Energieeffizienz spielt auch in der Trinkwassergewinnung eine immer größere Rolle. Der Wissenschaftler Michael Rustler spricht über die energetische Optimierung von Brunnenfeldern.
Springer Professional: Als Projektleiter der zweiten Forschungsphase konnten sie auf gesicherte Erkenntnisse zur energetischen Optimierung des Brunnenbetriebs setzen. Welche waren das?
Michael Rustler: In der ersten Forschungsphase entwickelten wir für ein kleines Brunnenfeld eine Methodik zur Quantifizierung des Einflusses von Brunnenfeldbetrieb, Pumpenerneuerung und Grundwasserabsenkung auf den Energieverbrauch der Rohwassergewinnung. Zudem führten wir zusammen mit Kollegen des Fachgebiets Fluidsystemdynamik der TU Berlin ein Pumpenaudit durch. In einem Workshop mit führenden Herstellern von Unterwassermotorpumpen konnten die Potenziale von Energieeffizienzsteigerungen identifiziert werden.
Welche praktischen Versuchsfelder standen ihnen zur Verfügung?
In der zweiten Forschungsphase wurde die Übertragbarkeit der entwickelten Methodik auf größere Brunnenfelder mit anderen Randbedingungen (z.B. statische Förderhöhen, Brunnenabsenkungen) untersucht. Deshalb wurden drei verschiedene Fallstudien ausgewählt, wobei das größte Brunnenfeld aus 14 Brunnen mit insgesamt 18 Pumpen bestand.
Mit welchen Methoden zur Energieoptimierung haben sie bei Optiwells-2 gearbeitet?
Für alle drei Fallstudien wurden zunächst energetische Pumpenaudits durchgeführt. Hierdurch konnte quantifiziert werden, inwieweit der tatsächliche Energiebedarf der eingesetzten Pumpen von den Herstellerangaben abweicht. In einem zweiten Schritt wurde dann auf dieser Grundlage eine energetische Optimierungsmodellierung durchgeführt. Für die ersten zwei Fallstudien wurden hydraulische Modellierungen mit dem Rohrnetzprogramm EPANET unter Berücksichtigung der Grundwasser-absenkung im Brunnen durchgeführt. Hierzu wurden neben den im Pumpenaudit erhobenen Daten auch Rohrnetz- und Betriebsdaten des Betreibers (z.B. Volumenströme der Pumpen) verwendet. Nach Modellaufbau und -kalibrierung konnte dann der Einfluss verschiedener Managementszenarien wie z.B. eines optimierten Brunnenbetriebs mit und ohne Pumpenerneuerung untersucht werden. In der dritten Fallstudie für das größte Brunnenfeld wurde alternativ ein datenbasierter Ansatz gewählt, der ebenso präzise Energieverbrauchsprognosen lieferte und sich im Vergleich zur hydraulischen Modellierung viel besser automatisieren ließ. Dieser datenbasierte Ansatz ist auch für sehr große Brunnenfelder bestens geeignet und lässt sich gut in bestehende IT-Prozesse von Wasserwerksbetreibern integrieren.
Am Ende konnten sie Energieeinsparungen bis zu 50 Prozent erreichen. Wie war das möglich?
Bis zu 20 Prozent Energieeinsparungen konnten allein durch eine optimierte Brunnenschaltung, das heißt durch prioritären Betrieb von Pumpen mit dem niedrigsten spezifischen Energieverbrauch erzielt werden. Wurden diese Maßnahmen noch mit der Erneuerung von besonders alten Pumpen kombiniert, konnten tatsächlich bis zu 50 Prozent Energie eingespart werden.
Interessierten Wasserversorgern bietet ihr Zentrum jetzt passgenaue Energieverbrauchsprognosen an. Wie wird das praktisch umgesetzt?
Insbesondere für Wasserversorger, die bereits viele Betriebsparameter in der Rohwassergewinnung ihres Brunnenfeldes erfassen, steht mit der datenbasierten energetischen Betriebsoptimierung ein innovatives Werkzeug zur Verfügung. Es werden lediglich zeitlich hochaufgelöste Daten zu Fördermengen und zur aktuellen Leistungsaufnahme jeder Pumpe benötigt. Von uns werden diese Daten automatisiert importiert und daraus Berichte mit energetischen Betriebsempfehlungen generiert, die dem Betreiber in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden.
An welchen weiteren Projekten zur Energieeffizienz forscht das Kompetenzzentrum Wasser Berlin gegenwärtig?
Das Thema Energieeffizienz beschäftigt uns besonders auch in der Abwassertechnik. Wir haben uns hier darauf spezialisiert, über Life-Cycle-Untersuchungen jeden Prozessschritt der Abwasserbehandlung detailliert zu analysieren und energetisch zu bewerten. Damit können Investitionsentscheidungen für Ausbau oder Umrüstung von Klärwerken unterstützt werden. Das von uns geleitete EU-Forschungskonsortium POWERSTEP hat z.B. das Ziel, im technischen Betrieb von mehreren europäischen Klärwerken zu zeigen, dass Klärwerke mit Einsatz neuer Verfahrenskombinationen Energieüberschüsse erzielen können.