolution des Stoffrückhalts an Überlaufbauwerken hat eine lange Geschichte. Von der ersten Phase ohne jeglichen Stoffrückhalt bis zur 4.0-Technologie mit maximalem Rückhalt, auch von Mikroplastik.
„Entlastungsereignisse“
Wie gelangt Abwasser überhaupt in die Umwelt?
Grund sind sogenannte Entlastungsereignisse. Zu Entlastungen kommt es meistens dann, wenn bei Starkregenereignissen die Leistungs- und Speicherfähigkeit der Kanalnetze und Regenbecken erschöpft sind. Über Entlastungs- bzw. Überlaufbauwerke wird dann Abwasser zur Entlastung von Kanalnetz und Kläranlage in die Gewässer eingeleitet. So wird vermieden, dass das Kanalnetz überlastet wird und Abwasser unkontrolliert in Gebäude zurückstaut oder an Gullydeckeln austritt.
Das Maximum des Rückhalts und der Filterleistung wird durch die Nutzung des sogenannten Filterkuchens erreicht. Durch Einsatz ausgefeilter Sensorik, Aktorik und intelligenter 4.0-Automatisierungmit IntelliScreen werden Stoffrückhalt und Filterleistung auf das nächste Niveau gehoben, ohne Einschränkungen bei der hydraulischen Leistungsfähigkeit befürchten zu müssen.
Die Rechenautomation erhält dazu alle notwendigen Prozessdaten,um ein Optimum an Stoffrückhalt bei gleichzeitiger hydraulischer Entlastungssicherheit zu gewährleisten – wenn Sie wollen auch unter Berücksichtigung der zu erwartenden Zulaufsituation. Dazu wird die lokale Automation mit dem Niederschlagsportal NiRA.web® oder der Kanalnetzbewirtschaftung IntelliNet verknüpft.
HSR-Rechen – Prozess- und Maschinensteuerung IntelliScreen
Ausbaustufen der Automation
Stufe I
In der HST-Standardautomatisierung arbeiten Rechen mit einem füllstandsabhängigen Ein- und Ausschaltpunkt. Während des gesamten Betriebs wird unter Volllast und zulaufmengenunabhängig die Rechenfläche vollständig abgereinigt. Zusätzlich können Routinebewegungen (z. B. täglich, wöchentlich, etc.) zur Sicherstellung der Betriebsfähigkeit durchgeführt werden.
Stufe II
Durch entsprechende Sensorik und Aktorik arbeitet der Rechen im autarken Modus ereignisorientiert und zulaufmengenabhängig. Ein lastabhängig aufgebauter Filterkuchen sorgt für maximalen Stoffrückhalt und die Nutzung der gesamten Rechenfläche als Filter. Das System unterscheidet dabei stufenlos zwischen Filterbetrieb / Normalbetrieb und Überlastbetrieb beim Überschreiten der Bemessungswassermengen (Starkregenereignisse).
Stufe III
Maximale Erweiterung der IntelliScreen-Automation durch systematische Vernetzung, unter anderem durch Berücksichtigung von Niederschlagsdaten aus dem Niederschlagsportal NiRA.web® sowie erweiterter Informationen aus der Netzbewirtschaftung.
Bottrop – Entlastungsbauwerke
In Bottrop wurden drei Entlastungsbauwerke, bestehend aus insgesamt 15 Schwellen, mit Rechenanlagen ausgerüstet. Aufgrund der Geometrie des Kanals wäre ein Zugang zur Rechenvorderseite, z. B. für Wartungszwecke, nur durch das Aufstellen eines Gerüsts möglich. Die innovative Lösung von HST: alle HSR-Rechen lassen sich mit Hilfe einer hydraulischen Schwenkvorrichtung um 90° nach hinten kippen, sodass auch der Zugang zur Rechenfront problemlos möglich ist. Dies erleichtert nicht nur Wartungsarbeiten, sondern reduziert gleichzeitig auch Arbeitszeit und Kostenaufwand.
Heusenstamm – Kläranlage
Im Zulauf einer Kläranlage nahe Frankfurt a. M. setzt man erfolgreich auf den Stoffrückhalt mit HSR-Rechen und der IntelliScreen-Automation. Durch die intelligente Steuerung für das Zusammenspiel „Sensorik – Aktorik“ wird ohne das Risiko eines unzulässigen Rückstaus ein Filterkuchen aufgebaut, mit dem Kleinstpartikel wie Mikroplastik zurückgehalten werden können. Ein wichtiger Beitrag für den Umweltschutz – ermöglicht durch modernste 4.0-Technologie!
Montpellier – HSR-Rechen
Im Kanalnetz der französischen Großstadt Montpellier arbeiten drei HSR-Rechen, die einem besonderen Vorfluter vorgeschaltet sind: dem Mittelmeer. Aufgrund klimatischer und geografischer Gegebenheiten sind die Rechen hier außergewöhnlichen Bedingungen ausgesetzt: lange Trockenwetterperioden werden von extrem starken und schnell aufkommenden Starkregenereignissen gefolgt. Charakteristisch ist hierfür ein sehr hoher Schmutzanfall mit großer Sandanschwemmung. Um für die schnell steigenden und stark schwankenden Wasserspiegel gerüstet zu sein, sind über den Rechen Stauwände installiert. Die Anlagen können dadurch überstaut werden, wodurch sich die Entlastungsmenge durch den größeren Vordruck im Extremfall um mehr als Faktor 2 gegenüber der Bemessungswassermenge erhöht.
IntelliGrid - Strömungserzeuger
Die kommunale Abwasserreinigung konnte sich jahrzehntelang auf nahezu konstante Betriebsbedingungen und ausreichende Erfahrung in den abwassertechnischen Betrieben verlassen. Seit einigen Jahren verändern sich die Rahmenbedingungen in immer größere Extreme. Die langanhaltenden Trockenperioden in den letzten Jahren zeigen, was fehlende Wassermengen und dadurch zu geringer Trockenwetterabfluss für die Beseitigung von Ablagerungen in Kanalsystemen und für den Betrieb in Kanalsystemen und zugehörigen Sonderbauwerken bedeuten können. Auf der anderen Seite erfordern extremere Starkregenereignisse größere Speicherkapazitäten und in der Folge neue Reinigungsstrategien. Noch vor weniger als zwei Jahrzehnten erfolgte die Reinigung von Becken und Stauräumen manuell durch das Betriebspersonal. Dies war nicht nur eine körperliche Belastung, sondern bedeutete auch einen hohen Zeit- und somit Kostenaufwand. Zudem war es je nach Geometrie und Lage des Beckens oder Stauraums mitunter schwierig, alle Stellen zu erreichen und somit ausreichend zu säubern. Konfrontiert mit diesen Herausforderungen und den immer extremeren Bedingungen begann die Entwicklung der mechanischen und automatisierten Beckenreinigung.
AWS-Strahljets – Prozess- und Maschinensteuerung IntelliGrid
Ausbaustufen der Automation
Basis: HydroMatic
Stufe I: IntelliGrid
Stufe II: IntelliGrid.IoT
Durch die Erweiterung der IntelliGrid-Automation mit Niederschlagsdaten aus Datenportalen wie z. B. NiRA.web® sowie Informationen aus dem Kanalnetz und dem vorgeschalteten Anlagen-Verbund (IntelliNet) lernt die Software aus den Daten und kann vorausschauend entscheiden, ob und in welchem Umfang ein Betrieb notwendig ist.
Nicht-Intelli-System
Intelli-Systeme
Stuttgart – Regenbecken
Direkt neben der Lackierstraße von Porsche in Stuttgart ist ein Zweikammer-Regenbecken gebaut worden. Neben den Edelkarossen wird hier auch das Regenbecken auf Hochglanz gebracht, welches das Oberflächenwasser des Werksgeländes sammelt. Die PKW-Edelmarke setzt, wie auch in der eigenen Produktion, auf Made in Germany. Mit insgesamt sechs AWS-Schwenk-Strahljets wird der geglättete Betonboden von allen Unreinheiten nach einem Regenereignis gereinigt. Die gesamte Becken-Ausrüstung – mit u. a. SECURA-Bodentoren und Edelstahl-Treppen – wurde von HST geliefert und montiert.
Dortmund-Scharnhorst – AWS-Strahljets
Während der Umbaumaßnahmen der oberirdisch gelegenen Kanäle der Emscher Genossenschaft in Dortmund- Scharnhorst wurden nicht nur die Neubauten mit Technik von HST ausgerüstet. Zur Ertüchtigung der Regenbecken auf dem Kläranlagengelände wurden 8 AWS-Schwenk- Strahljets mit Überflur-Schwenk-Antrieben eingebaut. Da die ursprüngliche Reinigungsleistung der alten Aggregate aufgrund der höheren Schmutzlast nicht mehr ausreichte, wurde die Pumpenleistung erhöht. Um möglichst viel Energie zu sparen, sind anstelle von Freistrom-Laufrädern energieeffiziente Einkanal-Laufräder für den Mischwasserbereich installiert.
Abflusssteuerung
In der 4.0-Netzbewirtschaftung sind Regenbecken Anlagen zur Speicherung von Abflussspitzen bei Niederschlag. Zu diesem Zweck müssen die, dem Regenbecken zur Erzeugung eines Einstaus aus dem Kanal zufließenden Wassermengen begrenzt werden. Zu Beginn der Ära der Regenbecken wurden Begrenzung der Abflussmengen statische Abflussdrosseln in Form von kleineren Drossel-Rohren (Abb. 1) oder Drossel-Ventilen (Abb. 2) verwand. Dabei wurde der Querschnitt des Rohres oder der Ventile so bemessen, dass bei maximaler Einstauhöhe im Regenbecken die maximale nach oben begrenzte Abflusswassermenge erreicht wurde. Da der Abfluss eine Funktion der Stauhöhe ist, bedeutet dies, dass bei niedrigeren Einstauhöhen auch geringere Wassermengen als die Sollmenge aus dem Regenbecken abfließen. Daraus resultiert ohne Gegenmaßnahmen eine länger andauernde Entleerung des Regenbeckens. Es wird quasi Zeit verloren und Beckenvolumen nicht optimal genutzt.
Um nun auch bei unterschiedlichen Stauhöhen in den Regenbecken, möglichst den Sollwert konstant abfließen zu lassen wurden Abflussregler anstatt Abflussbegrenzer entwickelt, welche unabhängig von der Einstauhöhe bzw. der Wasserspiegelhöhe im Regenbecken immer einen möglichst gleichen konstanten Abfluss einhielten. Diese Eigenschaft wurde durch die sogenannte Trennschärfe auf Basis der Q/H Kennlinie (Abb. 3) zum Ausdruck gebracht. Diese Abflussregler oder auch immer noch Drosselorgane genannt, waren zunächst rein mechanische Konstruktionen, die über Schwimmermechaniken die Einstau- oder Abflussverhältnisse erkannten und die Abflussöffnung aus dem Regenbecken mechanisch reduzierten oder erweiterten, um den Sollabfluss zu erreichen. (Abb. 4+5)
Im Laufe der Zeit wurden diese rein mechanischen Regler zunehmend durch elektromechanische Regler ersetzt. Grund für diese Entwicklung war:
- die zunehmende Elektrifizierung der Regenbecken selbst,
- der Wunsch nach kontinuierlichen Messungen, einstellbaren Sollwerten sowie
- die Möglichkeit des Einwirkens bei Verlegung oder Fehlfunktionen vor Ort oder aus der Fernen
Herausgebildet und etabliert haben sich heute eine Auswahl elektromechanischer Abflussregler, welche den Wasserstand und/oder die Geschwindigkeit mittels Sensorik (Ultraschall/Radar/magnetisch-induktiv) kontinuierlich erfassen und automatisiert Absperrorgane je nach Einstauhöhe oder Durchflussmenge in die, für den Soll-Abfluss richtige Stellung fahren. Zur weiteren Orientierung bei der Auswahl von geeigneten Abflussregelungen gehen wir nachfolgend auf die spezifischen Anforderungen und Lösungen in Zusammenhang mit der Anwendung an Regenbecken ein. HST-Zangenberg hat das umfassendste Komplettangebot im Bereich Abflussregelung.
Im Laufe der Zeit wurden diese rein mechanischen Regler zunehmend durch elektromechanische Regler ersetzt. Grund für diese Entwicklung war:
- die zunehmende Elektrifizierung der Regenbecken selbst,
- der Wunsch nach kontinuierlichen Messungen, einstellbaren Sollwerten sowie
- die Möglichkeit des Einwirkens bei Verlegung oder Fehlfunktionen vor Ort oder aus der Fernen
Herausgebildet und etabliert haben sich heute eine Auswahl elektromechanischer Abflussregler, welche den Wasserstand und/oder die Geschwindigkeit mittels Sensorik (Ultraschall/Radar/magnetisch-induktiv) kontinuierlich erfassen und automatisiert Absperrorgane je nach Einstauhöhe oder Durchflussmenge in die, für den Soll-Abfluss richtige Stellung fahren.
Auch bei Betrieb und Wartung von Abflussreglern von Regenbecken sind einige Aspekte oder Themen zu berücksichtigen, wie z.B.:
- die Bedienbarkeit und Bedienmöglichkeiten vor Ort oder auch aus der Ferne
- die Aufzeichnung und Überwachung aller Prozess bzw. Betriebsdaten vor Ort oder aus der Ferne
- gesetzliche Prüfungen aufgrund von Selbstüberwachung und Eigenkontrollverordnungen
- Möglichkeiten der Dauer -und Selbstkalibration
- die Vor-und Nachteile von Nass-oder Trockenaufstellung
- Zugänglichkeit zu Sensorik und Aktorik
- Möglichkeiten des Notbetriebs (Notumlauf und Notfallbedienung)
Durch unsere Erweiterungen IntelliFlow und SCADA.web sind Upgrades auch vorhandener Installationen auf 4.0 Ausrüstungen empfehlenswert.
Die Erweiterung SCADA.web alarmiert bei Störungen, zeigt den aktuellen Prozesszustand an und stellt alle Prozessdaten bereit. Die Erweiterung IntelliFlow ermittelt in Ergänzung zur Messung parallel Durchflussdaten, vergleicht und plausibilisiert diese und ermöglicht bei entsprechenden baulichen Rahmenbedingungen sogar eine automatische volumetrische Kalibrierung.
Die Erweiterung IntelliNet ermöglicht vollständige Automatisierung und Einbindung in die 4.0 Netzbewirtschaftung
Anwendungsbeispiele
Abwasserverband Mittleres Wiesental
Vor einem Schneckenhebewerk sollte eine Klappe ersetzt werden. Auf extrem engem Raum wurde eine verlässliche Regelung gesucht, die im Betrieb auch unter Wasser funktioniert.
Da das System am Zulauf eingesetzt werden sollte, waren eine automatische Selbstreinigung sowie eine einfache Reinigungsmöglichkeit Voraussetzungen für eine funktionierende Alltagslösung.
Der kurze Alligator direkt vor dem Schneckenhebewerk verbindet kürzeste Baulänge mit sicherer Regelleistung. Durch selbstständige Verlegungserkennung, den automatischen Spülstoßes sowie das schnelle Hochklappens des Gesamtsystems ist der Alligator optimal auf die Anforderungen des stark verschmutzten Abwassers eingestellt.
IntelliPlant
Anlagen bzw. Anlagenprozesse werden normalerwiese durch Standard-Automatisierungslösungen auf Basis von Controllern oder IPCs mit SPS-Programmen vernetzt und automatisiert. Je nach Anforderungen werden in der Regel individuelle Automationsprogramme mit Standardelementen für die jeweilige Anlage individuell erstellt, konfiguriert und parametriert.
Intelli-Automationssoftware auf Anlagenebene folgt ebenso wie auf der Produkt-oder Betreiberebene der Methode Unbekanntes durch Bekanntes ersetzen, um bessere Prozesse zu ermöglichen. Was besser ist, kommt natürlich auf die Ziele und Aspekte an. Das kann Energiesparen bedeuten aber auch z.B. den optimalen Abbau einer bestimmten Fracht im Wasser.
Unsere Intelli-Lösung z.B. für Kläranlagen beinhaltet u.a. sogenannte fallbasierende Steuerung. Diese unterscheidet unterschiedliche Betriebsszenarien wie Trockenwetter und verschiedene Fälle von Regenwetter und nutzt sowohl historische, systemische, als auch modellbasierte Daten als Informationserweiterung zur Automatisierung der Prozesse.
Ein Schwerpunkt aller Intelli-Lösungen auf Anlagenebene stellt immer die Ressourcennutzung mit dem Schwerpunkt Co2 – Energie-Effizienz und Suffizienz dar, also die erforderlichen Prozesse sicher jedoch mit einem Minimum an Ressourcen durchzuführen. Des Weiteren führt die Nutzung von IntelliPlant zu optimiertem Betriebsverhalten durch
- Kostenreduktion (Energie, Produktlebenszeit, Wartung),
- Qualitätssteigerung (Reinigung, Stoffrückhalt, Sedimentreduktion),
- Sicherheit (IT, Betrieb, Transparenz).
Im Hinblick auf die zu erwartende Einpreisung und Vervielfachung der Co2-Kosten in die Energiekosten ist es ratsam, bereits heute in Intelli-Technologien zu investieren, um damit auf jeden Fall ZukunftSICHER! zu planen und Anschluss zu halten.
INTELLINET
Einleitung
Der Bedarf an Ressourcen wie Gas, Strom, Wasser und Mobilität ist mehr oder weniger schwankend.
Er steht im Zusammenhang mit den Erfordernissen, Gewohnheiten und Ereignissen. Die meisten Bereiche der Infrastruktur werden entsprechend unterschiedlich beansprucht. Schwankungen intelligent im Griff haben, ist die Devise!
Veranschaulichen lassen sich die Beanspruchungen mit den Schwankungen in der Wasserwirtschaft durch die unterschiedlichen Tagesverbräuche von Wasser mit den häuslichen Bedarfsspitzen in den frühen Morgenstunden, Mittags- und Abendzeiten. Hinzu kommen die ebenso schwankenden Bedarfe aus Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft.
Bereits bei der Planung von Rohrleitungen und Anlagentechnik gilt es, auf die eher kurzfristigen Spitzenverbräche entsprechend zu dimensionieren. Dies bedeutet jedoch während der bedarfsarmen Zeiten eine zwangsläufige Überdimensionierung
Wie ist dem Schwankungs- bzw. dem Dimensionierungsdilemma zu begegnen?
Eine Lösung wären skalierbare Rohr-und Anlagentechnik. Das bedeutet im Idealfall dehnbare Rohrleitungen – hier befinden sich jedoch technische und wirtschaftliche Grenzen.
Die Lösung für Schwankungen heißt daher in fast allen Bereichen der Infrastruktur, Speicher und Regeleinrichtungen vorzusehen. Beim Strom sind es die Batterien oder die Pumpspeicherwerke, beim Gas die Kavernen, in der Wasserversorgung die Hochbehälter und die Wassertürme, beim Abwasser die Regenbecken, beim Gewässer die Hochwasserpolder. Um die Speicherkapazitäten eines Netzes maximal zu nutzen, Energiekosten auf ein Minimum zu reduzieren und dabei die Betriebssicherheit zu optimieren, ist Netzbewirtschaftung der Schlüssel zum Erfolg.
Nutzen/Funktionsweise
Die Infrastruktur ist eine Schwankungswirtschaft!
Mit möglichst langfristig gesammelten Daten über die auftretenden Lastsituationen lassen sich Speicher entsprechend dimensionieren und durch Regelvorrichtungen bewirtschaften. Die Bewirtschaftung und zielführende Nutzung der Speicher erfolgt in der Regel durch lokale Mess-, Automatisierungs- und Regeleinrichtungen. Befinden sich die Anlagen und deren Nutzung im Verbund, so müssen sie durch Informations- und Kommunikationstechnologien vernetzt werden.
Die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden war bereits in frühester Zeit dezentral organisiert und vernetzt, da Standorte von Brunnen und Quellen im Versorgungsgebiet verteilt sind. Eine mögliche Erweiterung durch ein intelligenteres Steuerungsverfahren wäre die gleichmäßige Auslastung von Brunnenanlagen durch Berücksichtigung der Grundwasserpegel der einzelnen Brunnen und somit eine gleichmäßige Grundwasserbelastung.
Was in der Wasserversorgung gängige Praxis ist, also eine durch Kommunikationstechnik vernetzte Automatisierung der Prozesse, ist in den Kanalisationsnetzen heute eher die Ausnahme.
Die in den Mischwassersystemen baulich errichteten Speicher in Form von Regenbecken und Staukanälen dienen zum einen als hydraulischer Speicher, um Rohrleitungen kleiner zu dimensionieren, und zum anderen als Rückhaltevorrichtung für den Gewässerschutz. Sind die Speichervolumina bei Starkregen erschöpft, laufen diese über und leiten das überschüssige Abwasser in die Gewässer ein. Die ungereinigte Ableitung in natürliche Gewässer ist schädlich, insbesondere durch die zunehmende Belastung des Niederschlagswassers durch Schadstoffe wie Mikroplastik.
Die Abflussregelungen an den Regenbecken, welche für den Einstau und die Entleerung der Speicher sorgen, werden statisch mit einem festen, wasserrechtlich genehmigten Sollwert betrieben, obwohl es aufgrund des Niederschlaggeschehens zu einer vom Bemessungsfall abweichenden Beanspruchung der Speichervolumina in den Netzen und Regenbecken kommen kann. Sowohl bei normalen und ungleichmäßig verteilten Niederschlägen als auch bei Starkregenereignissen kann es zu dieser abweichenden Beanspruchung kommen.
Aus Sicht der Gewässer ist das nicht die optimale Lösung, denn so kann es zu Überlaufereignissen von Abwasser in die Gewässer kommen, obwohl möglicherweise noch Speicherraum oder Abflusskapazitäten im System vorhanden sind. Wie ist in Erfahrung zu bringen, ob und wieviel Speicher- und Abflusspotential in meinem Entwässerungs- und Speichersystem vorhanden und aktivierbar ist?
Zunächst einmal gilt es, das Abflussgeschehen in Kombination mit den Niederschlägen über längere Zeiträume aufzuzeichnen. Liegen diese Daten vor, erfolgt unter Einbeziehung von Bestandsdaten – wie baulichen, geometrischen Größen, Netzplänen und den an den Regeleinrichtungen eingestellten Parametern und Stellgrößen.- eine erste Auswertung und Analyse der Daten, um das ungenutzte Speicherpotential zu ermitteln. Diese Analyse dient insbesondere als Entscheidungsgrundlage für die Planung eines Netzbewirtschaftungssystems.
Angenommen, es ist ausreichend Potential vorhanden – wie sieht nun ein solches System aus und wie arbeitet und wirkt es?
Als Erstes erhalten die bereits im Einsatz befindlichen Automations-, Überwachungs- oder Fernwirksysteme einige IntelliNet-Zusatzkomponenten in Form von Hard- und Software. Diese Komponenten sorgen dafür, dass alle Prozessdaten als Gesamtprozessabbild auf einem übergeordneten Bewirtschaftungssystem online zur Verfügung stehen.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem verfügt über eine Software, die es ermöglicht, über ständige Prognosen und Ist-Abgleiche das Abfluss-und Einstaugeschehen vorherzusagen. Entsprechend der Vorhersage und der im System abgebildeten Netz-und Speicherstruktur kann das System ermitteln, wie bei prognostizierten Niederschlägen die Abflussregelungen zielgerichtet eingestellt sein sollten, um das im Netz vorhandene Volumen sowie die Abflusskapazitäten auszunutzen, Abschläge zu vermeiden oder die Zulaufmenge zur Kläranlage zu regulieren.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem sollte stets mit einem SCADA-System – betrieben werden. Mit Hilfe des SCADA-Systems kann der aktuelle Prozess eingesehen und ausgewertet werden, es unterstützt bei auftretenden Störungen und dokumentiert das Betriebsverhalten in Form von Ganglinien und Berichten. Ein Nachweis der Funktionsweise der Bewirtschaftung ist somit jederzeit möglich.
Batteriespeichersysteme
GIREA® ist die Marke für regenerative Energieerzeugung plus intelligentes Energie-Management inklusive Energie-Speicherung
Um elektrische Energie zu gewinnen, ist der Einsatz von PV-Anlagen klimafreundlich und hocheffizient. Die tageszeitbedingte Überproduktion kann in Batteriespeicher eingespeist werden. Somit können Schwankungen in der Energieversorgung ausgeglichen werden.
Vom gewerblichen bis zum industriellen Maßstab bietet das Batteriespeichersystem GIREA® hierfür individuelle Lösungen bei Neubau und Nachrüstung. Die Batterien können gleichzeitig als Notstromsystem der Ausfallsicherheit der Anlage dienen.
GIREA® als Inselbetrieb:
Das GIREA® System besteht aus:
- PV Anlage
- Management Board (Intelligentes Energiemanagement)
- Speicherung
- Batteriespeicher (Altbewährt und Effizient)
- Wasserstoff (Vision LowCarb2NoCarb: Konzept der Wasserstoffspeicherung für gänzlich Nachhaltiges Energiemanagement)
PV-Anlage:
Managementboard:
Ein Intelligentes Energiemanagement bietet höchste Effizienz bei Abruf und Nutzung der elektrischen Energie. Ob Ersparnis über simple Spitzenlastabdeckung oder als eigenständiger Inselbetrieb lassen sich mit diesem System vereinbaren.
Speicherung mit Batteriespeicher:
Für die Sicherstellung des Energiebedarfs, werden Batteriespeicher eingesetzt. Diese ermöglichen die Kompensation der Energieschwankung. Somit lassen sich konstante Energiebedarfe und auch Peaks in der Energieverwaltung ausgleichen. Zur Veranschaulichung dieses Systems gibt es einen mobilen Show Truck:
Speicherung mit Wasserstoff:
Die Speicherung von Wasserstoff bildet die Zukunft der Energiewirtschaft. Hier wird die elektrische Energie direkt genutzt und überschüssige in Form von Wasserstoff gebunden. Die chemische Wandlung lässt sich über Elektrolyseure (Komponente zur Elektrolyse von Wasser) realisieren. Mit der Wandlung von Wasserstoff lassen sich die Batteriespeicher auf ein Minimum reduzieren oder sogar komplett ersetzen. Die Möglichkeit eine gänzlich Nachhaltige Lösung für Energiewirtschaft zu erzeugen und eine energetische Unabhängigkeit zu erreichen. Der Wasserstoff lässt sich ganz nach Anwendung flüssig, als Gas oder sogar in fester Form binden. Mit der Speicherung in Wasserstoff öffnen sich Türen zur Energieverwaltung. Somit kann nicht nur die Energie mithilfe von Brennstoffzellentechnologie in elektrischer Energie umgewandelt werden, sondern auch zur Verwendung als Brennstoff. Die Einbindung der Stränge in Verbrennungsprozesse oder die Verwendung für Heizsysteme lassen sich somit ermöglichen.
NiRA.web
Hochwasserereignisse infolge von Starkregen werden in Deutschland immer häufiger. Verschlimmert wird die Situation auch deshalb, weil die Kanalisation auch bei mittleren Starkniederschlagsmengen (1-5 Mal pro Jahr) die auftretenden Abflüsse nicht mehr aufnehmen kann. Im kommunalen Kanalnetz ist wesentlicher Stauraum vorhanden, der durch intelligente Netzbewirtschaftung aktiviert werden kann. Schäden, die in den Starkregenindexstufen größer 3 entstehen können, werden so abgewehrt bzw. minimiert.
Im Zentrum zukünftiger Maßnahmen steht daher die optimale Nutzung des bestehenden Kanalnetzvolumens durch eine intelligente Datenerfassung und Kanalnetzsteuerung. Hierzu gehen aus dem Arbeitsblatt DWA-A 102-1/BWK-A 3-1 ausdrückliche Empfehlungen für Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer hervor.
Viele Städte und Kommunen wurden in den letzten Jahren von außergewöhnlichen Starkregenereignissen heimgesucht. Oft mussten ganze Straßenzüge gesperrt werden, da die Kanäle die Wassermassen nicht mehr fassen konnten. Auch Gullis wurden von dem Wasser hochgedrückt und es kam zu Überflutungen.
Aus diesen Anlässen überprüfen Kommunen und Städte zunehmend die bestehenden Kanalnetze auf ihre Rückhaltekapazitäten. Mehr und mehr stellt sich heraus, dass neben der Erweiterung der Kanaldurchmesser oder dem Bau neuer Speicherbecken insbesondere der Einsatz intelligenter Kanalnetzsteuerungen wirksame Maßnahmen darstellen, um das Rückhaltevolumen optimal auszunutzen und damit negative Auswirkungen von Starkregenereignissen zu reduzieren.
Maßnahmenstart an neuralgischer Stelle
Am Beispiel einer betroffenen Großstadt lassen sich die Ausmaße und die damit verbundenen Maßnahmen aufzeigen. Es handelt sich um ein Einzugsgebiet von rd. 52 km2 Größe mit einer Kanalnetzlänge von rd.. 550 km und rd. 14.500 Haltungen. Besonders von Starkregen betroffen war in den letzten Jahren der Mischwassernetzabschnitt mit einer Einzugsgebietsgröße von ca. 192 ha. Wasser aus überlaufenden Schächten hat infolge des Abflusses über die Straße beispielsweise in tiefer gelegenen bebauten Bereichen zu Schäden an städtischen Bauwerken geführt. Daher entschieden sich die Wirtschaftsbetriebe, in diesem Stadtteil eine intelligente Kanalnetzsteuerung vorzusehen.
Kombination aus intelligenter Verfahrenstechnik und innovativer Steuerung erhöhen das Rückhaltevolumen
Geeignete Maßnahmen aus intelligenter Verfahrenstechnik und innovativer Steuerung führen dazu, dass jetzt fast das gesamte Rückstauvolumen ausgenutzt wird, bevor ein Überstau im Hauptsammler auftritt. An fünf Stellen des Netzes sollen spezielle Drosselsysteme installiert werden und mittels Messung des Wasserstandes und des Durchflusses im Kanal so geregelt, dass die oben genannte Zielsetzung bestmöglich erreicht wird. Insbesondere ist dabei auch das zentrale Abflusshindernis, der Wasserstand des Hauptkanals, zu erfassen und in der Gesamtsteuerung als Stellgröße zu berücksichtigen.
Wichtig: Verbundregelung
Simulationsrechnungen machen deutlich, dass vergleichbare historische Niederschläge mit gering abweichenden Niederschlagskennwerten wie höhere Niederschlagsintensitäten, längeren Niederschlagsdauern und auch größeren Ereignissummen zu überstauenden Schächten an den Schwachstellen des Netzes führen. Die Analyse eines statischen Drosselsystems mit den hydraulischen Verhältnissen zeigt bereits eine nicht gleichmäßige Ausnutzung der vorhandenen Rückhalteräume. Somit kann die Grundannahme bestätigt werden, dass nur eine (dynamische) Verbundregelung intelligenter Stellorgane auf Basis von Messwerten die unterschiedlichen hydraulischen Gegebenheiten des Netzes ausreichend zur Zielerfüllung berücksichtigt werden kann.
Digitalisierung erhöht Bewirtschaftungsflexibilität, die Sicherheit und spart Baukosten
Die Berechnungsergebnisse zeigten bereits, dass alle fünf vorhandenen Rückhalteräume zum bestmöglichen Schutz vor Überflutung bei Starkregenereignissen benötigt werden. Ziel der neuen Steuerung ist es nun, den Abfluss in den oben liegenden Kanalabschnitten zu einem möglichst frühen Zeitpunkt durch entsprechende Schieberstellungen deutlich zu vermindern. Eine sich sonst aufbauende und durchlaufende Welle der Spitzen des Kanalabflusses muss dadurch gebrochen bzw. zwischengespeichert werden. Entsprechende Sensoren und Aktoren liefern dazu die benötigten Informationen und die daraus abgeleiteten Aktionen zum Öffnen und Schließen der Drosselaggregate. So wird eine deutliche Verbesserung der Niederschlagsbelastung erreicht.
Die Ergebnisse stützen sich auf historische Niederschlagsdaten. Da über eine hohe Anzahl an digitalen Messpunkten des Niederschlagsportals NiRA.web® verfügt wird, und damit eine verlässliche Niederschlagserfassung vorliegt, kann die im Portal NiRA.web® integrierte 72-h-Niederschlagsprognosefunktion auch für eine vorausschauende Kanalnetzbewirtschaftung eingesetzt werden. Werden nun die Prognosedaten aus dem Portal NiRA.web® mit historischen Daten kombiniert, kann auf Basis ermittelter Lastfallanalysen abgeschätzt werden, welche Drosseleinstellungen den optimalen Volumenrückhalt je nach erwarteter Niederschlagssituation sicherstellt. Mit der Auswertung dieser Information kann z. B. im Fall einer momentan drohenden Überlastung des Netzes ein besonders ausgerichtetes Szenario von Schieberstellungen empfohlen und durchgeführt werden. Diese Schieberstellung kann zu einem Wasseraustritt an weniger kritischen Stellen des Kanalnetzes führen, um Kapazitäten in den Speicherräumen des Kanalnetzes für das zukünftige vorhergesagte Niederschlagsereignis zu schaffen und gleichzeitig Wasseraustritte an kritischen Stellen zu verhindern. Zudem kann mit der Vernetzung der Vorhersage durch NiRA.web®und den Informationen des Leitsystems ein Warnsystem basierend auf dem Starregenindex aufgebaut werden. Die Warnung kann zum Beispiel zum automatisierten Schließen von Dammtoren vor Tiefgaragen genutzt werden und bedeutet bei extremen Wetterereignissen eine besondere Sicherheit zum Schutz vor auftretendem Starkregen. Die Kommunikationssysteme zum Bevölkerungsschutz (Sirenen, Lautsprecherdurchsagen, Cell-Broadcasting) bei Starkregenereignissen ab Stufe 6 können ebenfalls aktiviert werden.
4.0-Netzbewirtschaftung zur Stauraumoptimierung
Um die vorhandenen Stauräume besser auszunutzen, bedarf es Informationen zum Niederschlagsabflussgeschehen. Diese liefern SCADA-Systeme durch aufgezeichneten Füllstands- und Durchflussdaten. Für ein ganzheitliches Bewirtschaften sind zusätzlich Niederschlagsdaten erforderlich, welche durch das Niederschlagsportal NiRA.web zur Verfügung gestellt werden. Die historischen, aktuellen und prognostischen Füllstands-, Abfluss- und Niederschlagsdaten werden dann im Bewirtschaftungs-System IntelliNet verarbeitet. Das ermöglicht eine situativ einstellbare Abfluss-, Steuer- und Regeleinrichtung. Ziel ist, vorhandene Stauräume bei unterschiedlichen Ereignissen optimal auszunutzen und Einleitungen in Gewässer damit zu reduzieren.
Weiterführende Informationen
Literatur: Baldauf, M., Gebhardt, C., Theis, S., Ritter, B. & Schraff, C. (2018). Beschreibung des operationellen Kurzfristvorhersagemodell ICON-D2 und ICON-D2-EPS und seiner Ausgabe in die Datenbanken des DWD.
Jasper-Tönnies, A., Hellmers, S., Einfalt, T., Strehz, A. & Fröhle, P. (2017). Ensembles of radar nowcasts and ICON-DE-EPS for urban flood ma- nagement. Water Science and Technology, 2017(1), 27–35. Tessendorf, A. & Einfalt, T. (2012). Ensemble radar nowcasts-a multi-method approach. Inter- national Association of Hydrological Sciences Publications, 351, 305–310.
Upgrade
Um die meist zusätzlich erforderliche Regelbandbreite für die statisch dimensionierten Abflussregelungen zu erhalten, werden diese erweitert, modernisiert bzw. angepasst oder ersetzt.
Rein mechanische Abflussregler erhalten ein Upgrade mit einstellbaren Elektro-Regelschiebern. Die Nutzung von etwaig vorhandenen Notumläufen, ebenso durch Nachrüstung von Elektroschiebern, ist dabei eine häufig mögliche, wirtschaftliche und zielführende Maßnahme.
Speicher und Regenbecken, welche durch Pumpen entleert werden, können die Abflussbandbreite durch Drehzahlregelungen erzielen. HST verfügt am Markt über ein vollständiges Lösungsportfolio zum Thema Durchfluss-bzw. Abflussregelungen sowohl für Neubau als auch für die Sanierung und Umrüstung.
In Kombination mit IntelliNet können so die Speicherräume und Abflusskapazitäten eines gesamten Entwässerungssystems entsprechend der Zielstellungen bewirtschaftet werden.
Neben der erforderlichen 4.0 Ausrüstung gehören auch die Dienstleistungen zur Auswertung und Analyse sowie zur Einrichtung und Parametrierung des Bewirtschaftungssystems zum Leistungsumfang von HST.
Anwendungsbeispiele:
Schwelm – Beckenbewirtschaftung
Das Ziel ist die Ausnutzung des vorhandenen Stauvolumens im Kanalnetz, welches hauptsächlich durch 4 von 6 Zulaufsträngen zur Kläranlage generiert wird. Als Zulaufstrang wird dabei ein Teilabschnitt des Kanalnetzes bestehend aus teils mehreren, kaskadenförmig angeordneten Regenbecken bezeichnet. Ein weiteres maßgebliches Ziel ist die Reduktion von Entlastungen in den Vorfluter, die Schwelme. Unter der Bedingung, dass der maximale Zulauf zur Kläranlage eingehalten wird, liegt die Genehmigung zur dynamischen Regelung der Drosselwassermengen der RÜBs vor. Die bereits mittels DSL / Funk und durch TeleMatic Fernwirktechnik vernetzten Anlagen wurden um eine IntelliNet-Master Steuerung erweitert, welche eine füllgradbasierte dynamische Regelung der Drosselwassermengen realisiert. Das Bewirtschaftungssystem wird durch SCADA V10 permanent überwacht.
Im Ergebnis wird Stauvolumen im Kanalnetz besser ausgenutzt, die Entlastungen verringert und somit ein Schutz des Vorfluters, der Schwelme, erreicht.
Oberhausen – Kanalnetzbewirtschaftung
Das Ziel der Kanalnetzbewirtschaftung ist den Wasseraustritt bzw. die Entlastung im dichteren Stadtgebiet zu vermeiden und stattdessen den unvermeidbaren Wasseraustritt in den Grünbereichen zu tolerieren. Für die Umsetzung wurde fünf vorhandene Steuerstellen im Kanalnetz ausgewählt. Das Kanalnetz bietet durch Aufweitung entsprechendes Rückhaltevolumen. Anschließend wurde eine die Simulation des Kanalnetzes mit Bemessungsregen unterschiedlicher Wiederkehrzeit (Jährlichkeit) durchgeführt. Das Ergebnis führte zur Nachrüstung von Messtechnik an markanten Stellen zur Steigerung der Datenlage und zur Parameteranpassung an den ausgewählten der Steuerstellen. Als Ergebnis wird der städtische Bereich vor Wasseraustritt durch gezielte Entlastung im Grünbereich geschützt.
Regelwerke:
- DWA-M 180
- DWA-A 102
- DMA-M 176
