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Energiemanagement

Veranlassung


Ermittlung der Energieeffizienz einer Reinwasserpumpe


Für einen Erfolg der Energiewende in Deutschland sind umfangreiche Energieeffizienzsteigerungen notwendig, auch in der Wasserversorgung. Seit der Überführung der Energieeffizienz-Richtlinie in die deutsche nationale Gesetzgebung Ende 2015 sind durch das neue Energiedienstleistungsgesetz (EDL-G) viele Wasserversorgungsunternehmen (WVU) dazu rechtlich verpflichtet, ein Energiemanagementsystem nach ISO 50001 oder wiederkehrende Energieaudits nach DIN 16247-1 im Turnus von 4 Jahren einzuführen. Wer noch nicht verpflichtet ist, rechnet sicherheitshalber damit in den nächsten Jahren. Viele WVU haben dieser Pflicht erst einmal formal entsprochen. Nun besteht aber ein großer Bedarf, eine kontinuierliche energetische Verbesserung herbeizuführen und nachzuweisen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts "Energieeffizienz in der Wasserversorgung" (ENWAS, Förderkennzeichen 03FH018I3) (2013-2017) wurden viele praktische Erfahrungen gewonnen. Daraus ging hervor, dass insbesondere kleine und mittlere WVU Bedarf haben, Energiemaßnahmen initial bewerten zu können. So können sowohl unwirtschaftliche Maßnahmen als auch verborgene Potentiale frühzeitig erkannt werden, bevor die Umsetzung von Maßnahmen in Auftrag gegeben werden.

Energiemanagement-Toolbox für kleine & mittlere WVU

Unterstützung für kleine & mittlere WVU

Es werden vor allem auf diesem Gebiet Ingenieure gebraucht, die sowohl als Impulsgeber agieren, um Energiemaßnahmen bei WVU anzustoßen, als auch als technische Berater fungieren, um sich um zeitaufwändige Recherchen (und ggf. Know-how-Entwicklung), Dateneinholung und -verarbeitung, Herstellernachfragen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu kümmern. An dieser Stelle möchten wir den kleinen und mittleren WVU zur Verfügung stehen.

Im Rahmen des ENWAS-Projekts wurde ein Bündel an Excel-Tools (die sogenannte "Toolbox") entwickelt, welche konkrete Ansätze zur Lösung spezifischer Probleme anbietet. Diese werden durch die HTW Dresden für die Bewertung von Energiemaßnahmen verwendet, stehen aber gleichzeitig kostenlos zur Verfügung zur Verwendung durch interessierte WVU und Büros. Um darauf aufzubauen, läuft seit 2018 bis Ende 2020 das Ergänzungsprojekt "Energiemanagement-Toolbox für kleine und mittlere Zweckverbände der Wasserwirtschaft in Sachsen", gefördert durch das Sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK). Dadurch soll die bestehende Toolbox verbessert und erweitert werden.

Die Toolbox dient dazu, den Eigenaufwand (bzw. dessen Wahrnehmung) für WVU so weit zu reduzieren, dass sie mit ihrer verfügbaren Kapazität hinsichtlich dreier Ziele handlungsfähig werden:

  1. Energieeffizienzsteigerung von bestehenden und neuen Anlagen,
  2. Nutzung von erneuerbaren Energien,
  3. Bewertung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Maßnahmen.

Excel-Toolbox

Stand Juli 2018 gibt es 5 Excel-Tools, die zur Verfügung stehen, und 3 weitere Tools, die sich in der Bearbeitung befinden. Die Tools können in der rechten Spalte heruntergeladen bzw. per Anfrage (Telefon sowie Email) angefordert werden. In Zukunft werden auch Fallbeispieldateien angeboten, um die Anwendung an neuen Standorten zu erleichtern. Ferner sollen webbasierte Anleitungen für die Tools erstellt werden, um die Nutzerfreundlichkeit noch weiter zu steigern. Nachfolgend werden sie beschrieben:

(1) Energiemaßnahmenübersicht und -bewerter

  • ermöglicht eine schnelle, subjektive Priorisierung von Energiemaßnahmen für und durch WVU, z.B: im Gespräch mit einem Berater
  • berücksichtigt dadurch Entscheidungsfaktoren wie menschliche Hemmschwellen und Gepflogenheiten
  • fokussiert die Aufmerksamkeit auf jene Maßnahmen, die mit größter Wahrscheinlichkeit umgesetzt werden, auch wenn andere Maßnahmen technisch oder wirtschaftlich vielversprechender erscheinen

(2) Kleinturbinen-Selektor

  • Grobanalyse zur Berechnung der zu erwartenden hydraulischen und elektrischen Leistung mit begrenzten Informationen zu den Standorten
  • Feinanalyse zur Ermittlung der optimalen Turbinenparameter anhand von aktuellen Einzelwerten (z.B. Druck, Durchfluss) und historischen Zeitreihen (z.B. von Abgabedurchfluss)
  • Spezialisiert auf Standorte mit Speicherbehältern zum Ausgleich unterschiedlicher Zu- und Abflüsse
  • Vorschläge zu Turbinenherstellern, bei denen der Nutzer Angebote erfragen kann, sowie Hinweise dazu, was bei Anfragen zu beachten ist
  • Grobe Kostenschätzung mit notwendigen Positionen sowie konservativ geschätzte Amortisationszeit

(3) Brunnengalerie-Betriebsoptimierer

  • setzt voraus, dass Brunnen in unterschiedlichen Kombinationen betrieben werden können, z.B. 15 Brunnen in 5er Kombinationen
  • historisch-statistische Analyse mit minimalen Informationen über den hydrau­lischen Zustand
  • bewertet Brunnenkombinationen nach ihrem spezifischen Energiebedarf, um energetisch *günstige" Kombinationen zu identifizieren und bevorzugt betreiben zu können
  • Energieeinsparung durch Verschiebung der Betriebsstundenverteilung, ohne bauliche Maßnahmen

(4) Pumpenkennlinien-Drehzahl-Umwandler

  • ermöglicht die Umwandlung einer vom Nutzer vorgegebenen Kennlinie von der Nenndrehzahl (z.B. bei typischer 50 Hz-Stromversorgung) in beliebig andere wählbare Drehzahlen
  • basiert auf den Affinitätsgesetzen, die für viele (aber nicht alle) Kreiselpumpen annähernd gelten
  • erlaubt eine Auswertung (z.B. Vergleich von gemessenen bzw. herstellergelieferten Kennlinien) von untersuchten frequenzgeregelten Pumpen, die nicht bei 50 Hz und deshalb nicht bei ihrer Nenndrehzahl betrieben werden
  • ist im Zusammenhang mit dem geplanten Tool „Pumpenanlagen-Bewerter“ zu sehen

(5) Delta-Event-Zeitreihen-Entfitzer/Zeitrichter

  • wandelt Messdatenzeitreihen mit willkürlichem Zeitraster (z. B. nach dem Delta-Event-Messverfahren) in Zeitreihen mit einem konstanten, wählbaren Intervall, z. B. 15-Min, zur besseren Datenverarbeitung

(6) (Beta-Version) Pumpenbewerter & -optimierer

  • Berechnung des Wirkungsgrades und Priorisierung von Pumpen zur weiteren Untersuchung
  • Energetischer Ist-Soll-Vergleich einer Pumpe über den Verlauf der Pumpenkennlinie
  • Ermittlung von Einsparpotentialen durch Ersatz oder Optimierung, mit wirtschaftlicher Bewertung

(7) (in Arbeit) Lebenszykluskosten- und ROI-Kalkulator

(8) (in Arbeit) Heizenergie-Sparer

Ausgewählte Projektergebnisse & bisherige Erfahrungen

Die im Rahmen des ENWAS-Projekts durchgeführten Arbeiten lassen sich in 5 technische Kategorien unterteilen, die auch die wesentlichen Bausteine der während des Projekts durchgeführten Promotion bilden: (1) Energiemanagement im Sinne der DIN EN ISO 50001, (2) Pumpensysteme, (3) Brunnengalerien, (4) Kleinturbinen und (5) Gebäudeklimatisierung. Ausgewählte Ergebnisse umfassen:

(1)    Energiemanagement im Sinne der DIN EN ISO 50001

  • Einführung und Zertifizierung eines Energiemanagementsystems beim Partner-WVU ZWA Hainichen (2014-15), Etablierung der Stelle des Energiemanagers, Einführung des jährlichen Energieberichts mit automatisierter Erstellung der Diagramme, Verbesserung der Dokumentation und Darstellung energetisch relevanter Daten
  • Unterstützung von Dresdner KMU bei der Entwicklung von Energiemanagement-Software (cENtERGY der Fa. intecsoft) sowie der Datenerfassung an den technischen Anlagen, zur detaillierten Energiemessung auf Aggregatebene sowie zur umfangreichen digitalen Erfassung von Betriebsdaten (mit der Fa. wks Automation)

 Konkreter Nutzen bzw. Anwendungsmöglichkeiten:

  • Energiekosteneinsparung von ca. 140.000 €/a durch die Umsetzung diverser Maßnahmen (unterstützt durch den Zuwendungsempfänger), Steigerung der Energieeffizienz im Trinkwasser- bzw. Abwasserbereich um 13,8% bzw. 11,6% bis Ende 2016
  • Generierung von Folgeaufträgen für Partner-KMU intecsoft und wks Automation
  • Erarbeitung eines Konzepts zur systematischen Verbesserung der nachhaltigen Energienutzung bei WVU
  • Excel-Tool zur Bewertung von Energiemaßnahmen in der Wasserversorgung
  • Excel-Tool zur Umwandlung von Delta-Event-Datenreihen in Datenreihen mit festem Zeitintervall

(2)    Pumpensysteme

  • Ermittlung der Energieeffizienz von insgesamt 157 Pumpen bei 5 Partner-WVU an mindestens einem Betriebspunkt (teilweise an mehreren), darunter 60 trocken, horizontal aufgestellte Pumpen, 36 trocken, vertikal aufgestellte Pumpen, 44 Unterwassermotorpumpen (davon 15 frequenzgeregelt) und 17 Druckerhöhungspumpen (davon 15 frequenzgeregelt)
  • Identifizierung der drei häufigsten Gründe für geringe Energieeffizienz: Verschleiß (meistens bei der Pumpe, gelegentlich beim Motor), Überdimensionierung (ob bei Auslegung oder danach) oder Erfüllung mehrerer, unterschiedlicher Förderaufgaben durch eine nicht regelbare Pumpe

Konkreter Nutzen bzw. Anwendungsmöglichkeiten:

  • Ersatz von 2 Pumpen in der Pumpstation Jinsi II in Uttarakhand, Indien, mit einer Einsparung von 195.000 kWh/a (7,8%) bzw. 14,7 T€/a und einer einfachen Amortisationszeit von ca. 5,2 a. Dies entspricht energetisch 23 Hin- und Rückflügen pro Person pro Jahr zwischen Frankfurt und Delhi
  • energetische Verbesserung von 2 Druckerhöhungsanlagen des ZWA Hainichen
  • Excel-Tool zur Umwandlung einer Pumpenkennlinie von der Nenndrehzahl in beliebige Drehzahlen unter Annahme der Affinitätsgesetze

(3)    Brunnengalerien

  • Untersuchungen bei 2 Partner-WVU (TAZV Oderaue bzw. FW Sdier) mit 27 bzw. 15 Brunnen in 4 bzw. 3 Galerien, die in der Regel in 12er bzw. 5er Kombinationen betrieben werden

Konkreter Nutzen bzw. Anwendungsmöglichkeiten:

  • ermitteltes Einsparpotential von 7,8% bzw. 10,5% (8 bzw. 12 T€/a)
  • Excel-Tool zur energetischen Bewertung und Optimierung beim Betrieb von Brunnengalerien

(4)    Kleinturbinen

  • Potentialermittlung für insgesamt 16 Standorte bei 4 Partner-WVU (FWV Torgau, ZWA Hainichen, ZWAV Plauen, RZV Glauchau)
  • wissenschaftliche Begleitung von 2 konkreten Maßnahmen am Hochbehälter (HB) 1912/36 (ZWAV) und HB Rehbocksberg (RZV Glauchau)

Konkreter Nutzen bzw. Anwendungsmöglichkeiten:

  • Sanierung der bestehenden Turbine im Zulauf des HB 1912/36 mit Energieerzeugung von 140.000 kWh/a und Jahreserlös von ca. 18.000 €/a bei einer Amortisationszeit von 1,2 Jahren
  • Vorplanung für den HB Rehbocksberg mit einem Durchfluss von 360 m³/h und einer Fallhöhe von ca. 55 m, welche 25.000 €/a generieren soll mit einer geschätzten Amortisationszeit von 2 bis 4 Jahren
  • Generierung von Folgeaufträgen für Partner-KMU WAM Dresden
  • Excel-Tool zur Ermittlung der optimalen Parameter für Turbinen in Zulaufleitungen zu Speicherbehältern

Publikationen

Patro, R., Voltz, T., Grischek, T. (2018) Micro hydropower in drinking water gravity pipelines: A case study in Uttarakhand, India. ISH Journal of Hydraulic Engineering, doi.org/10.1080/09715010.2018.1492977.

Voltz, T., Grischek, T. (2018) Energy management in the water sector – Comparative case study of Germany and the United States. Water-Energy Nexus, Elsevier, https://doi.org/10.1016/j.wen.2017.12.001 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588912517300073.

Voltz, T.J., Grischek, T., Spitzner, M., Kemnitz, J., Irmscher, R. (2014) Raising energy efficiency of high-head drinking water pumping schemes in hilly India – Massive potential, complex challenges. J. Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 2(2), 118-126, http://www.sdewes.org/jsdewes/pi.2014.02.0011.

Voltz, T., Grischek, T., Musche, F. (2017) Case studies in energy management: Experience from Germany. JAWWA 109(12), 28, doi 105942/jawwa.2017.109.0123 https://awwa.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/19.5942/jawwa.2017.109.0123.

Voltz, T., Irmscher, R., Grischek, T., Sandhu, C., Musche, F., Kimothi, P.C., Tyagi, A., Dhamija, S. (2018) Energieeffizienzsteigerung von Trinkwasserpumpen in Uttarakhand, Indien: Fallbeispiel einer deutsch-indischen Zusammenarbeit. gwf Wasser Abwasser 159(04), 61-73 https://www.gwf-wasser.de/fileadmin/GWF/02_WA_04_2018_FB_Voltz.pdf.

Voltz, T., Musche, F., Pötzsch, U., Hälsig, R., Bahner, P., Jungmann, C., Eichler, A., Marx, A., Radisch, M., Grischek, T. (2016) Energiemanagementsystem für den Zweckverband Wasserver- und Abwasserentsorgung „Mittleres Erzgebirgsvorland“ (ZWA) Hainichen. gwf Wasser Abwasser 157(10), 921-932 https://ww.di-verlag.de/de/Zeitschriften/gwf-Wasser-Abwasser/2016/10/Energiemanagementsystem-fuer-den-Zweckverband-Wasserver-und-Abwasserentsorgung-Mittleres-Erzgebirgsvorland-ZWA-Hainichen.

Voltz, T., Monse, M., Grischek, T. (2018) Energieeffizienzsteigerung von Brunnengalerien auf der Grundlage einer historisch-statistischen Auswertung von bereits verfügbaren Prozessleitdaten. gwf Wasser Abwasser 159(07/08), 66-76 https://www.gwf-wasser.de/fileadmin/GWF/Downloads/01_FB_Voltz.pdf.

Aktualisiert: 26.06.2019