Energy efficiency has developed into an important objective for industrial enterprises. However, there is still a need for systematic approaches to reduce energy consumption in factories. Existing methods focus on the optimization of manufacturing processes and lack upon considering the entire factory system. Additionally, they are based on a detailed quantitative analysis of processes and thus, they need a high effort during the phase of data acquisition. Therefore, an approach for reducing energy consumption by providing energy efficiency measures to factory planning participants was developed in order to overcome these barriers. The general approach is described in this paper and supported with a use case that demonstrates the required information and possible outcomes in terms of energy efficiency information. Main advantages of this approach are reducing the effort to acquire energy data and the possibility to consider the factory system holistically.

Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.

Diese Dissertation widmet sich der Erarbeitung verschiedener Managementstrategien für ein leistungsflussoptimierendes Energiemanagement von dezentralen Energieversorgungssystemen in zukünftigen Niederspannungsnetzstrukturen. Als dezentrales Energieversorgungssystem ist dabei eine beliebige Kombination von Erzeuger-, Verbraucher- und Speichereinheiten zu sehen. Die Optimierung des Leistungsflusses auf Niederspannungsebene wird durch zwei Managementansätze untersucht. In einem verlustoptimierten Managementansatz stehen die bekannten Leitverluste, verursacht durch die wirksamen Leitungsresistanzen, im Fokus der Betrachtung. Durch einen zweiten Ansatz, dem clusterbasierten Managementansatz, wird nochmals eine Fokussierung auf die wirksamen Leitungsresistanzen durch eine Cluster-Bildung von Hausanschlüsen erreicht, welche nur durch geringe wirksame Leitungsresistanzen voneinander getrennt sind. Anhand realitätsnaher Netzabbildungen sowie unterschiedlicher Erzeuger- und Verbrauchersituationen wird der Einfluss eines solchen Energiemanagements auf die Integration dezentraler Erzeuger und der Leitverluste gezeigt sowie die Möglichkeit einer netzoptimierten Betriebsweise untersucht. / This thesis includes two different options to manage the situation of consumption and supply in a low-voltage grid. On the one hand the energy management is based on the optimization of the losses in the low-voltage grid caused by the resistance of the branchs. On the other hand the resistance between consumption and supply is the optimized parameter. This is implemented with a clustering of the whole low-voltage grid in groups of households. Based on realistic models of low-voltage grids and different situations of consumption and supply the two management strategies are tested. These tests shows the influence on the losses, the integration of distributed suppliers and the controlled power flow to the medium-voltage grid.

Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2009 u.d.T.: Lehnhoff, Sebastian: Dezentrale vernetzte Energiebewirtschaftung auf Basis eines verteilten adaptiven Realzeit-Multiagentensystems (DEZENT)

Diese Dissertation widmet sich der Erarbeitung verschiedener Managementstrategien für ein leistungsflussoptimierendes Energiemanagement von dezentralen Energieversorgungssystemen in zukünftigen Niederspannungsnetzstrukturen. Als dezentrales Energieversorgungssystem ist dabei eine beliebige Kombination von Erzeuger-, Verbraucher- und Speichereinheiten zu sehen. Die Optimierung des Leistungsflusses auf Niederspannungsebene wird durch zwei Managementansätze untersucht. In einem verlustoptimierten Managementansatz stehen die bekannten Leitverluste, verursacht durch die wirksamen Leitungsresistanzen, im Fokus der Betrachtung. Durch einen zweiten Ansatz, dem clusterbasierten Managementansatz, wird nochmals eine Fokussierung auf die wirksamen Leitungsresistanzen durch eine Cluster-Bildung von Hausanschlüsen erreicht, welche nur durch geringe wirksame Leitungsresistanzen voneinander getrennt sind. Anhand realitätsnaher Netzabbildungen sowie unterschiedlicher Erzeuger- und Verbrauchersituationen wird der Einfluss eines solchen Energiemanagements auf die Integration dezentraler Erzeuger und der Leitverluste gezeigt sowie die Möglichkeit einer netzoptimierten Betriebsweise untersucht. / This thesis includes two different options to manage the situation of consumption and supply in a low-voltage grid. On the one hand the energy management is based on the optimization of the losses in the low-voltage grid caused by the resistance of the branchs. On the other hand the resistance between consumption and supply is the optimized parameter. This is implemented with a clustering of the whole low-voltage grid in groups of households. Based on realistic models of low-voltage grids and different situations of consumption and supply the two management strategies are tested. These tests shows the influence on the losses, the integration of distributed suppliers and the controlled power flow to the medium-voltage grid.

Das Antriebskonzept von modernen Umformmaschinen basiert zunehmend auf Verdrängersteuerung anstatt der klassisch eingesetzten Drosselsteuerung. Bei diesem Ansatz werden die Achsen über fluid-mechatronische Direktantriebe unmittelbar in Geschwindigkeit, Position und Kraft verfahren. Durch das prinzipbedingte Vermeiden von Drosselverlusten lassen sich hier erhebliche energetische Einsparungen verzeichnen. Des Weiteren ist es durch den Einsatz von vierquadrantfähigen Motor-Pumpeneinheiten möglich, Brems- und Dekompressionsenergie im Prozess zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Energie zwischengespeichert oder in das Netz zurückgespeist werden kann. Ein Nachteil, der sich bei diesem Technologiewechsel zu elektrohydrostatischen Antrieben ergeben kann, ist, dass die Anschlussleistung der Antriebe und somit der gesamten Maschine stark ansteigt. Dies ist besonders der Fall, wenn zuvor ein Hydraulikaggregat in Kombination mit Hydrospeichern verwendet wurde. Durch den Einsatz der Speicher wird hier hydraulische Lastspitzenkappung betrieben und die Leistungsspitzen vom Netz werden stark reduziert. Bei den elektrohydrostatischen Antriebsachsen wird hier -- ohne zusätzliche Maßnahmen -- die gesamte Spitzenleistung direkt vom Netz bezogen. Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, wie bei Umformmaschinen mit Verdrängersteuerung -- durch den Einsatz des richtigen Leistungs- und Energieversorgungssystems -- die Anschlussleistung ebenfalls verringert werden kann. Hierzu wird recherchiert, welche Ansätze nach heutigem Stand der Technik bereits zur Verfügung stehen und in welchen anderen Bereichen Leistungsversorgung, Energiespeicherung und Lastspitzenvermeidung untersucht und angewendet werden. Mit Hilfe von Modellen des Prozesses, des elektrohydrostatischen Antriebsstrangs und ausgewählten Komponenten des Leistungs- und Energieversorgungsystems soll eine Simulationsumgebung geschaffen werden, die es ermöglicht, verschiedene Applikationen zu simulieren und zu analysieren. Ziel ist es, herauszufinden, bei welchen Anwendungen welche Einspeisungs- und Speichertypen eingesetzt werden können, um ein Minimierung der Anschlussleistung zu erreichen und mit welchen Mehraufwänden bei den Speichern, aber auch mit welchen Ersparnissen an der Elektroperipherie, zu rechnen ist. \\ Anschließend wird eine Methodik erarbeitet, die mit Hilfe des gemessenen oder simulierten Leistungsflusses eine Empfehlung für ein sinnvolles Leistungs- und Energieversorgungssystem ausgibt. Da diese Betrachtung aus eher zentral-europäischer Sicht erfolgt, wird außerdem ein punktebasiertes Ranking erarbeitet, welches Leistungs- und Energieversorgungsysteme für Umformmaschinen vergleichend für variierende Anforderungen quantifiziert.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Stand der Technik und Grundlagen 8 2.1 Grundlagen der Fertigungstechnik und Prozesssimulation . . . . . . . . . . 11 2.2 Energiemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Hydraulische Umformmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 EHA Anwendungen und Ausprägungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5 LEV-Systeme bei EHAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6 LEV-Systeme bei Maschinen mit elektromechanischen Antrieben . . . . . . 24 2.7 LEV-Systeme auf Fabrikebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.8 LEV-Systeme bei weiteren stationären und bei mobilen Anwendungen . . . 26 2.9 Zwischenfazit und Klassifizierung von LEV-Systemen . . . . . . . . . . . . 30 2.10 Einordnung & Grundlagen Einspeisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.10.1 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.11 Einordnung & Grundlagen Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.11.1 Motorauswahl für kinetische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . 48 3 Zielstellung 52 4 Anforderung des LEV-Systems für EHAM 54 4.1 Analyse von Hydrospeichern für LEV-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2 Finale Auswahl der LEV-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5 Modellierung der Maschine und der EHA Komponenten 67 5.1 Prozess, Zylinder und Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 Verdrängereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.4 Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6 Modellierung der LEV-Komponenten 79 6.1 Nicht aktiver Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2 Aktiver Netzstromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 Gleichrichter mit DC-DC Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4 Generisches Einspeisemodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.5 Kondensatorspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.5.1 Elektrolytkondensatoren und Doppelschichtkondensatoren . . . . . 85 6.5.2 Kondensatormodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5.3 Verluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5.4 Regelung eines aktiven Kondensatorspeichers . . . . . . . . . . . . . 90 6.6 Kinetischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6.1 Aufbau und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.6.2 Einfluss der Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.6.3 Verlustmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.6.4 Ansätze der Leistungsfluss-Regelung/Steuerung . . . . . . . . . . . 101 7 Simulation von LEV-Systemen mit EHA basierten Maschinen 105 7.1 Charakteristische Kenngrößen des Leistungsflusses . . . . . . . . . . . . . . 105 7.2 Simulationsbeispiel 1: 1000 kN Ringwalzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.3 Simulationsbeispiel 2: 16000 kN Warmumformpresse . . . . . . . . . . . . . 114 7.4 Simulationsbeispiel 3: Gaskompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.5 Automatisierte Komponentenauslegung und Kostenschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.6 Kostenbetrachtung der Simulationsbeispiele 1 bis 3 . . . . . . . . . . . . . 148 7.7 Weitere Simulationsstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8 Regelbasierte Empfehlungsmethodik für LEV-Systeme 157 8.1 Diskussion des Ergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9 Punktebasiertes Ranking von LEV-Systemen unter variierenden Anforderungen 162 9.1 Bewertungskriterien für LEV-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.1.1 Anschlussleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.1.2 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.1.3 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.1.4 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.2 Gesamtbewertung und Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.3 Bewertungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 10 Zusammenfassung und Ausblick 172 10.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 10.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Ein optimales Ausnutzen der von dezentralen Erzeugern innerhalb der bestehenden Energie- versorgungsstruktur bereitgestellten Energie fordert besonders bei der Einbindung regenerativer Quellen eine hohe Korrelation zwischen Angebot und Nachfrage. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels Energiemanagementverfahren ein enger Zusammenhang zwischen dem Energieangebot aus fluktuierenden Quellen und der Energienachfrage hergestellt werden kann. Dabei wird ein entsprechender Optimierungsalgorithmus aufgestellt, der die für einen möglichst umfassenden Eigenverbrauch der erzeugten Energie notwendigen Anpassungsschritte ermittelt. Bei der Analyse von Energieangebot und -nachfrage wird, ausgehend von einer allgemeinen Darstellung, eine auf die Bedürfnisse eines Energiemanagements angepasste spezielle Beschreibung der Energiesituation erarbeitet. Die Anpassung von Energieangebot und -nachfrage erfolgt über die Auswahl spezifischer Verbrauchergruppen und die Ausnutzung der aus den systeminternen Zeitkonstanten resultierenden möglichen Unterbrechungsdauern. Die Vorgehensweise wird an Hand des Elektroenergiebezugs ausgesuchter klimatechnischer Anlagen in Verbindung mit einer regenerati- ven Energieerzeugung auf Basis der Photovoltaik dargestellt.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Die öffentliche Trinkwasserversorgung in Deutschland verbraucht jährlich ca. 2,4 TWh elektrische Energie, ca. 0,5% des Bundesverbrauchs. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) gehören jedoch zu den größten Energienutzern in vielen Gemeinden. Dabei ist von einer möglichen, dauerhaften Energieeffizienzsteigerung um 10 bis 20% auszugehen. Für den Erfolg der Energiewende soll dieses Potential ausgeschöpft werden, auch bei kleinen und mittleren WVU. Dazu sind bewährte sowie neu entwickelte Ansätze gefragt, wovon eine Auswahl im Rahmen der vorliegenden Dissertation erprobt und dargestellt wird. Die Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 beim WVU ZWA Hainichen wurde wissenschaftlich begleitet. Gegenstand war die Optimierung der Daten-gewinnung und -dokumentation und deren Nutzung in Fallbeispielen (z. B. Verringerung von Strombezugsspitzen, Steigerung der Energieeffizienz von Druckerhöhungsanlagen, Einspa-rung von Heizenergie), ergänzt durch Sonderuntersuchungen ausgewählter Anlagen. Durch diese und eigene Maßnahmen des WVU wurde eine langfristige Steigerung der Energie-effizienz um 13,8% im Trinkwasserbereich erreicht. Im indischen Bundesstaat Uttarakhand wurde die Energieeffizienz von 43 Hochleistungs-pumpen untersucht. Diese lag zwischen 27 und 57%, mit einem Mittelwert von 50%. Die Pumpstation Jinsi II wurde auf der Grundlage einer Datenanalyse und betriebstechnischer Aspekte als Demonstrationsstandort zur Energieeffizienzsteigerung durch den Austausch von 2 Pumpen gewählt. Die komplexe Auswertung der aufgenommenen Kennlinien, der Ursachen des Verschleißes und betriebstechnischen Randbedingungen führte zur Auswahl eines robusten, hocheffizienten Pumpenmodells der Firma Kirloskar mit erosionsbeständigen Laufrädern. Die Einsparung betrug 195.000 kWh/a (7,8%) bzw. 14,7 T€/a mit einer Amortisa-tionszeit von ca. 5,2 a. Es wurden 4 grundsätzliche Maßnahmen zur langfristigen Verbesserung erkannt und priorisiert. Für den energieeffizienteren Betrieb von Brunnengalerien mit Überkapazitäten wurde eine innovative Methodik entwickelt und als Software-Baustein implementiert. Diese basiert auf einer historisch-statistischen Auswertung von verfügbaren Prozessleitdaten. Die Energie-einsparung beruht auf der Nutzung energetischer Vorteile ausgewählter Brunnenkombi-nationen. Die beispielhafte Validierung erfolgte an Standorten der Fernwasserversorgung Sdier und des TAZV Eisenhüttenstadt. Das ermittelte Einsparpotential liegt bei 7,8% bzw. 10,5% (8 T€/a bzw. 12 T€/a). Die Analyse des DVGW-Leitfadens W 613 zur Energie(rück)gewinnung durch Trinkwasser-kraft ergab offene Fragen zur Ermittlung der optimalen Turbinenparameter für Standorte mit Fallleitungen und stromab angeordneten Behältern. Deshalb wurde eine Methodik zur Optimierung der Mikroturbinenparameter Durchfluss und Fallhöhe entwickelt und mit einer Wirtschaftlichkeits¬betrachtung gekoppelt. Der entwickelte Software-Baustein wurde an 9 Standorten bei 3 sächsischen WVU mit Überkapazitäten in den Zulauffallleitungen zu Trinkwasserbehältern getestet und verifiziert. Die prognostizierte Energieerzeugung reichte von 9.000 bis 180.000 kWh/a mit einem arithmetischen Mittelwert von 48.500 kWh/a. Gleichzeitig wurde diese Methode mit 3 alternativen Methoden aus den Regelwerken verglichen. Diese anderen Methoden ergaben im Durchschnitt zwischen 70% und 91% der Ergebnisse durch die neu entwickelte Methode. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der potentiellen 9 Standorte ergab, dass an 4 Standorten eine Nachrüstung mit einer Mikroturbine zu empfehlen ist, bei geschätzten Amortisationzeiten zwischen 1,7 a und 6,9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165 / The public water supply in Germany annually uses about 2.4 TWh of electrical energy, approximately 0.5% of the total national energy use. Water supply utilities are nevertheless often among the largest energy users within municipalities. The possible long-term improvement in energy efficiency is estimated to be 10 to 20%. To aid the successful navigation of the transition to sustainable energy use, this potential should be fully exploited, including at small and medium-sized water utilites. This requires both proven and newly developed approaches, a selection of which are tested and presented in this dissertation. The implementation of an energy management system according to ISO 50001 was scientifically supported at the water utility ZWA Hainichen. The primary activity was the optimization of data acquisition and documentation and its use in case studies (e.g. reduction of electricity demand spikes, improving the efficiency of booster stations, reducing energy use for space heating), complemented by targeted investigations of selected facilities. Through these and other measures, ZWA Hainichen was able to achieve a 13.8% long-term increase in the energy efficiency of their drinking water division. In the Indian state of Uttarakhand, the energy efficiency of 43 high-head pumps was investigated. The results ranged from 27 to 57% with a mean value of 50%. The pump station Jinsi II was chosen as a demonstration site for energy efficiency improvement based on the analysis of field data and operational aspects. The complex evaluation of the measured characteristic curves, the causes of mechanical wear and operational factors led to the selection of a robust, high-efficiency pump model from the company Kirloskar with abrasion-resistant impellers. The savings achieved was 195,000 kWh/a (7.8%) or 14,700 €/a with a payback period of 5.2 a. Four fundamental measures were recognized and prioritized for achieving long-term improvement. For the energy-efficient operation of well galeries with surplus capacity, an innovative method was developed and implemented as a software module. This method is based on a historical and statistical evaluation of readily available process control data. The energy savings is achieved through the preferential operation of more energy-efficient well combinations. Validation was performed for sites of the long-range water supplier FW Sdier and the regional water utility TAZV Eisenhüttenstadt. The estimated energy savings is 7.8% and 10.5% (8 and 12 T€/a). Analysis of the DVGW technical guidelines W 613 on energy recovery through drinking water hydropower revealed open questions regarding the determination of the optimal turbine parameters for sites with gravity pipelines and downstream storage tanks. In response, a method was developed for the optimization of the microturbine parameters flow rate and pressure drop, coupled with an economic assessment. The software module developed was tested and verified using 9 sites at 3 water utilities in the state of Saxony with surplus capacity in their inflow gravity pipelines. The projected energy generation ranged from 9,000 to 180,000 kWh/a, with an arithmetic mean of 48,500 kWh/a. This method was also compared to 3 alternative methods from technical guidelines. These other methods yielded on average 70 to 91% of the energy generation estimated using the newly developed method. Economic assessment of the potential 9 sites showed that 4 sites are suitable for retrofitting with a microturbine, with estimated payback periods between 1.7 and 6.9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165