Energetische Optimierung des wasserwirtschaftlichen Gesamtsystems
Talsperren/Fließgewässer • Trinkwasseraufbereitung • Transport-Speicherung-Verteilung Wolf Merkel (IWW)
ERWAS-Abschlusskonferenz – Berlin (16. Mai 2017)
Energetische Optimierung des
wasserwirtschaftlichen Gesamtsystems
■ Talsperren/Fließgewässer
■ Trinkwasseraufbereitung
■ Transport‐Speicherung‐Verteilung
■ Praxisnahe Forschung in Modellregionen
■ 15 Verbundpartner
■ Koordination: IWW Zentrum Wasser
■ Laufzeit 3 Jahre
Untersuchungsbereiche
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1. Dynamischer Talsperrenbetrieb
■ Dynamisierung der Wasserentnahme aus der Bigge-TS
Insgesamt 39 Mio. m³ (30 % des Stauvolumens), Absenkung: 12 m 1,5 m³/s bis 30 m³/s
■ Umfassendes Monitoringprogramm im Staukörper
(Temperatur, Trübung, Sauerstoff)
■ Untersuchungen des ökologischen Zustandes im Unterlauf
(benthische Wirbellosenfauna, Feinsedimente, Scherkräfte)
0 10 20 30
22.6.15 0:00 23.6.15 0:00 24.6.15 0:00 25.6.15 0:00
Abfluss [m³/s]
Pegel Attendorn/Bigge Q [m³/s]
Zeitpunkt der Messungen
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Sondermessprogramm an der Biggetalsperre Hypolimnion
Metalimnion Epilimnion
Wirkungen der Dynamisierung auf den Staukörper
■ Stabile Temperaturschichtung
■ Keine Kurzschlussströmungen
■ Verstärkte Abführung hypolimnischen Wassers führt zu
Verringerung der vertikalen Ausdehnung des Hypolimnions leichter Erwärmung des Tiefenwassers (+ 2,5°C)
früherer Zirkulation und Destratifikation bereits im September
höherer Sauerstoffsättigung, geringeren Chlorophyll-a-Konzentrationen durch Nährstoffabfuhr Verschiebung der Trübungskonzentrationen im Hypolimnion hin zum Grundablass
Fazit (zur Dynamisierung der ABFLUSS-Dynamik)
• Keine negativen Auswirkungen auf die Rohwasserqualität
• Indizien für Verbesserung des Nährstoffhaushalts
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Hypolimnion Metalimnion Epilimnion
Ist-Zustand mit Nachteilen verbunden
■ Störung im Temperaturregime: Abkühlung unterhalb von Talsperren im Frühjahr und Sommer
Entwicklungsverzögerung
■ Störung im Geschieberegime: Akkumulation von Feinsedimenten unterhalb von Talsperren
Habitatverlust
■ Verarmte Wirbellosengemeinschaften unterhalb von Talsperren
Diversitätsverlust
Wirkungen der Dynamisierung auf die Ökologie im Unterlauf
Höhere Abflussdynamik wirkt sich ökologisch positiv aus (im untersuchten Rahmen eindeutig belegbar)
• Im Sommer: häufigere, jedoch nicht längere NQ-ähnliche Abflüsse
• Im Winter: häufigere, schneller ansteigende HQ-ähnliche Abflüsse, weniger häufige und deutlich kürzere NQ-ähnliche Abflüsse
• Ganzjährig: höhere tägliche Anstiegsraten
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Maximale energetische Nutzung der Wasserabgabe durch optimierten/erweiterten Turbineneinsatz
■ Steigerung der Stromerlöse durch optimierten Turbineneinsatz möglich (Wiehl-TS)
Größte Erlössteigerung bei kurzen Dynamisierungsperioden (max. 24 h):
Mehrerlös: 14,4 Tsd. €/a
Flussänderungsgeschwindigkeit
Geringer Einfluss auf Erlöskomponente
2. EN-Potenziale eines dynamischen TS-Betriebes
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EN-Potenziale eines dynamischen TS-Betriebes
DB: Deckungsbeitrag = Stromerlöse – Stromkosten
SKW: Speicherkraftwerk ; PSKW: Pumpspeicherkraftwerk
■ Steigerung der Stromerlöse durch erweiterten Turbineneinsatz möglich (Große Dhünn TS)
■ Trade-off zwischen Aufwand durch Einsatzplanung/Speicherung und Erlöspotential erforderlich
geringere Auslastung der Turbinen führt zu sinkendem spez. Deckungsbeitrag
(ohne Abbildung)
Pumpspeicherbetrieb aufgrund hoher Investitionskosten (aktuell) nicht lukrativ
ENERWA-Webtools
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3. Energiepotenziale in der Wasseraufbereitung
Dynamisierung von Aufbereitungsanlagen
■ Untersuchungen zu Durchsatzdynamisierungen auf Ultrafiltrationsanlage
Flockung
Ozonung – Tiefenfiltration – Aktivkohle
Limitierender Leitparameter: Trübung
Keine Auswirkungen auf die Trinkw-Qualität (in 6 W-Werken)
Energetisches/wirtschaftliches Einsparpotenzial gering
Standortspezifische Bewertung erforderlich
Einsparpotenziale durch Verfahrensoptimierung/Modernisierung
■ Stilllegung/Umgehung von nicht mehr benötigten Anlagenkomponenten
■ Austausch energieintensiver Bauteile
■ Vielfältige Ansatzpunkte zur energetischen Verfahrensoptimierung
Webtool: Dynamisierung
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Wasseraufbereitung: Ergebnisse zur Energieoptimierung
Empfehlungen
■ Einsparpotenzial „Wasseraufbereitung“ angepasst an Strompreiskurven – aufmerksam verfolgen
■ Einsparmöglichkeiten auf der direkten Verbrauchsebene konsequent realisieren
■ Aufbereitung kann „mit dynamisiert“ werden, wenn für Netzeinspeisung energetisch sinnvoll
Ergebnisse aus ENERWA
■ Dynamisierung der Aufbereitung ist mit allen Verfahrenskombinationen möglich - auch mit Tiefenfilterbetrieb (aber gut gesteuert und individuell zu erproben)
■ Verbesserungen für Wasserwerke mit verschiedenen Verfahrensstufen wurden erarbeitet
■ Ansatzpunkt: Vermeidung von hohen Netznutzungsentgelten („atypische Netznutzung“)
ENERWA-Webtools
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4. Energiepotenziale in der Wasserverteilung
■ Druckzonenoptimierung
Reduktion des Energiebedarfs um ca. 10 – 60 %
■ Optimierung der Betriebsweise und EN-Rückgewinnung Reduktion der Energiekosten um 20 – 25 % möglich
Reduktion der reinen Stromkosten (Spotmarkt) um max. 5 % Hauptersparnis durch die Nutzung atypischer Netzentgelte
ENERWA-Optimierungsmodelle
• Strukturoptimierung von Verteilungsnetzen
• Energie- und kostenoptimierte Betriebsweise
ENERWA-Webtools
Typisierte Verteilungsnetze
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5. Energieoptimierung im Verbund
Höhenunterschied (Meist) kein Speicher
Abgabe(TS) = Zulauf WA Wasserqualität
Reinwasser- behälter
Höhenunterschied Speicher
Durchsatz WA Entnahme WV
Wasserqualität
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Energieoptimierung im Verbund
Einzeloptimierung
Verbundoptimierung
TS optimiert WW optimiert Verteilnetz optimiert
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EN-Optimierung im Verbund
Talsperre fluktuiert innerhalb der 24-h Abgabe
Verteilungsnetz bewegt sich am eigenen Optimum Aufbereitung nutzt
Nachtstunden
Verteilungsnetz gibt Abgabemuster vor ENERWA-Ergebnisse
■ Verbund-Optimierung ist konzeptionell und funktional entwickelt
■ Umsetzung als Web-Tool: möglicher Entwicklungsschritt (als Fortsetzung)
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■ Wasserwirtschaft ist kein Spezialgebiet für Experten
■ Langfristig Auswirkungen auf Umwelt- und Lebensqualität möglich
■ Notwendigkeit von Transparenz und gesellschaftlicher Akzeptanz
Wissenschaftlich fundierter Ansatz der Bürgerbeteiligung wurde entwickelt und erfolgreich erprobt
Ergebnis: Das ENERWA-Bürgergutachten „Unser Wasser im Bergischen Land –
Talsperren im Fokus vielfältiger Interessen“
6. Gesellschaft ist Teil des wasserwirtschaftlichen Systems
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Bürgerbeteiligungsverfahren
1. Stakeholder-Meeting
Wupperverband/ Wasserbehörde/ Stadtwerke/ Naturschutz/ Forst- & Gesundheitsamt/
Sportvereine/ Tourismus/ Regionalplanung etc.
Ermittlung der Fragestellungen
2. Planungszelle (Bürgerbeteiligung)
3. Einspeisung der Ergebnisse in die politischen Arenen
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Unterschiedliche Rechtsbereiche
Hohe Komplexität und Planungsunsicherheit
■ Unterschiedliche Rechtsetzungsebenen (EU, Bund, Land, Satzungen/Verträge)
■ Vielzahl von Regelungen: nicht abgestimmt, hohe Änderungsfrequenz
Feststellung der Zulässigkeit von Maßnahmen
■ Stark einzelfallabhängig, aber in der Regel gegeben oder kann ggf. durch Änderungen von wasserrechtlichen Genehmigungen bzw. Verträgen hergestellt werden
Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen
■ Nur sehr beschränkte wirtschaftlichen Anreize aus den derzeitigen energierechtlichen Förderinstrumentarien
7. Rechtsrahmen setzt der EN-Optimierung Grenzen
Öffentliches Wasserrecht
Wasserver-
sorgungsrecht Energierecht
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8. Wissen verbreiten - Ergebnisse per Web zugänglich machen
■ Leitfaden
kompakte und allgemein verständlicher
Beschreibung der Untersuchungen und Ergebnisse in Form von Antworten auf standardisierte
Energieeffizienz-Fragen
Broschüre Wiki (www.enerwa.org)
■ Web-Dienste
Didaktisch aufbereitete Optimierungstools
Anwendungswissen interaktiv erfahren
ENERWA-Tools (www.enerwa.org)
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Web-Dienste: Ausbaupotenzial für ERWAS-Ergebnisse
■ Web-Dienste zur Energieeffizienz
Didaktisch aufbereitete Optimierungsprobleme
Einführung in Themen und Konzepte mit möglichst wenig Dateninput verständlich machen Hinweise zur eigenen Herangehensweise geben
Ausbaupotenzial: „Energie-Plattform für die Wasserwirtschaft“
■ Beratungspartner für nächste Schritte vermitteln (Wachstumspotenzial)
■ Multiplikatoreffekt z.B. durch die Verbände DVGW/DWA/ATT
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1. Dynamischer Talsperrenbetrieb: ökologisch verträglich bei guter Rohwasserqualität 2. Wirtschaftlichkeit verbessern: Energiebedarf UND Kosten senken
3. Wasseraufbereitung: EN-Effizienz steigern bei hoher Qualität
4. Wassernetze: bessere Netzstruktur und optimierter Betrieb senken EN-Bedarf 5. EN-Optimierung im Verbund ist realisierbar
6. Gesellschaft ist Teil des wasserwirtschaftlichen Gesamtsystems 7. Rechtsrahmen setzt der EN-Optimierung Grenzen
8. Neue Wege der Verbreitung von Forschungsergebnissen per Web
ENERWA im Überblick
Der ENERWA-Projektverbund
■ Koordination ENERWA
IWW - Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung gGmbH
Dr.-Ing. Wolf Merkel Dipl.-Ing. Anja Rohn Gesamtkoordination
Moritzstr. 26 · 45476 Mülheim an der Ruhr +49-208/40303-384
w.merkel@iww-online.de a.rohn@iww-online.de
