Projekt 29356/01

Untersuchung der Möglichkeiten eines energieeffizienten Betriebsmanagements von Abwasserfördersystemen

Projektdurchführung

Universität Rostock Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Professur für Wasserwirtschaft
Satower Str. 48
18059 Rostock

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Rund ein Viertel des weltweiten industriellen Stromverbrauchs wird derzeit von Pumpensystemen benötigt. Insbesondere Abwasserpumpstationen werden oftmals nicht energieeffizient betrieben. Ein Grund dafür ist die ineffiziente Steuerung der Pumpen, welche meist in Abhängigkeit vom Wasserstand in der Pumpenvorlage in Zweipunktsteuerung erfolgt und mit großen Reibungsverlusten verbunden ist. Der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung der Pumpen ermöglicht hier beachtliche Energieeinsparungen. Ziel des Projektes war es verschiedene Ablaufszenarien zu analysieren und hinsichtlich ihrer Energiebilanz zu optimieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurden theoretische Untersuchungen an ausgewählten Testszenarien von Abwassernetzen elementarer Struktur durchgeführt. Es wurden Standardszenarien zugrunde gelegt und die Abläufe mit besonderer Beachtung der Energiebilanz modelliert. Insbesondere wurden mathematische Optimierungsaufgaben unter Verwendung von Zuflussprognosen formuliert, in deren Fokus die Minimierung des Energieverbrauchs stand. Die Lösung der Probleme erfolgte schließlich unter Beachtung verschiedener Nebenbedingungen. Zur Erstellung von Zuflussvorhersagen wurden zunächst Tagesganglinien über einen längeren Zeitraum erfasst und analysiert und Möglichkeiten zur Ermittlung der Prognosen entwickelt. Zur technischen Umsetzung der entwickelten Strategien und Erfassung von Messungen wurde eine ausgewählte Pumpstation geeignet nachgerüstet. Die Ergebnisse der optimalen Steuerstrategien für drehzahlgeregelte Pumpen wurden schließlich mit den Standardlösungen (Zweipunktsteuerung bzw. modellfreie Drehzahlregelung) verglichen. In einem Folgeprojekt soll eine solche Strategie in einer Pumpstation getestet werden, um so ihre Praxistauglichkeit und die Energieersparnis konkret nachzuweisen.


Ergebnisse und Diskussion

Als Referenzobjekt wurde eine Abwasserpumpstation in Prerow auf dem Darß ausgewählt. Dort sind zwei Pumpen verbaut, die in Zweipunktsteuerung betrieben werden. Da diese Pumpen nicht drehzahlbetrieben werden dürfen, wurde eine neue Pumpe der Fa. WILO SE installiert, an der Versuche durchgeführt werden können. Zudem wurden ein Frequenzumrichter, ein Sinusfilter und eine Energiemessgerät installiert. Ein Steuercomputer erfasst Messdaten und realisiert die Drehzahlregelung der Pumpe über den Frequenzumrichter. Die gewählte Pumpstation in Prerow hat den Vorteil, dass bereits Messtechnik zur Aufzeichnung des Wasserstandes in der Pumpenvorlage, des Durchflusses und des Druckes in der Druckleitung vorhanden ist. Eine Datenreihe der Zuläufe zur Pumpstation von der Länge eines Jahres konnte zur Untersuchung der Energieeinsparpotentiale herangezogen werden. Des Weiteren wurden die Daten der Pumpstation auf Besonderheiten überprüft und mit weiteren Daten, wie z. B. dem Niederschlagsgeschehen, verglichen, um Einzelereignisse aus den Zulaufganglinien herausfiltern zu können. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten zur Ermittlung von Zuflussprognosen getestet, die bei der Optimierung der Pumpenbetriebsweise hilfreich sein können. So kann eine solche Prognose über einen Zeitraum von z. B. 24 Stunden verwendet werden, um auf dieser Basis eine optimale Förderstrategie einer drehzahlregelbaren Abwasserpumpe für einen Tag zu bestimmen. Dazu wird ein Optimierungsproblem formuliert und z. B. mit den Methoden der dynamischen Optimierung gelöst. Treten in der Realität Abweichungen der tatsächlichen Zuflüsse von der Prognose auf, so wird die Strategie geeignet angepasst. Eine solche Strategie wurde bisher für einfache Szenarien (z. B. bestehend aus einer Pumpe, einer Pumpenvorlage und einer Druckrohrleitung) untersucht. Für komplexere Abwassernetze ist diese Strategie ebenfalls geeignet und kann deshalb insbesondere im urbanen Bereich zum Einsatz kommen.
Für einfache Systeme und unter gewissen Voraussetzungen kann die Steuerung auch aus wenigen Regeln abgeleitet werden. Dies begünstigt die Implementierung der Steuerstrategie in die vorhandene SPS, die in jeder Pumpstation vorhanden ist. Die entwickelten Regeln liefern insbesondere Vorgaben für die Drehzahl auf Basis des aktuellen Pegels in der Pumpenvorlage und des derzeitigen Abwasseraufkommens. Von besonderer Bedeutung ist hier der Förderstrom, der der geringsten spezifischer Energie (Leistungsaufnahme je gefördertem Kubikmeter Abwasser) entspricht. Ein solcher Förderstrom kann auf Basis der Pumpen- und Rohrdaten a priori berechnet werden und liefert eine untere Schranke für die vorzugebende Drehzahl/Frequenz. Die Energiekosten dieser regelbasierten Strategie liegen für einfache Szenarien in einigen Fällen nur geringfügig über den Kosten der optimalen Steuerung. Zudem kommt diese Strategie weitestgehend ohne eine Zuflussprognose aus. Damit ist diese Möglichkeit der Steuerung sowohl in Trenn- als auch Mischsystemen anwendbar. Insbesondere für komplexe Systeme sind diese Regeln jedoch nicht anzuwenden, da hier das Einsparpotential durch eine geschickte Abstimmung der beteiligten Pumpen verschenkt wird.
Simulationsrechnungen für die Pumpstation Prerow unter Berücksichtigung der ausgewählten Pumpe und der zur Verfügung stehenden Messdaten bei einem optimalen Einsatz einer Steuerung der Drehzahl ergab eine jährliche theoretische Energieeinsparung von ca. 26%. In Abhängigkeit von der Rohrcharak-teristik können deutlich höhere Einsparwerte erzielt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des 10. Symposiums an der Universität Rostock wurde das Projekt im Mai 2012 einem breiten Publikum vorgestellt. Dazu wurde eine Posterpräsentation durchgeführt, die auf der 13. Regionalen Nachhaltigkeitsausstellung in Rostock sowie im Rathausfoyer Rostock (04.06. - 18.06.2012), im Landes-amt für Umwelt, Naturschutz und Geologie Güstrow (18.06. - 02.07.2012), im Natur- und Umweltpark Güstrow (02.07. - 20.08.2012) und im Rathaus Graal-Müritz (20.08. - 14.09.2012) als Wanderausstellung stattfand. Zudem ist die Veröffentlichung der Ergebnisse in Fachzeitschriften vorgesehen.


Fazit

In diesem Projekt konnten für verschiedene Anwendungsfälle Möglichkeiten zur Berechnung des Energieeinsparpotentials beim Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen in der Abwassertechnik entwickelt werden. Darüber hinaus wurden Strategien entwickelt, die dieses Einsparpotential größtmöglich ausschöpfen. Mithilfe der dynamischen Optimierung konnte in einer Simulation eine Energieeinsparung von 26% prognostiziert werden.
Zur Umsetzung der entwickelten Strategien wurde das HPW Prerow mit einer drehzahlregelbaren Pumpe, einem Frequenzumrichter und einem Sinusfilter ausgestattet. In den folgenden Praxistests sollen die Strategien auch hinsichtlich der Gewährleistung der Betriebssicherheit überprüft und optimiert werden.