Kosteneffiziente 4.0 Ausrüstung für Energieautarkie in der Wasserwirtschaft

Stetig steigende Energiepreise belasten Kommunen

Energie ist unverzichtbar und birgt große Herausforderungen. Zum einen sind die konventionellen Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas endlich und somit nicht zukunftsfähig, zum anderen besteht eine Abhängigkeit von Staaten, die diese Energiequellen liefern. Der beschlossene Kohleausstieg bis spätestens 2038 wirkt erschwerend. Braun- und Steinkohle hatte 2021 einen Anteil von 29,7 % an der Gesamtstromerzeugung in Deutschland. Dieser Anteil muss bis 2038 durch erneuerbare Energien gedeckt werden, um die avisierte Klimaneutralität 2045 zu erreichen.

Entwicklung der Strompreise für Endverbraucher. Quelle: https://www.wechselpilot.com/strompreisentwicklung
Entwicklung der Strompreise für Endverbraucher. Quelle: https://www.wechselpilot.com/strompreisentwicklung

Laut Expertenschätzungen ist ein stabiler Strompreis ab 2030 zu erwarten. Dabei wurden aktuelle politische Krisen noch nicht berücksichtigt. Förderprogramme des Bundes und der Länder zielen darauf ab, Härtesituationen für Kommunen zu vermeiden. Die Kombination aus Energieeinsparung und Eigenenergiegewinnung ist der Schlüssel auf dem Weg zur Energieautarkie.


10 Ansatzpunkte zur Energieautarkie.

10 Ansatzpunkte zur Energieautarkie.

Pumpwerke

Pumpen können die Welt verändern

Pumpen sind für 10 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Sie sind unverzichtbar und ein fester Bestandteil der Wasserwirtschaft.

Mit der wachsenden Bevölkerung und der dafür erforderlichen Infrastruktur nimmt die Zahl der Pumpen weltweit zu. Dies stellt die Betreiber von Pumpwerken aller Art vor die Herausforderung, trotz mehr und größeren Pumpen gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Selbst die kleinste Verbesserung der Effizienz macht weltweit einen großen Unterschied aus.

Jede Pumpe hat einen bestimmten Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad, eine Kombination aus Förderhöhe, Durchflussmenge und Drehzahl, bei der sie ihre beste Leistung im Hinblick auf Energieeffizienz und Lebensdauer erbringt. Hier wird vom optimalen Arbeits- bzw. Betriebspunkt gesprochen. Selbst bei gut ausgelegten herkömmlichen Pumpsystemen ohne Optimierungssoftware wird sich immer nur ein Betriebsbereich +/- 20% des besten Betriebspunktes einstellen und unnötig hohen Energieverbrauch verursachen.

IntelliPump

IntelliPump dient der intelligenten Pumpensteuerung und Regelung sowie der Energieoptimierung von Pumpen in Wasserver- und Entsorgungsanlagen. Wesentliche Anforderung an die Automation des Pumpensystems ist neben der geforderten hohen Betriebssicherheit, ein automatisch optimierter Pumpenbetrieb durch eine dynamische Drehzahlregelung, mit der Möglichkeit zur Verbesserung des Pumpenwirkungsgrades. Des Weiteren muss die Möglichkeit bestehen, den Förderstrom auf eine frei einstellbare Sollwertvorgabe zu regeln oder zu begrenzen, indem die Pumpe konstant über die Drehzahl (Fu) an verschiedene Betriebsbedingungen optimal angepasst wird.


IntelliPump Ablauf

IntelliPump Ablauf

Vorteile

  • Kontinuierliche Überwachung des Betriebspunktes
  • Früherkennung von Verschleiß / Verzopfung und erhöhten Druckverlusten
  • sofortige Fehlererkennung und Abschaltung bei Über-/Unterlast
  • transparente grafische Betriebsanalyse mit Pumpen-/Anlagenkennlinie und Anzeige aller relevanten Prozessdaten
  • Monatsauswertung Lastprofile sowie Betriebs- und Energiedaten
  • Berücksichtigung Einzel-/Parallelbetrieb (Grundlast-/Spitzenlastbetrieb)
  • benutzerfreundliche Parametrierung
  • automatische Systemoptimierung bei Einzelbetrieb über Frequenzregelung (Pumpenbetrieb mit optimalem Wirkungsgrad)
  • Visualisierung, Steuerung, Diagnose und Optimierung in einem System
Erfassung elektrischer und physikalischer Daten.
Erfassung elektrischer und physikalischer Daten.
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie (Screenshot IntelliPump)

Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie (Screenshot IntelliPump)
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie – IST-Zustand
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie - Vergleich IST- und Optimal-Zustand
Anpassung des optimalen Arbeitspunktes an der Pumpenkennlinie – Optimal-Zustand
Ermittelte Energie-/Kosteneinsparpotential einer Pumpe bei 34.200 m³/Monat
Ermittelte Energie-/Kosteneinsparpotential einer Pumpe bei 34.200 m³/Monat

Wärmetauscher

Innovative Lösungen zur Wärmerückgewinnung

Energieoptimierung im Abwassernetz

Steigende Energiepreise rücken bei Abwasserbehandlungsanlagen das Thema Energieeffizienz immer stärker in den Vordergrund. Erhöhter Kostendruck und die angestrebte CO2 erfordern eine Verbesserung der Energiebilanz, insbesondere auf Kläranlagen.

Zunehmend Beachtung findet die bisher weitestgehend ungenutzte Wärme aus Abwasser von privaten Haushalten, öffentlichen Einrichtungen und der Industrie. „Das Potenzial dieser erneuerbaren Energiequelle ist sehr groß. Mit Abwasserwärme könnten – vom Angebot her – 10 % aller Gebäude in Deutschland beheizt werden“ (DWA-M 114).

Durch Wärmeaustausch zwischen dem kalten Rohschlamm und dem warmen ausgefaulten Klärschlamm werden erhebliche Einsparungen bei der Schlammerhitzung erzielt.

Abwasser als Wärmequelle – Temperaturvergleich der Quellen


Darstellung Abwasser als Wärmequelle

Was ist Wärmeübertragung?

Wärmeübertragung läuft über drei Übertragungswege ab:

  • Wärmeleitung
  • Wärmeströmung
  • Wärmestrahlung

Basiswissen

Die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines festen Körpers und einer Flüssigkeit wird in der Physik als Wärmeübergang bezeichnet. Von Wärmedurchgang wird gesprochen, wenn Wärmeleitung von einer Flüssigkeit durch ein Trennmaterial auf eine andere Flüssigkeit stattfindet.

Das Maß für diesen Wärmedurchgang ist der Wärmedurchgangskoeffizient (k-Wert), er wird in erster Linie durch die Wärmeleitfähigkeit und Dicke des Trennmaterials bestimmt. Der Wärmedurchgangskoeffizient wird in W/(m²*K) angegeben. Er gibt also die Wärmemenge an, die in einer Stunde durch einen Quadratmeter hindurchgeht, wenn der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenfluid 1K (1K = 1 °C) beträgt. Je größer der Wärmedurchgangskoeffizient also ist, umso höher ist der Wärmestrom zwischen den zwei Flüssigkeiten.

Varianten

Für die unterschiedlichen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung aus dem Kanal- und Kläranlagenbetrieb bietet HST innovative Wärmetauschersysteme, die – je nach Anforderung – mit IT-Applikationen ausgestattet werden, um die Prozesseffizienz zu überwachen und zu optimieren.


Pure flux P

Pure flux P

Rohrwärmetauscher haben eine auf dem Rohrmantel außen aufgesetzte Radialspirale für den Zwischenkreis. Sie sind eine ideale Ergänzung von SOWIESO-Rohren zur Wärmeaustauschfunktion. Wärmetauscher nach diesem Prinzip eignen sich auch für große Nennweiten und zur Nachrüstung bzw. Integration in bestehende Rohrleitungen.

Anwendungsbeispiel: Hochwasserpumpwerk, Dieselaggregat

technische Daten

  • Anzahl 3 Stück
  • Nennwärmeleistung 214 kW
  • Durchmesser DN900
  • Wirklänge 730 mm
  • Durchfluss 800 l/s
  • Kühlkeis 9,5 m³/h
  • Kühlung: 85/65°C

Anwendungsbeispiel Pure flux P


Pure flux p2

Pure flux P2

Das effiziente System für die Abwasserwärmenutzung: Abwasser bietet mit seinen hohen Temperaturen eine ideale Wärmequelle für Wärmepumpen und steht als alternative Energiequelle der Geothermie oder Grundwassernutzung in nichts nach. Mit Hilfe des in Systembauweise entwickelten Wärmetauschers wird dem Abwasser so die Wärme entzogen, die durch die vorherige Nutzung ohnehin eingebracht wurde.

Anwendungsbeispiel: Molkereiabwasser

technische Daten

  • Anzahl 3 Stück
  • Spitzenleistung 120 kW
  • Wärmetauscherfläche 6,3 m²
  • Durchmesser DN65
  • Durchfluss 80 m³/h l/s
  • Nahwärmenetz 14 m³/h
  • Wärmerückgewinnung: 10/15 °C

Anwendungsbeispiel Molkereiabwasser

Schlamm-Rekuperator

Der Schlamm-Rekuperator in Modulbauweise ist ein einfaches und effizientes Verfahren zur Energieoptimierung im Bereich der Schlammbehandlung. Die Wärmetauscher-Module („Rekuperatoren“) übertragen auf physikalisch-mechanischem Weg die Wärme des warmen, ausgefaulten Schlamms, indem dieser im Gegenstrom über eine Kontaktfläche am kalten Rohschlamm vorbeigeführt wird. Die notwendige Rohschlamm-Aufheizung mit Heizöl oder Erdgas kann somit entfallen bzw. ist reduziert.

Anwendungsbeispiel: Kläranlage Bestwig-Velmede

technische Daten

  • Anzahl der Module: 24 Stück
  • Nennwärmeleistung: 50 kW
  • Wärmetauscherfläche: 67,2 m²
  • Schlammdurchsatz & Rohschlammmenge: je 54 m³/d
  • Temperaturanhebung & Abkühlung: 10 K
Anwendungsbeispiel KA Bestwig-Velmede

IntelliStream für Wärmetauscher

Die häufigste Ursache für den ineffizienten Betrieb von Wärmetauschern im Abwasser ist die Bildung von Biofilmen. Die Wärmeübertragung der Konstruktionen wird dabei massiv beeinträchtigt.

Temperaturverlauf Wärmedurchgang
Temperaturverlauf Wärmedurchgang
Wärmedurchgang in Abhängigkeit von Sielhautdicke

Durch IntelliStream wird die Wärmeübertragung kontinuierlich überwacht und negative Einflüsse durch Verschmutzungen des Wärmetauschers erfasst. Hierdurch werden automatische Reinigungszyklen erst eingeleitet bzw. Warnmeldung generiert, wenn diese erforderlich sind, um so einen optimalen und effizienten Wärmetauscherbetrieb zu erreichen. Somit wird energieoptimiert und je nach Zusammensetzung des Quellmediums eine betriebsorientierte Reinigung eingeleitet.

Ablauf IntelliStream
Ablauf IntelliStream

Kurzbeschreibung

System für selbstüberwachende Verschmutzungsgrad-detektion zur Gewährleistung optimaler Reinigungsergebnisse und effizientem Wärmetauscherbetrieb

Vorteile

Kontinuierliche Überwachung des Betriebspunktes, Früherkennung von Ablagerungen, welche die Wärmeübertragung beeinflussen und zustandsorientierte Verlegungsbeseitigung bzw. Warnmeldung.

Dank IntelliStream ist es zukünftig möglich, durch fortlaufendes Condition-Monitoring die Entstehung von Biofilmen frühzeitig zu erkennen und diese anschließend vollautomatisch zu beseitigen

Wieso Abwasserwärme und Rekuperation?

  • Wärmequelle mit annähernd konstanter Temperatur
    • im Winter selten unter 10°C optimal zum Heizen
    • im Sommer selten über 20°C optimal zum Kühlen
  • Potential ist ausreichend vorhanden
  • Bringt eine Unabhängigkeit von Fremdenergie
  • Ist ein Schritt in Richtung Klimaschutz
  • Abnehmer sind gleichzeitig Erzeuger

Dem Abwasser / Schlamm wird nur Wärme entzogen,
die durch die vorherige Nutzung eingebracht wurde

Aufwändige Analysen haben zu einer einmaligen Betriebspunktunabhängigen Regelung geführt, mit dessen Hilfe Sie die Effizienz Ihrer Wärmetauscher drastisch steigern können

Bei Wärmetauschern denken Sie an IntelliStream.


Batteriespeichersysteme

Projektentwurf PV an einem Fußball Stadion in Brasilien
Projektentwurf PV an einem Fußball Stadion in Brasilien

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 Lösungenbei Neubau und Nachrüstung. Die Batterien können gleichzeitig als Notstromsystem für die 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

Industrielle Photovoltaik Anlagen in nahezu frei modifizierbaren Flächengrößen.
Industrielle Photovoltaik Anlagen in nahezu frei modifizierbaren Flächengrößen.
Batteriespeicher
Batteriespeicher

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.

Produktfamilie GIREA
Produktfamilie GIREA

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.

Show Truck Veranschaulichung GIREA System
Show Truck Veranschaulichung GIREA System

Speicherung mit Wasserstoff:

Die Speicherung von Wasserstoff ist 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.

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 direkte Einbindung in Verbrennungsprozesse oder die Verwendung für Heizsysteme sind somit möglich.

Fazit

Um Energieautarkie in der Wasserwirtschaft anzustreben, ist eine Kombination aus Energieeinsparung und Eigenenergiegewinnung der Schlüssel. Die größte Einsparung kann durch die Optimierung von Pumpwerken mit IntelliPump erreicht werden. Eigenenergiegewinnung durch Wärmetauscher und PV-Anlagen tragen wesentlich zur Energieautarkie bei. Die Speicherung überschüssiger Energie für eigenenergiearme Phasen erfolgt am effektivsten sowohl in Batterien als auch mit Wasserstoff und eignet sich auch für die Notstromreserve. Insgesamt gibt es heute praxiserprobte 4.0-Ausrüstung, um sich fremdenergieunabhängiger zu machen. Energierelevante Projekte werden durch viele Fördermaßnahmen unterstützt. Angesichts der Energieverknappung und der klimatischen Veränderungen ist eine Verzögerung von Energieprojekten nicht nur schädlich für die Betriebssicherheit.

PLANERSERVICE

Bei der Dimensionierung und Konfiguration von Rechen und Sieben/Abflussregelungen/Reinigungseinrichtungen gibt es zahlreiche weitere Aspekte und Erfahrungen zu berücksichtigen. Einige können wir über unsere Checkliste erfahren, am leichtesten und sicher ist es jedoch im Gespräch mit unseren Fachingenieuren im Planerservice die Rahmenbedingungen und Anwendung im Dialog abzustimmen. Dort können Fragen zur hydraulischen sicheren Bemessung und Auslegung, zur Anordnung, zur Einbringung in das Bauwerk, zur Schaltanlage, zu Anschlüssen und Kabelwegen, zur Prozessüberwachung und Wartung individuell erörtert werden. Mit den gewonnenen Informationen können wir Ihnen dann einen passgenauen und zukunftssicheren Vorschlag ausarbeiten!

Musterprojekt Anfordern

Bitte geben sie bei Sanierungen die bestehende Schwellenlänge ein und bei Neubauprojekten eine geplante Schwellenlänge ein. Im konkreten Dimensionierungsfall wenden sie sich bitte an die Kolleginnen und Kollegen im Planerservice

Ihr technischer Berater vor Ort!

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