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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:71748 |
| Date | 27 August 2020 |
| Creators | Voltz, Thomas John |
| Contributors | Liedl, Rudolf, Grischek, Thomas, Tränckner, Jens, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1016/j.wen.2017.12.001, 10.5942/jawwa.2017.109.0123, 10.3390/w11071403, 10.1080/09715010.2018.1492977, info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Bildung und Forschung/IngenieurNachwuchs2013/03FH018I3//Energieeffizienz in der Wasserversorgung/ENWAS |
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