Energieeffizienzanalyse der Trinkwasserversorgungsanlagen der Gemeinde Lautertal

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1 GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh, Fulda Ein Unternehmen der RhönEnergie-Gruppe Energieeffizienzanalyse der Trinkwasserversorgungsanlagen der Gemeinde Lautertal Auftraggeber: Gemeinde Lautertal Rathausstraße Lautertal (Vogelsberg) Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Sebastian Tews PD Dr.-Ing. Jürgen Wiese März 2015 Abschlussbericht.Docx Bearbeiter:

2 GKU mbh Allgemeine Angaben Allgemeine Angaben Berichtverfasser: Dipl.-Ing Sebastian Tews Anlage: Betreiber: Trinkwasserversorgungsanlage Lautertal Gemeinde Lautertal Rathausstr Lautertal Kontaktdaten: Bürgermeister: Herr Stock Tel.: 06643/ Wassermeister: Herr Wolf Tel.: 0170/ TW-Anlagennachbarschaft: Vogelsbergkreis Abschlussbericht.Docx Jurenz

3 GKU mbh Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 5 1 Zusammenfassung 6 2 Einleitung Energieeffizienz und -management Energie in der Trinkwasserversorgung und mögliche Einsparpotenziale Durchführung von Energieanalysen Aufgabenstellung 11 3 Beschreibung des IST-Zustandes 12 A: Geländehöhe B: Wasserspiegel Begehung der Wasserversorgungseinrichtungen Gruppenwasserwerk Oberwald Nord (TB Eichenrod) Hochbehälter Oberwald Nord (HB Hörgenau) Quelle Eichelhain Gemeinschaftswasserversorgung Oberwald Nord (HB Eichelhain) Quelle Engelrod Tiefbrunnen Engelrod Hochbehälter Engelrod Hochbehälter Engelrod Tiefbrunnen Dirlammen Hochbehälter Dirlammen Wasserversorgung Meiches Hochbehälter Meiches Fördermengen/Wasserverluste 20 4 Energie- und CO 2 -Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung Einleitung Tiefbrunnen Eichenrod 27

4 GKU mbh Inhaltsverzeichnis 4.3 Hochbehälter Hörgenau Engelrod Dirlammen Meiches Zusammenfassung der Bilanz 36 5 Potentialanalyse, Maßnahmenkatalog und Kosten/Nutzen- Analyse Einführung Reduktion der Wasserverluste Pumpenoptimierung Einsatz von PV zur Eigenstromversorgung Nutzung der Quelle Engelrod Zusammenfassung der Maßnahmen 50 6 Akteursbeteiligung und Konzept für die Öffentlichkeitsarbeit 51 7 Controlling-Konzept 51 8 Literaturverzeichnis 53

5 GKU mbh Abbildungsverzeichnis 4 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 3-1: VERSORGUNGSNETZ DER GEMEINDE LAUTERTAL 13 ABBILDUNG 3-2: GRUPPENWASSERWERK OBERWALD NORD 15 ABBILDUNG 3-3: HOCHBEHÄLTER OBERWALD NORD 16 ABBILDUNG 3-4: SCHÜRFQUELLE EICHELHAIN 17 ABBILDUNG 3-5: GEMEINSCHAFTSWASSERVERSORGUNG OBERWALD NORD 17 ABBILDUNG 3-6: TIEFBRUNNEN ENGELROD 18 ABBILDUNG 3-7: HOCHBEHÄLTER ENGELROD 2 18 ABBILDUNG 3-8: HOCHBEHÄLTER ENGELROD 1 18 ABBILDUNG 3-9: WASSERWERK DIRLAMMEN 19 ABBILDUNG 3-10: HOCHBEHÄLTER DIRLAMMEN 19 ABBILDUNG 3-11: WASSERVERSORGUNG MEICHES 20 ABBILDUNG 3-12: HOCHBEHÄLTER MEICHES 20 ABBILDUNG 3-13: WASSERMENGEN TEILGEBIET OBERWALD NORD ABBILDUNG 3-14: WASSERMENGEN ENGELROD 23 ABBILDUNG 3-15: WASSERMENGEN DIRLAMMEN 24 ABBILDUNG 3-16: WASSERMENGEN MEICHES 25 ABBILDUNG 4-1: TIEFBRUNNENPUMPE EICHENROD 28 ABBILDUNG 4-2: TIEFBRUNNENPUMPE ENGELROD 31 ABBILDUNG 4-3: ZUSAMMENHANG ZWISCHEN DEN FÖRDERMENGEN UND DEM ENERGIEBEDARF DER JAHRE IM VERSORGUNGSGEBIET ENGELROD 32 ABBILDUNG 4-4: LEISTUNGSAUFNAHME DER TIEFBRUNNENPUMPE IN DIRLAMMEN 34 ABBILDUNG 4-5: LEISTUNGSAUFNAHME DER TIEFBRUNNENPUMPE IN MEICHES 35 ABBILDUNG 4-6: PROZENTUALE VERTEILUNG DER EL. ENERGIEAUFNAHME DER GESAMTEN WASSERVERSORGUNG DER GEMEINDE LAUTERTAL 37 ABBILDUNG 4-7: GESTAPELTER EL. ENERGIEBEDARF DER AUFGENOMMENEN VERBRAUCHSSTELLEN NACH VERBRAUCHERN AUFGETEILT 38 ABBILDUNG 5-1: SPEZIFISCHER ENERGIEVERBRAUCH NACH PLATH (2011) 39 ABBILDUNG 5-2: SPEZ. EL. ENERGIEAUFNAHME DER UNTERSUCHTEN PUMPEN 43 ABBILDUNG 5-3: TIEFBRUNNEN UND HOCHBEHÄLTER 2 IN ENGELROD 45 ABBILDUNG 5-4: TIEFBRUNNEN DIRLAMMEN 46 ABBILDUNG 5-5: OPTIMIERUNGSMAßNAHMEN AN DEN ANLAGEN DER TWV 48 ABBILDUNG 5-6: WÄRMEBILDER 1 TIEFBRUNNEN DIRLAMMEN 48 ABBILDUNG 5-7: WÄRMEBILDER 2 TIEFBRUNNEN DIRLAMMEN 49 ABBILDUNG 5-8: ZUSAMMENFASSUNG DER MAßNAHMEN 50

6 GKU mbh Tabellenverzeichnis 5 Tabellenverzeichnis TABELLE 3-1: TECHNISCHE DATEN 14 TABELLE 3-2: WASSERVERLUSTE AUS ANGABEN DER GEMEINDE 21 TABELLE 4-1: ENERGIE- UND CO 2 -BILANZ TIEFBRUNNEN EICHENROD 27 TABELLE 4-2: ENERGIE UND CO 2 -BILANZ HB HÖRGENAU 29 TABELLE 4-3: ENERGIE- UND CO 2 -BILANZ ENGELROD 30 TABELLE 4-4: VERGLEICH DES SPEZIFISCHEN VERBRAUCHS DER JAHRE TABELLE 4-5: ENERGIE- UND CO 2 -BILANZ DIRLAMMEN 33 TABELLE 4-6: ENERGIE- UND CO 2 - BILANZ MEICHES 35 TABELLE 4-7: BILANZ DER GESAMTEN WASSERVERSORGUNG DER GEMEINDE LAUTERTAL 36 TABELLE 5-1: SPEZIFISCHE VERBRÄUCHE DER TIEFBRUNNENANLAGEN 39 TABELLE 5-2: VERWENDETER ZINSSATZ UND NUTZUNGSDAUER DIVERSER BAUTEILE 40 TABELLE 5-3: ENERGIEEINSPARUNG DURCH REDUKTION DER WASSERVERLUSTE 41 TABELLE 5-4: ENERGIE- UND CO 2 -EINSPARUNG BEI OPTIMIERUNG DER FÖRDERPUMPEN 42 TABELLE 5-5: ZUSAMMENFASSUNG DER WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG44 TABELLE 5-6: BERECHNUNGSGRUNDLAGEN PV 46 TABELLE 5-7: BERECHNUNG DES KOSTEN/NUTZEN-VERHÄLTNISSES DER PV- ANLAGEN 46

7 GKU mbh Zusammenfassung 6 1 Zusammenfassung Neben der Abwasserreinigung ist die Trinkwasserversorgung eines der Hauptenergieverbraucher kommunaler Einrichtungen. Elektrische Energie ist in allen Bereichen der Wasserversorgung erforderlich. Angefangen von der Wassergewinnung, Wasseraufbereitung und Wasserspeicherung bis hin zur Wasserverteilung sind teilweise erhebliche elektrische Energiemengen erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden die Wasserversorgungseinrichtungen der Gemeinde Lautertal intensiv begangen und Strommessungen im laufenden Betrieb durchgeführt. Die Strommessungen sind insofern essentiell, da erst über die tatsächliche Ermittlung des el. Energiebedarfs einzelner Aggregate auf die Betriebssituation geschlossen werden kann. Die Strommessung ergab einen elektrischen Energiebedarf von insgesamt kwh/a bzw /a bzw kgco 2 /a. Ein wesentlicher el. Energiebedarf entfällt dabei auf den Betrieb der Tiefbrunnenpumpen. Etwa 65 % bzw kwh/a entfallen auf diese Verbraucher. Im Bereich der Wasserverteilung ist nur eine Druckerhöhungspumpe in Betrieb. Mit etwa 3 % bzw kwh/a nimmt dieses Aggregat nur einen sehr geringen Anteil am el. Gesamtenergiebedarf ein. In Zukunft soll auf diese Pumpe komplett verzichtet werden. Die Heizungen haben mit kwh/a und einem Anteil von etwa 18,5 % den zweitgrößten Energiebedarf. Anhand der ermittelten Stromverbräuche und der durch die Gemeinde zur Verfügung gestellten Betriebsdaten konnten im Anschluss spezifische Kenndaten zum el. Energiebedarf ermittelt werden. Literaturquellen geben einen spez. el. Energiebedarf von 0,28 kwh/m³ ohne Reinwasserförderung und 0,49 kwh/m³ inklusive der Reinwasserförderung im Median an. Werden die Daten der Gemeinde Lautertal herangezogen, kann für das Versorgungsgebiet Oberwald Nord ein spezifischer el. Energiebedarf (in Klammern: spez. el. Energiebedarf ohne Heizung und Entfeuchtung) von 0,12 kwh/m³ (0,02), für Engelrod 0,95 kwh/m³ (0,76), Dirlammen 0,89 kwh/m³ (0,55) und Meiches 0,87 kwh/m³ (0,63) ermittelt werden, welche im Vergleich zum Literaturwert sichtlich über dem Median liegen. Es konnte also zu Beginn der Studie von einem Einsparpotenzial ausgegangen werden. Die weitere energetische Untersuchung einzelner Anlagenteile und Aggregate führte zu Einsparpotenzialen im Bereich der Pumpentechnik. Würden alle ineffektiven Pumpen gegen neue effektive Pumpen ausgetauscht werden, könnte eine el. Energieeinsparung von etwa kwh/a bzw. eine Reduktion des CO 2 -Ausstoßes um kg/a erfolgen. Dies setzt jedoch die genauen Kenntnisse der Druckverhältnisse voraus, weshalb im Tiefbrunnen Dirlammen ein Manometer nachgerüstet werden müsste. Erst mit exakten Betriebsbedingungen können die Pumpen energetisch optimiert betrieben werden. Die Untersuchung des Einsatzes von Photovoltaik zur Eigenstromversorgung wurde im Rahmen der Studie ebenfalls durchgeführt. Ziel dabei ist es, eine hohe Eigennutzung der el. Energie zu generieren, um dadurch die Strombezugskosten zu reduzieren. Bei einer erforderlichen Investition von etwa könnten dadurch etwa /a und etwa kgco 2 /a eingespart werden. Vereinzelt müssen jedoch Modifikationen in der Steuerung ausgeführt werden, um die PV-Energie während des Tages auszunutzen.

8 GKU mbh Zusammenfassung 7 Die Verringerung der Wasserverluste im Netz führt zu einer direkten el. Energieeinsparung, da Wasser, welches gepumpt und aufbereitet werden muss und im Anschluss im Untergrund versickert, erneut aufwändig transportiert werden muss. In den Versorgungsgebieten der Gemeinde Lautertal ist ein geringer Wasserverlust zu verzeichnen, weshalb hier auch nur von einem geringen Einsparpotenzial ausgegangen werden kann. Nach Durchführung der Studie zeigt sich, dass für die Nutzung der identifizierten Einsparpotenziale rund auf den betrachteten Anlagen investiert werden müssen. Bei den erwarteten jährlichen Einsparungen ist damit zu rechnen, dass sich dieser Schritt nach etwa 8 Jahren amortisiert haben wird. Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen schrittweise erfolgen muss. Es sind die Randbedingungen der einzelnen Anlagen zu beachten, damit der sichere Betrieb zu keiner Zeit beeinträchtigt wird. Ferner sei erwähnt, dass die energetische wie verfahrenstechnische Optimierung kein zügig durchführbares Einzelprojekt ist. Vielmehr handelt es sich um einen kontinuierlichen und fortwährenden betriebsbegleitenden Prozess. Die GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh bedankt sich für den Auftrag. An dieser Stelle sei zudem die hervorragende Zusammenarbeit mit dem technischen Betriebspersonal der Gemeinde Lautertal erwähnt. Die schnelle und unkomplizierte Datenübermittlung hat in erheblichem Maße zu einem guten Gelingen der Studie beigetragen. Datum Name Dipl.-Ing. Sebastian Tews PD Dr.-Ing. Jürgen Wiese

9 GKU mbh Einleitung 8 2 Einleitung 2.1 Energieeffizienz und -management Wasser und Energie gehören zu den Grundpfeilern des heutigen Daseins. Für das Bestehen moderner Gesellschaften ist eine funktionierende Wasser- und Energieversorgung unabdingbar, wobei beide Themenfelder sehr eng miteinander verknüpft sind. Wasser ist eine wichtige Voraussetzung für die Produktion von Energie (Wasserkraftanlagen, Prozess- und Kühlwasser im Kraftwerksbetrieb, Produktion von Biokraftstoffen in der Landwirtschaft). Andererseits wird für die Gewinnung und Verteilung des Frischwassers sowie für die Abwasserableitung und -behandlung eine erhebliche Menge Energie verbraucht. Der Gesamtbedarf in der öffentlichen Wasserversorgung lag im Jahr 2007 bei ca Mio. kwh (Plath und Wichmann, 2009), was bezogen auf den gesamten Energiebedarf Deutschlands etwa 0,15 % ausmacht (Mikus, 1995). Im Mittel werden so rund 0,51 kwh/m³ benötigt (Plath und Wichmann, 2009). Die Energiebereitstellung findet vornehmlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe statt. Im Zuge der Verknappung dieser Ressourcen und deren fortwährend steigendem Verbrauch ist auch in Zukunft von steigenden Bezugskosten der fossilen Brennstoffe und einer damit einhergehenden Energiekostenerhöhung auszugehen. Ferner haben auch der Reaktorunfall von Fukushima und die daraufhin beschlossene Energiewende einen Einfluss auf die Entwicklungen. Welche Folgen sich daraus im Detail ergeben, kann heute jedoch noch nicht vollständig abgeschätzt werden. Sicher ist nur, dass mittelfristig erhebliche Summen investiert werden müssen, um den Schluss der Energielücke durch den Bau regenerativer Energien voranzutreiben. Auch hierdurch wird sich der Energiebezug in den kommenden Jahren weiter verteuern. Eine Möglichkeit auf die sich ändernden Rahmenbedingungen in der Energieversorgung und den Kostendruck zu reagieren, ist die Einführung von Energiemanagementsystemen zur Steigerung der Energieeffizienz. Im Wesentlichen kann die Energieeffizienz sowohl in der Energieerzeugung, als auch auf der Energienachfrageseite verbessert werden. In der Energieerzeugung kann dabei das Verhältnis von erzeugter Nutzenergie zu den eingesetzten Energierohstoffen verbessert werden. Dazu werden die Wirkungsgrade der Kraftwerke oder eines Heizungssystems verbessert. Die Verbesserung der Endenergienachfrageseite kann erfolgen, indem für ein bestimmtes Maß an Energie eine erhöhte Befriedigung energierelevanter Bedürfnisse erfolgt oder für die Befriedigung der Bedürfnisse weniger Energie benötigt wird (Pehnt, 2010). Am Beispiel der Trinkwasserversorgung von Kommunen wäre bei gleichbleibendem Energieeinsatz eine höhere Trinkwasserförderung und -aufbereitung zu erzielen oder umgekehrt bei gleichbleibender Förderung und Aufbereitung ein geringerer Energieeinsatz von Nöten, um die Energieeffizienz der Wasserversorgungseinheit zu steigern. Die Steigerung der Energieeffizienz hat nach Pehnt (2010) eine gesellschaftliche Notwendigkeit. Deutschland und die europäische Union unterliegen bei allen fossilen Energieträgern einer hohen Importabhängigkeit. Uranerze werden zu 100 %, Naturgase zu über 80 %, Mineralöl zu 96 % und Steinkohle zu über 60 % aus dem Ausland importiert. Weiterhin wird die Importabhängigkeit durch die knapper werdenden

10 GKU mbh Einleitung 9 innerdeutschen Ressourcen steigen. Eine Steigerung der Energieeffizienz kann diese Importabhängigkeit verringern. In Unternehmen kann durch die Energieeffizienzsteigerung die Wettbewerbsfähigkeit in zweifacher Hinsicht steigen. Zum einen können die Kosten für den Bezug von Energie sinken, was unmittelbar in einer höheren Wettbewerbsfähigkeit resultiert. Zum anderen stellt sich das Anpreisen von energieeffizienten Produkten als bedeutendes Absatzsegment heraus. Die Förderung der heimischen Wirtschaft durch die Erhöhung der Energieeffizienz kann durch den Einsatz neuer Technologien, z.b. innovativer Mess- und Regeltechnik erfolgen. Die Wertschöpfung verbleibt dabei im Land. Die Steigerung der Energieeffizienz wurde politisch durch die Einführung von Managementsystemen vorangetrieben. Die Ausarbeitung und Veröffentlichung der DIN EN ISO (2011) hat den Zweck: Systeme und Prozesse aufzubauen, welche zur Verbesserung der energiebezogenen Leistung, einschließlich Energieeffizienz, Energieeinsatz und Energieverbrauch erforderlich sind. Ausgehend von DIN EN ISO (2011) sind für die energetische Planung einer Organisation drei wesentliche Schritte notwendig (siehe dazu Kap. 2.3 Durchführung von Energieanalysen) Sie soll zudem wiederholt durchgeführt und hinsichtlich des Erfolgs stetig überprüft werden. Die Internationale Norm ist auf alle Größen und Arten von Organisationen anwendbar. 2.2 Energie in der Trinkwasserversorgung und mögliche Einsparpotenziale Betreiber von Wasserversorgungsanlagen müssen sich zukünftig dauerhaft mit dem Thema Energie auseinandersetzen, um in Zeiten steigender Energiekosten die Wasserversorgung weiterhin zunehmend wirtschaftlicher zu gestalten und damit einen Beitrag zum Klimaschutz sowie zur Ressourcenschonung zu leisten. Dabei darf der Hauptfokus Versorgungssicherheit und Wassergüte nicht in Frage gestellt werden. Im Rahmen dessen muss eine Gesamtbilanzierung der eingesetzten Energie in Form von Elektrizität und Wärme erfolgen. Im Gegensatz dazu kann das im Abwasser zur Verfügung stehende Energiepotenzial je nach Randbedingungen auf der Habenseite der Energiebilanz verzeichnet werden. Dieses Potenzial gilt es durch eine geeignete und effiziente Verfahrenstechnik bzw. Energierückgewinnung so weit wie möglich auszuschöpfen und damit dem Ziel einer effizienten Wasserversorgung einen Schritt näherzukommen. Die Möglichkeiten zur Energieeinsparung in der Wasserversorgung sind vielschichtig und können wie folgt zusammengefasst werden (DVGW, 2010): - Verringerung der Wasserverluste im Wasserverteilnetz bewirkt eine geringere Wasserförderung und -aufbereitung und führt damit zu einer direkten Energieeinsparung. - Vergleichmäßigung der Fördermenge führt zu einer geringeren Spitzenlast. Weiterhin werden bei gleichmäßigem Betrieb die Fließgeschwindigkeiten gering gehalten, was zu geringeren Druckverlusten führt (Druckverluste steigen quadratisch mit Fließgeschwindigkeit). - Einhausung von offenen Filtern verringert den Energieeinsatz bei der Entfeuchtung.

11 GKU mbh Einleitung 10 - Beheizung der Brunnenstuben und die Entfeuchtung können eingespart werden, wenn die elektrischen Anlagen entsprechend geschützt werden. - Brunnenalterung vorbeugen in dem Filterrohre einen möglichst geringen Widerstand aufweisen. - Korrekte Brunnenanordnung: Bei einer zu engen Anordnung von Brunnen kommt es zu einer stärkeren Grundwasserspiegelabsenkung, was zu einem erhöhtem Energiebedarf der Pumpen führt. - Brunnenschaltung: Es sollten zunächst die Brunnen betrieben werden, die energetisch günstiger arbeiten. Auch ist zu prüfen, ob ein Energieeinsparpotenzial durch andere Wasserquellen (z.b. Uferfiltration oder künstliche Grundwasseranreicherung) vorliegt. - Die Wahl der Heberanlagen ist entscheidend für den Energiebedarf. - Vergleich zwischen Horizontalfilter- und Vertikalfilterbrunnen kann zu einer Energieeinsparung führen. - Die Wahl der Pumpenbauart entscheidet maßgeblich über die Effizienz der Förderung. So ist der Wirkungsgrad von Unterwassertauchmotorpumpen zwischen 4-10 % geringer. - Der Einsatz von Rückschlagventilen erhöht den Druckverlust. Hier ist zu prüfen inwiefern diese erforderlich sind. - In der Wasseraufbereitung ist je nach Anlagentyp im Einzelfall das Einsparpotenzial zu ermitteln Wie bereits erwähnt gilt es ebenfalls Möglichkeiten zur Energiegewinnung zu prüfen. Hier können folgende prinzipielle Ansatzpunkte genannt werden (DVGW, 2010): - Nutzung der Sonnenenergie mittels Photovoltaikanlagen - Nutzung der vorhandenen hydraulischen Energie durch Einsatz von Turbinen - Nutzung der Wärmeenergie durch Wärmepumpen in Einzelfällen wirtschaftlich möglich. Die vorstehend aufgeführten Energieeinsparmöglichkeiten und Energiegewinnungspotenziale stellen nur eine Auswahl an Möglichkeiten dar. Tatsächlich muss die energetische Situation jedes Wasserversorgungssystems spezifisch betrachtet und bewertet werden. Erst im Anschluss an eine Energieanalyse kann eine Zusammenstellung der möglichen Maßnahmen zur Energieeinsparung und Energierückgewinnung erfolgen. 2.3 Durchführung von Energieanalysen Grundsätzlich kann eine Energieanalyse nach DIN EN ISO (2011) in 3 Arbeitsphasen unterteilt werden: - Analyse des Energieeinsatzes und Energieverbrauchs - Ermittlung der wesentlichen Bereiche mit wesentlichem Energieeinsatz und wesentlichem Energieverbrauch - Ermittlung von Möglichkeiten für die Verbesserung der energiebezogenen Leistung

12 GKU mbh Einleitung 11 Eine detailliertere Beschreibung über die Durchführung einer Energieanalyse im Bereich der Wasserversorgung gibt DVGW (2010). Die grundsätzlichen Punkte nach DVGW (2010) wurden mit eigenen Punkten ergänzt. Demnach wird die Durchführung einer Energieanalyse in die folgenden Arbeitsbereiche gegliedert: 1. Datenerhebung/Plausibilitätsprüfung der Daten: Betriebsdaten und Unterlagen der zu untersuchenden Einrichtungen werden auf Vollständigkeit und Plausibilität geprüft. 2. Anlagenbegehung: Während der Anlagenbegehung soll bereits auf allgemeine Mängel hingewiesen werden, sowie die zusätzlich zu installierende Messtechnik erörtert werden. 3. Bilanzierung des Energieverbrauchs: Durch die Identifizierung eventuell versteckter Verbraucher sowie der Hauptverbraucher ist es möglich, das Energieeinsparpotenzial aufzudecken. Dabei sollen etwa 90 % des Energieverbrauchs einzelner Aggregate zugeordnet werden. Strommessungen stellen die Grundlage der Energiebilanz dar. 4. Bewertung des Ist-Zustandes: Der Vergleich des zuvor aufgenommenen Ist- Zustandes mit den Ziel- und Toleranzwerten zeigt das Energieeinsparpotenzial der untersuchten Wasserversorgungseinrichtung auf. 5. Vorschläge für einen ersten Maßnahmenkatalog: Der Vergleich zwischen dem Ist- Zustand und dem theoretisch erzielbaren Zielwert zeigt direkt Möglichkeiten auf, die in einem ersten Maßnahmenkatalog vorgeschlagen werden sollen. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt in dieser Phase über eine Kosten-Nutzen- Analyse, bei der mögliche Einsparungen durch die Realisierung der Einzelmaßnahmen aufgezeigt werden. 6. Endbericht und Präsentation: Die Energieanalyse schließt mit einer schriftlichen Ausarbeitung und einer Sitzung zusammen mit dem Auftraggeber. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber soll die Umsetzung der Maßnahmen vorangetrieben werden. 2.4 Aufgabenstellung Die mittelhessische Gemeinde Lautertal (2.427 Einwohner) liegt im Herzen des Vogelsbergkreises. Die Gemeinde besteht aus 7 Ortsteilen, sodass aufgrund der durch die Mittelgebirgslandschaft vorgegebenen topografischen Gegebenheiten mehrere Versorgungs- und Druckzonenbereiche existieren. In der Gemeinde Lautertal wird die Energiewende als Chance gesehen und aktiv vorangetrieben, wie folgende Beispiele belegen: Im Ortsteil Engelrod sind sechs Windenergieanlagen und in der Gemarkung Dirlammen acht Windenergieanlagen in Betrieb, die durch private Investoren errichtet wurden. Durch eine interkommunale Zusammenarbeit mit der Stadt Ulrichstein wurden in den Ortsteilen Helpershain und Meiches sieben weitere Windkraftanlagen errichtet. Zwei der drei Anlagen in der Gemarkung Meiches werden von der hessenenergie betrieben.

13 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 12 Eine weitere Anlage wurde vor allem durch Bürger der Gemeinde Lautertal und der Stadt Ulrichstein finanziert; es handelt sich somit um eine sog. Bürgerwindanlage. Drei weitere Anlagen werden derzeit errichtet, sodass dann insgesamt 20 Anlagen auf Gemeindegebiet stehen werden. Darüber hinaus hat die Gemeinde auf zwei Gebäuden Photovoltaikanlagen errichtet und ein drittes Dach für eine Photovoltaikanlage verpachtet. Die Gemeinde ist zudem der Energiegenossenschaft Vogelsberg beigetreten. Ziel ist es, neben der Erzeugung Erneuerbarer Energien auch eine Wertschöpfung in der Region zu generieren. Die Ziele der Energiewende können jedoch nur erreicht werden, wenn auch die Energieeinsparung mehr in den Blick genommen wird. Die Gemeinde will daher auch in diesem Bereich mit gutem Beispiel vorangehen. Im Rahmen der vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgesetzten Förderung von Klimaschutzprojekten in sozialen, kulturellen und öffentlichen Einrichtungen im Rahmen der Klimaschutzinitiative hat die GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh den Auftrag erhalten, das Klimaschutzteilkonzept für eine klimafreundliche Trinkwasserversorgung der durchzuführen. Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 3 Beschreibung des IST-Zustandes Bei der Aufnahme des IST-Zustandes werden alle für die Trinkwasserversorgung relevanten Standorte angefahren und die vor Ort herrschenden Zustände schriftlich notiert sowie bildhaft festgehalten. Das Hauptaugenmerk fällt hierbei auf die großen Stromverbraucher wie Pumpen, Kompressoren, Heizungen, Luftentfeuchter und Energieverbraucher der Wasseraufbereitungsanlagen. So werden bei der Begehung alle potentiell optimierbaren Stromflüsse der Hauptverbraucher mittels Zangenamperemeter punktuell gemessen und notiert. Um jedoch den Stromverbrauch der mit Frequenzumformer betriebenen Aggregate bestimmen zu können, werden zusätzlich Langzeitmessungen durchgeführt. Neben den Optimierungsmöglichkeiten wird zusätzlich auf ungenutztes Potential geachtet, wie beispielsweise nutzbare Flächen für den Einsatz von Photovoltaikanlagen. Die folgende Abbildung 3-1 stellt eine systematische Aufteilung des Verteilungsnetzes der Trinkwasserversorgungsanlagen der Gemeinde Lautertal dar. Innerhalb des betrachteten Bereichs werden insgesamt 5 Druckzonen mit Wasser versorgt. Teilweise wird die Versorgung komplett ohne Strom betrieben, da aufgrund der Höhenlagen der Quellen und Hochbehälter ausreichend Druck vorhanden ist, um alle Verbraucher zu versorgen. Das Wasser kommt aus 2 Quellen und 4 Tiefbrunnen. Zum Teil wird das Wasser durch eine

14 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 13 Chlorung aufbereitet und die Qualität regelmäßig durch das Personal überprüft. Die Länge des gesamten Leitungssystems beträgt 28,9 km. Die angegebenen Fördermengen, Einwohnerzahlen und Verbräuche beziehen sich auf das Jahr Abbildung 3-1: Versorgungsnetz der Gemeinde Lautertal

15 Baujahr Anzahl Pumpen [-] Höhenlage [m ü. NN.] Brunnentiefe [m] Förderleistung/ Schüttungsmenge [m 3 /h Behältervolumen [m 3 ] Aufbereitung Anzahl Heizungen [-] Anzahl Luftentfeuchter [-] Fläche Glasbausteine [m 2 ] GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 14 Tabelle 3-1: Technische Daten Anlagen Tiefbrunnen Eichenrod Tiefbrunnen Engelrod Tiefbrunnen Dirlammen Tiefbrunnen Meiches Quelle Eichelhain A: A: A: A: B: , , , , ,52 - Chlorung Quelle Engelrod , Hochbehälter Hörgenau Hochbehälter Eichelhain A: B: Chlorung - 1 2, Hochbehälter Engelrod Chlorung Hochbehälter Engelrod 2 Hochbehälter Dirlammen Hochbehälter Meiches A: A: A: , , ,8 A: Geländehöhe B: Wasserspiegel

16 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes Begehung der Wasserversorgungseinrichtungen Die Begehung der Wasserversorgungseinrichtung fand zusammen mit dem Betriebspersonal der technischen Abteilung der Gemeinde Lautertal statt. Die angefahrenen und untersuchten Standorte waren: Gruppenwasserwerk Oberwald Nord in Eichenrod Hochbehälter Oberwald Nord in Hörgenau Quelle Eichelhain Gemeinschaftswasserversorgung Oberwald Nord Eichelhain Tiefbrunnen Engelrod Hochbehälter 1 Engelrod Hochbehälter 2 Engelrod Wasserwerk Dirlammen Hochbehälter Dirlammen Wasserversorgung Meiches Hochbehälter Meiches Es wurden an einigen Betriebsstationen bereits Teilsanierungen vorgenommen. So wurden Leitungen erneuert und neue Schalttechnik und Frequenzumrichter eingesetzt. Trotz der sehr gut geführten Trinkwasserversorgungsanlagen der Gemeinde Lautertal wurde es zu Beginn der Analyse als durchaus möglich angesehen, energetische Optimierungspunkte zu identifizieren. Eine Beschreibung der begangenen Anlagen sowie bereits durchgeführte oder geplante Sanierungsmaßnahmen werden nachfolgend dargestellt Gruppenwasserwerk Oberwald Nord (TB Eichenrod) Der 1968 errichtete Tiefbrunnen des Gruppenwasserwerks Oberwald Nord in Eichenrod ist nur selten in Betrieb, da der Großteil der Versorgung im Gebiet Oberwald Nord durch die Schürfquelle in Eichelhain abgedeckt wird. Somit dient der Tiefbrunnen nur zur Überbrückung von Engpässen. Die installierte Pumpe fördert 12,5 m 3 /h aus einer Tiefe von etwa 63 m. Das Wasser wird nicht aufbereitet, sondern direkt in den Hochbehälter Oberwald Nord in Hörgenau weitergeleitet. Im Wasserwerksgebäude befinden sich 4 Heizungen, die mit einem Thermostat auf ca. 8 C eingestellt sind. Von der Wandfläche werden 4,24 m 2 durch 10 cm dicke Glasbausteine eingenommen. In der nachfolgenden Abbildung 3-2 ist das Gruppenwasserwerk Oberwald Nord dargestellt. Abbildung 3-2: Gruppenwasserwerk Oberwald Nord

17 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes Hochbehälter Oberwald Nord (HB Hörgenau) Der 1968 errichtete Hochbehälter wird überwiegend von der Schürfquelle in Eichelhain gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 350 m 3. Kommt es zu Engpässen in der Versorgung, wird Wasser aus dem Tiefbrunnen in Eichenrod zugeführt. Aufgrund von möglichen Keimbelastungen im Wasser wird im Hochbehälter Oberwald Nord eine Chlorung vorgenommen. Das Wasser aus der Quelle ist bereits gechlort und somit keimfrei, wenn es den Hochbehälter erreicht. Aus diesem Hochbehälter werden ca. 790 Einwohner in den Dörfern Hörgenau, Hopfmannsfeld und Eichenrod versorgt. Für die Versorgung ist wegen der Höhenlage des Hochbehälters keine Druckerhöhung notwendig, weswegen dahingehend keine Energie verbraucht wird. Der Zufluss beträgt ca. 5 m 3 /h. Das Gebäude wird nicht beheizt, jedoch kommt ein Entfeuchter mit einer Leistung von 0,72 kw zum Einsatz. In der Außenwand sind 2,8 m 2 Glasbausteine eingesetzt. Im Winter kann es zu Taubildung kommen. In der nachfolgenden Abbildung 3-3 ist der Hochbehälter Oberwald Nord dargestellt. Abbildung 3-3: Hochbehälter Oberwald Nord Quelle Eichelhain Die seit 1954 genutzte Schürfquelle in Eichelhain versorgt neben der Ortschaft Eichelhain auch zum Großteil das Versorgungsgebiet Oberwald Nord. Im Jahr 2013 betrug die durchschnittliche Schüttungsmenge 6,52 m 3 /h. Das Wasser wird zunächst einer Chlorung unterzogen. Hierbei kommt ein Chlordosiergerät zum Einsatz, welches keinen Strom benötigt. Danach wird das Wasser in den Hochbehälter Eichelhain geleitet und von dort aus zum Teil in den Hochbehälter Oberwald Nord in Hörgenau weitergeleitet. Da sich die Quelle in einer Höhenlage oberhalb der Hochbehälter befindet, sind keine Pumpen nötig, um das Wasser zu befördern. Bei trockenem Wetter werden etwa 100 m 3 /d gefördert, wohingegen bei Regenwetter etwa 180 m 3 /d gefördert werden, sodass es zu Quellüberläufen innerhalb der Quelle und in den Hochbehältern kommt. Neben der Quelle befindet sich eine große Wiese mit einer Fläche von ca. 150 m 2, die einmal pro Jahr gemäht wird. In der nachfolgenden Abbildung 3-4 ist die Schürfquelle in Eichelhain dargestellt.

18 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 17 Abbildung 3-4: Schürfquelle Eichelhain Gemeinschaftswasserversorgung Oberwald Nord (HB Eichelhain) Der 1954 errichtete Hochbehälter in Eichelhain wird durch die Schürfquelle Eichelhain gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 60 m 3. Eichelhain hat rund 230 Einwohner, die durch den Hochbehälter versorgt werden. Das überschüssige Wasser wird zum Hochbehälter Oberwald Nord in Hörgenau weitergeleitet. Aufgrund der Höhendifferenz zwischen den beiden Hochbehältern wird dafür kein Strom benötigt. Auch für die Versorgung der Ortschaft ist aufgrund der Höhenlage keine Druckerhöhung nötig. Das Verteilungsnetz Eichelhain wird somit ohne Energieverbrauch betrieben. In der nachfolgenden Abbildung 3-5 ist der Hochbehälter in Eichelhain zu sehen. Abbildung 3-5: Gemeinschaftswasserversorgung Oberwald Nord Quelle Engelrod Die Quelle Engelrod wird seit 1904 genutzt. Ihre Schüttungsmenge betrug im Jahr ,98 m³/h. Aufgrund von anstehenden Kosten wurde die Quelle im November 2013 für mehrere Monate stillgelegt und soll zukünftig nur noch zur Notversorgung dienen Tiefbrunnen Engelrod Der Tiefbrunnen in Engelrod wurde im Jahr 1979 errichtet. Die FU-betriebene Pumpe fördert 3,7 m³/h (2013: 8 m³ ohne FU) aus einer Tiefe von etwa 130 m. Das hier geförderte Wasser wird in den Hochbehälter Engelrod 2 befördert. In dem Betriebsgebäude befinden sich 3 Heizungen, die mit einem Thermostat auf ca. 10 C geregelt sind. In der nachfolgenden Abbildung 3-6 ist der Tiefbrunnen in Engelrod dargestellt.

19 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 18 Abbildung 3-6: Tiefbrunnen Engelrod Hochbehälter Engelrod 2 Der 1979 erbaute Hochbehälter wird durch den Tiefbrunnen Engelrod gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 320 m 3. In dem Hochbehälter findet keine Aufbereitung statt. Bei Nutzung der Quelle Engelrod dient der HB als Gegenbehälter. Im Gebäude befindet sich ein Entfeuchter mit einer Leistung von 0,72 kw. Der Füllstand wird durch eine Ultraschallmessung geregelt. In der Außenwand sind 1,64 m 2 Glasbausteine verbaut. Die nachfolgende Abbildung 3-7 stellt den Hochbehälter Engelrod 2 dar. Abbildung 3-7: Hochbehälter Engelrod Hochbehälter Engelrod 1 Der 1904 erbaute Hochbehälter wird durch die Schürfquelle in Engelrod gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 100 m 3. Das Wasser wird mittels Injektionsmessgerät gechlort. Hiernach wird das Wasser aus dem Hochbehälter mittels Pumpe in das Ortsnetz Engelrod (540 Einwohner) und das überschüssige Wasser weiter zum Hochbehälter 2 geleitet. Wie die Quelle wurde auch der HB im November 2013 für einige Monate stillgelegt und soll zukünftig nur noch zur Notversorgung genutzt werden. Die nachfolgende Abbildung 3-8 stellt den Hochbehälter Engelrod 1 dar. Abbildung 3-8: Hochbehälter Engelrod 1

20 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes Tiefbrunnen Dirlammen Der Tiefbrunnen im Wasserwerk Dirlammen wurde im Jahr 1967 errichtet. Eine Aufbereitung des Wassers wird im Wasserwerk nicht vorgenommen. Die Pumpe wird mit einer Drucksonde, die sich im Hochbehälter Dirlammen befindet, gesteuert und fördert 8,5 m 3 /h aus einer Tiefe von 60 m. In Dirlammen befindet sich auch eine alte Quelle, die jedoch 1967 stillgelegt wurde und nur noch von einigen Landwirten genutzt wird. Im Betriebsgebäude sind 2 Heizungen angebracht, die mit Thermostat auf 10 C geregelt werden. In den Wänden sind 4,2 m 2 mit 10 cm dicken Glasbausteinen verbaut. Die nachfolgende Abbildung 3-9 stellt das Wasserwerk Dirlammen dar. Abbildung 3-9: Wasserwerk Dirlammen Hochbehälter Dirlammen Der 1967 erbaute Hochbehälter wird durch den Tiefbrunnen im Wasserwerk Dirlammen gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 250 m 3. Mit diesem Versorgungsnetz werden in der Ortschaft Dirlammen ca. 390 Einwohner mit Trinkwasser versorgt. Die Verteilung des Trinkwassers erfolgt aufgrund der Höhenlage des Hochbehälters ohne zusätzlichen Energieaufwand. Eine Aufbereitung des Wassers wird im Hochbehälter nicht vorgenommen. Die Luftentfeuchtung bzw. der Luftaustausch erfolgt über verschließbare Lüftungsgitter in den Wänden. Die Gebäudefassade weist eine Glasbausteinfläche von 3,2 m 2 auf. Die nachfolgende Abbildung 3-10 stellt den Hochbehälter Dirlammen dar. Abbildung 3-10: Hochbehälter Dirlammen Wasserversorgung Meiches Der Tiefbrunnen der Wasserversorgung Meiches wurde 1982 errichtet. In Meiches gibt es noch einen weiteren Tiefbrunnen, dessen Nutzung jedoch Ende der 1970er Jahre eingestellt wurde. Die installierte Pumpe fördert 25 m 3 /h aus einer Tiefe von ca. 123 m. Eine Aufbereitung des geförderten Wassers wird an dieser Station nicht vorgenommen. Im Betriebsgebäude befinden sich 3 Heizungen, die über ein Thermostat mit einer

21 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 20 Einschalttemperatur von etwa 5 C betrieben werden. Die nachfolgende Abbildung 3-11 stellt die Wasserversorgung Meiches dar. Abbildung 3-11: Wasserversorgung Meiches Hochbehälter Meiches Der 1971 erbaute Hochbehälter Meiches wird durch den Tiefbrunnen der Wasserversorgung Meiches gespeist und hat ein Fassungsvermögen von 250 m 3. Von hier wird das Trinkwasser in das Versorgungsnetz der Ortschaft Meiches geleitet und versorgt etwa 470 Einwohner. Aufgrund der Höhenlage des Hochbehälters ist ein zusätzlicher Energieaufwand für die Verteilung des Trinkwassers nicht nötig. Eine Aufbereitung des Wassers wird nicht vorgenommen. In der Fassade des Betriebsgebäudes sind etwa 2,8 m 2 Glasbausteine verbaut. Die nachfolgende Abbildung 3-12 stellt den Hochbehälter Meiches dar. Abbildung 3-12: Hochbehälter Meiches 3.2 Fördermengen/Wasserverluste In Tabelle 3-2 sind die Wasserverluste der Trinkwasserversorgungsanlagen der Gemeinde Lautertal aufgeschlüsselt aufgeführt. Hiernach belaufen sich die echten Rohrnetzverluste auf m³. Prozentual gesehen sind das etwa 2,6 %, was im Vergleich zum Richtwert von 5 % sehr gering ist. Hintergrund der Überlegungen ist, dass bei einer Verringerung der Wasserverluste ein nicht unerheblicher el. Energiebedarf eingespart werden kann, da direkt weniger Rohwasser gefördert, aufbereitet und Reinwasser im Netz verteilt werden muss. Nach Plath et al. (2009) wird im Median der untersuchten Wasserwerke für die Rohwasserförderung eine el. Energie von 0,28 kwh/m³ aufgewendet. Wird die Reinwasserverteilung in die Bilanz hinzugefügt, sind im Median sogar 0,49 kwh/m³ erforderlich. Bei einer Reduktion der Wasserverluste ist also unmittelbar mit einer Reduktion der Energiekosten zu rechnen. Den größten Teil der Verluste machen die Quellüberläufe mit m³ aus. Weitere m³ werden dem

22 GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 21 kommunalen Eigenbedarf zugeschrieben sowie m³ dem Eigenbedarf des Wasserwerks. Die Angaben wurden von der Gemeinde Lautertal zur Verfügung gestellt und beziehen sich auf das Jahr Die Gesamtfördermenge betrug m³ (inkl. Quellüberläufe), wobei die verkaufte Menge bei m³ lag. Tabelle 3-2: Wasserverluste aus Angaben der Gemeinde Parameter Einheit Wert Quellüberläufe m Kommunaler Eigenbedarf m Eigenbedarf des Wasserwerks m³ Echte Rohrnetzverluste m Summe Verluste m Nachfolgend werden die Wasserverluste anhand der Einzelverluste dargestellt. Diese weichen von den in Tabelle 3-2 dargestellten Werten ab. In Abbildung 3-13 sind die Ablaufmengen und die verkauften Wassermengen in den Orten Hörgenau/Hopfmannsfeld und Eichenrod dargestellt, welche zum Versorgungsgebiet Oberwald Nord gehören. Die gemessenen Abläufe sowie die verkauften Wassermengen der Orte Hopfmannsfeld und Hörgenau werden aufgrund der Anordnung der Wasserzähler zusammengefasst dargestellt. Die Differenzen bzw. resultierenden Verluste und somit auch die berechneten echten Rohrnetzverluste belaufen sich auf m³ (14,5 %) in Eichenrod und 487 m³ (2,6 %) in Hopfmannsfeld/Hörgenau. Die Ortschaft Eichelhain gehört ebenfalls zum Versorgungsgebiet Oberwald Nord. Diese wird in Abbildung 3-13 nicht mit aufgeführt, da die Versorgung komplett stromfrei durch die Quelle Eichelhain gedeckt wird und somit auch keine Einsparung von Energie erzielt werden kann. Alle angegebenen Daten beziehen sich auf das Jahr 2013.

23 Wassermengen in m³/a Verluste in % GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes Teilgebiet Oberwald Nord 100, , , , , , , , , ,0 0 Eichenrod Hopfmannsfeld/Hörgenau 0,0 Ablauf Verkaufte Wassermenge Verluste Abbildung 3-13: Wassermengen Teilgebiet Oberwald Nord 2013 In Abbildung 3-14 sind die Ablaufmengen und die verkauften Wassermengen des Versorgungsgebietes Engelrod von 2011 bis 2013 dargestellt. Die Verluste betragen für diese Jahre m³, m³ und m³. Aufgrund eines Wasserdiebs sind von diesen Werten etwa m³/a abzuziehen, sodass sich prozentual Verluste von ca. 18 %, 14 % und 8 % ergeben. Weiterhin wurden Schäden an der Steigleitung zum Hochbehälter 2 lokalisiert, wodurch täglich etwa 10 m³ entweichen und somit doppelt gefördert werden müssen. Eine Sanierung der Steigleitung wurde bereits in die Wege geleitet. Die Verluste zeigen einen deutlichen Abwärtstrend und können somit als gering eingestuft werden.

24 Wassermenge in m³/a Verluste in Prozent GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 23 Engelrod , , , , , Jahr 0,0 Ablaufmenge aus HB Verkaufte Wassermenge Prozentuale Verluste Abbildung 3-14: Wassermengen Engelrod In Abbildung 3-15 sind die Ablaufmenge und die verkaufte Wassermenge des Versorgungsgebietes Dirlammen dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind die Differenz und somit auch die Verluste im Jahr 2011 sehr gering. In den Jahren 2012 und 2013 ist die verkaufte Menge an Trinkwasser, laut den zu Grunde liegenden Daten, sogar größer als die Ablaufmenge aus den Hochbehältern. Dies lässt auf Messunsicherheiten schließen. Die Verluste sind als sehr gering einzustufen.

25 Wssermenge in m³ Verluste in Prozent GKU mbh Beschreibung des IST-Zustandes 24 Dirlammen , , , , , Jahr 0,0 Ablaufmenge aus HB Verkaufte Wassermenge Prozentuale Verluste Abbildung 3-15: Wassermengen Dirlammen In Abbildung 3-16 sind die Ablaufmengen und die verkauften Wassermengen des Versorgungsgebietes Meiches der Jahre dargestellt. Die Verluste belaufen sich auf 13,9 %, 14,2 % und 11 %. Wie in Engelrod ist auch in Dirlammen ein Abwärtstrend zu erkennen, was auf Sanierungen der Rohre hindeutet. Die Verluste können demnach als relativ gering eingestuft werden.

26 Wassermenge in m³ Verluste in Prozent GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 25 Meiches , , , , Jahr 0,0 Ablaufmenge aus HB Verkaufte Wassermenge Prozentuale Verluste Abbildung 3-16: Wassermengen Meiches Insgesamt können m³ an Verlusten aufgrund der Differenzen zwischen den Abläufen der jeweiligen Hochbehälter und den verkauften Wassermengen der zugehörigen Ortschaften ermittelt werden. Hierbei nicht mitenthalten sind die Verluste des Versorgungsgebietes Dirlammen, da sich diese im Negativbereich befinden. Prozentual gesehen weist das gesamte Versorgungsnetz Verluste von 7,1 % auf, was ein geringes Einsparpotenzial darstellt. 4 Energie- und CO 2 -Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 4.1 Einleitung Die gesamte CO 2 -Emission der deutschen Wasserversorgung kann mit dem gesamten Energieverbrauch von ca Mio. kwh (Stand 2007) und 0,596 kg CO 2 /kwh zu ca. 1,43 Mio. t CO 2 berechnet werden (Plath 2011). Eine Einsparung von CO 2 -Emission kann durch Einsparungen beim Verbrauch von elektrischer Energie erreicht werden. Um mögliches Einsparpotential zu erkennen, ist es nötig zunächst eine Bilanz des Energieverbrauchs und der CO 2 -Emission zu erstellen. Bei der Energie- und CO 2 -Bilanz werden der Energieverbrauch und die daraus resultierende Menge an freigesetztem CO 2 dargestellt. Dabei werden die Hauptverbraucher wie beispielsweise Pumpen, Heizungen und Wasseraufbereitungsanlagen für jeden Versorgungsbereich einzeln betrachtet und ihr el. Energiebedarf in kwh pro Jahr aufgezeigt. Die Betrachtung der Verbraucher im Einzelnen ist notwendig, da nur darüber der höchste Bedarf einzelner Anlagenteile und gegebenenfalls Einsparmöglichkeiten zu erkennen sind.

27 GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 26 Zur Ermittlung des el. Energiebedarfs der Verbraucher wurde eine Reihe an Kurzzeitmessungen mit Hilfe eines Zangenamperemeters durchgeführt. Anhand der gemessenen Stromstärken kann für einfache, einphasige Wechselstromgeräte nach Formel 4-1 die Leistungsaufnahme des Aggregats bestimmt werden. P = U S I cosφ Formel 4-1 Für Drehstromgeräte gilt entsprechend Formel 4-2, die mit der Beziehung der Außenleiter- zur Strangspannung nach Formel 4-3 in Formel 4-4 umgewandelt werden kann, die zur Berechnung herangezogen wurde. P = 3 U L I L cosφ Formel 4-2 U L = 3 U S Formel 4-3 P = U S (I 1 + I 2 + I 3 ) cosφ Formel 4-4 Die Strangspannung U S wurde dabei als die im deutschen Stromnetz üblichen 230 V angenommen. Zum Zeitpunkt der Messung kann die Spannung allerdings durchaus um mehrere Volt von der Annahme abweichen, wodurch das Ergebnis der Berechnung beeinträchtig wird. Der Leistungsfaktor cosφ ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich und muss auch nicht immer mit den Angaben auf dem Typenschild übereinstimmen. Zur Grobbestimmung des Stromverbrauchs wurden, soweit diese vorlagen, die Typenschildangaben übernommen, ansonsten auf einen Wert von 0,85 zurückgegriffen. Gemäß Formel 4-5 ergibt sich aus der Multiplikation der Leistung mit der Zeit die verrichtete elektrische Arbeit. W = P t Formel 4-5 Für die einzelnen Laufzeiten der Aggregate mussten, aufgrund fehlender Daten, ebenfalls Annahmen getroffen werden. Konnten diese anhand der Betriebsstundenzähler bzw. anhand der Laufzeiten, die im Prozessleitsystem gespeichert sind, abgeschätzt werden, wurde in den folgenden Tabellen dieses in der Spalte Ermittlung mit B gekennzeichnet. Andernfalls, für reine Annahmen, erfolgte eine Markierung mit A. Die manuelle Messung des Aggregats wurde mit der Markierung M versehen. Fand der Einsatz von kontinuierlichen Strommessgeräten (zumeist bei Frequenzumrichter betriebenen Aggregaten) statt, wurde das Kürzel K verwendet. Anhand des Stromverbrauchs lassen sich dann auch die daraus resultierenden Parameter, wie Stromkosten, ermitteln. Der durchschnittliche Kilowattstundenpreis ergibt

28 Ermittlung W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 27 sich aus den Stromkosten von 2013 geteilt durch den Stromabsatz. Der Preis beträgt 26 Cent/kWh. Laut Angabe des Energieversorgers OVAG Energie der Gemeinde Lautertal beträgt der spezifische CO 2 -Ausstoß 0,475 kg pro kwh (Stand 2013; Dieser Wert wurde in den folgenden Tabellen für die Berechnung der Emissionen verwendet. Die einzelnen Verbrauchsstellen mit einer Aufstellung der gemessenen und bilanzierten Datenwerte sowie der davon ausgehenden CO 2 -Emmission sind in den nachfolgenden Kapiteln ausführlich dargestellt. 4.2 Tiefbrunnen Eichenrod Die Ergebnisse der Strommessungen der Aggregate im Tiefbrunnen Eichenrod sind in Tabelle 4-1 dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein jährlicher Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Dieser liegt deutlich unter dem Mittelwert des Energiebedarfs der Jahre 2009 bis 2013, welcher kwh beträgt. Den höchsten Stromverbrauch weisen die vier Heizungen mit insgesamt kwh/a auf. Diese werden über einen Temperaturregler mit einer Einschalttemperatur von etwa 6-7 C gesteuert. Der zweitgrößte Verbrauch geht mit 971 kwh/a auf die Tiefbrunnenpumpe zurück. Die Fördermenge betrug m³ bzw. durchschnittlich 12,5 m³/h. Tabelle 4-1: Energie- und CO 2 -Bilanz Tiefbrunnen Eichenrod Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] P [W] Tiefbrunnenpumpe Kontinuierliche Messung Heizung A Heizung A Heizung A Heizung A Summe B = Betriebsstunden aus Betriebstagebuch A = Annahme S = Systemvorgabe

29 Leistungsaufnahme in kw GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 28 Die Strommessungen mittels eines Zangenamperemeters und die daraus errechneten Leistungsaufnahmen stellen nur eine Momentaufnahme des betrachteten Aggregates dar. Zur genaueren Leistungsaufnahme wurde eine kontinuierliche Leistungsmessung für die Tiefbrunnenpumpe installiert. Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 4-1 dargestellt Jul. 25. Jul. 27. Jul. 29. Jul. 31. Jul. 2. Aug. 4. Aug. Datum 2014 Tiefbrunnenpumpe Abbildung 4-1: Tiefbrunnenpumpe Eichenrod Im untersuchten Zeitraum vom :09 Uhr bis zum Uhr lag die mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe im Betrieb bei etwa 4,6 kw. Verrechnet man diesen Mittelwert mit der berechneten Betriebsstundenzahl von ca. 213 h/a, so liegt der Verbrauch der Pumpe auf das ganze Jahr bezogen bei etwa 971 kwh. Potenzialanalyse Folgende Punkte werden zur Verbesserung der Energieeffizienz gesehen und sollen in den nachfolgenden Kapiteln überprüft werden: - Gebäudesanierung: durch die Dämmung des Gebäudes und den Ausbau/Dämmung der Glasbausteine, sowie dem Austausch der Lüftungsgitter gegen eine Stoßbelüftung kann zusätzlich Heizenergie eingespart werden. - Der Betrieb/Zustand der Pumpe sollte geprüft werden. 4.3 Hochbehälter Hörgenau Im Hochbehälter Hörgenau befindet sich ein Luftentfeuchter. In Tabelle 4-2 ist das Ergebnis der Leistungsermittlung dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein

30 Ermittlung W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 29 jährlicher Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Dieser liegt über dem Mittelwert des Energiebedarfs der Jahre 2009 bis 2013, welcher kwh/a beträgt. Tabelle 4-2: Energie und CO 2 -Bilanz HB Hörgenau Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] P [W] Luftentfeuchter S Summe Potenzialanalyse Folgende Punkte werden zur Verbesserung der Energieeffizienz gesehen und sollen in den nachfolgenden Kapiteln überprüft werden: - Durch die offenen Lüftungsgitter kann warme, feuchte Luft in das Betriebsgebäude einströmen. Bei Abkühlung im Rauminneren sinkt die Wasserspeicherkapazität der Luft. Das überschüssige Wasser kann von der Raumluft nicht mehr gehalten werden und bleibt im Rauminneren zurück, was einen höheren Energiebedarf für den Luftentfeuchter zur Folge hat. Durch den Austausch der Lüftungsgitter gegen eine Stoßbelüftung kann Energie zur Luftentfeuchtung eingespart werden. 4.4 Engelrod Die Ergebnisse der Strommessungen der Aggregate des Versorgungsgebietes Engelrod sind in Tabelle 4-3 zusammenfassend dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein jährlicher Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Dieser liegt über dem Mittelwert des Energiebedarfs der Jahre 2009 bis 2014, welcher kwh/a beträgt. Ein Großteil des elektrischen Gesamtenergiebedarfs ist auf die Pumpe im Tiefbrunnen Engelrod zurück zu führen. Diese weist einen Energiebedarf von kwh auf. Die drei Heizungen haben insgesamt einen Energiebedarf von kwh und werden mit einem Thermostat auf 10 C geregelt. Die Druckerhöhungspumpe befindet sich im Hochbehälter Engelrod 1. Zukünftig sollen die Quelle und der Hochbehälter nur zur Notversorgung dienen.

31 Ermittlung W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 30 Tabelle 4-3: Energie- und CO 2 -Bilanz Engelrod Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] P [W] Tiefbrunnenpumpe Kontinuierliche Messung Druckerhöhungspumpe Wurde nicht gemessen, da bei der Begehung außer Betrieb Heizung 1 TB A Heizung 2 TB A Heizung 3 TB A Luftentfeuchter HB A Chlordosiergerät 3,5 3,4 3,6 24 A Summe Die mit einem Zangenamperemeter durchgeführten Strommessungen und die daraus errechneten Leistungsaufnahmen stellen nur eine Momentaufnahme des betrachteten Aggregates dar. Die Leistungsaufnahme von frequenzgesteuerten Aggregaten kann nicht erfasst werden. Aufgrund dieser Tatsache wurde eine kontinuierliche Leistungsmessung für die Tiefbrunnenpumpe installiert. Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 4-2 dargestellt. Im untersuchten Zeitraum vom :10 Uhr bis zum Uhr (Messzeitraum: 326 h) lag die mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe in Betrieb bei etwa 7 kw. Nach dem alten System ohne FU von 2013 lag die Förderleistung bei 8 m³/h und die Fördermenge bei m³/a, was einer Laufzeit von etwa h entspricht. Der Energiebedarf der Pumpe im Jahr 2013 beläuft sich demnach auf ca kwh/a. Durch den Einbau eines FU im Folgejahr wurde in die Pumpensteuerung eingegriffen, sodass die Pumpe nun wesentlich längere Laufzeiten aufweist, wie in Abbildung 4-2 zu sehen. Im dargestellten Messzeitraum von 326 h wurde ein mittlerer Energiebedarf von ca. 2,6 kw gemessen. Wird dieser Wert auf das ganze Jahr bezogen, so beläuft sich der Verbrauch der FU-betriebenen Pumpe auf kwh.

32 Leistungsaufnahme in kw GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung Jul. 25. Jul. 27. Jul. 29. Jul. 31. Jul. 2. Aug. 4. Aug. Datum 2014 Tiefbrunnenpumpe Abbildung 4-2: Tiefbrunnenpumpe Engelrod In Abbildung 4-3 werden die Fördermengen des Versorgungsgebietes Engelrod mit dessen Energiebedarf der letzten fünf Jahre verglichen. Es ist zu sehen, dass der Energiebedarf der Jahre 2010 bis 2012 in etwa mit der Fördermenge der Tiefbrunnenpumpe korreliert. Im Jahr 2013 sinkt jedoch der Energiebedarf obwohl die Fördermenge der Tiefbrunnenpumpe steigt. Insgesamt wurden jedoch im Jahr 2013 etwa m³ m³ Trinkwasser weniger gefördert als in den dargestellten Jahren zuvor. Aufgrund der Tatsache, dass die Steuerung der Tiefbrunnenpumpe im November 2013 geändert wurde und diese nun wesentlich längere Laufzeiten aufweist, kam es im Jahr 2014 zu einem erheblichen Energiemehrbedarf. Dieser betrug im Jahr 2014 im Vergleich zum Vorjahr kwh/a bei einem Wassermehrbedarf von insgesamt nur m³. In Tabelle 4-4 werden die jeweiligen spezifischen Verbräuche der Jahre 2009 bis 2014 miteinander verglichen. Die relativ geringen Schwankungen der Jahre 2009 bis 2013 könnten auf die Wetterschwankungen und den damit verbundenen Energiebedarf zur Beheizung und Luftentfeuchtung der jeweiligen Anlagengebäude zurückgeführt werden. Im Jahr 2014 kann jedoch ein sehr markanter Anstieg des spezifischen Verbrauchs beobachtet werden. Dieser ist eindeutig auf die Betriebsänderung der Tiefbrunnenpumpe und die geringere Quellennutzung zurückzuführen. Geplant ist eine komplette Versorgung allein durch die Tiefbrunnenpumpe, was den Energiebedarf voraussichtlich noch weiter ansteigen lässt. Zur Einsparung von Energie gilt es demnach zu prüfen, ob die die vorherige Betriebsweise (und die damit verbundenen Mehrkosten) gegenüber der geplanten Betriebsweise als wirtschaftlicher erachtet werden kann.

33 Wassermenge in m³/a Energiebedarf in kwh/a GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 32 Fördermengen Engelrod Bezugsjahr Fördermenge Tiefbrunnen Fördermenge Quelle Energiebedarf Abbildung 4-3: Zusammenhang zwischen den Fördermengen und dem Energiebedarf der Jahre im Versorgungsgebiet Engelrod Tabelle 4-4: Vergleich des spezifischen Verbrauchs der Jahre Engelrod Fördermenge Gesamt Verbrauch Spez. Verbrauch m³ TB m³ Quelle m³ kwh kwh/m³ , , , , , ,95 Potenzialanalyse Folgende Punkte werden zur Verbesserung der Energieeffizienz gesehen und sollen in den nachfolgenden Kapiteln überprüft werden: - Photovoltaiknutzung: durch den Betrieb der Tiefbrunnenpumpe sollte der Einsatz von Photovoltaik zur Eigenstromnutzung in Erwägung gezogen werden. - Der Betrieb/Zustand der Pumpe sollte geprüft werden. - Das neue Betriebssystem sollte aufgrund der hohen Pumpenlaufzeiten und des somit höheren Energiebedarfs auf ihre Wirtschaftlichkeit bzw. Alternative geprüft werden.

34 Ermittlung W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung Dirlammen Die Ergebnisse der Strommessungen der Aggregate des Versorgungsgebietes Dirlammen sind in Tabelle 4-5 zusammenfassend dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein jährlicher Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Dieser liegt unter dem Mittelwert des Energiebedarfs der Jahre 2009 bis 2013, welcher kwh/a beträgt. Ein Großteil des elektrischen Gesamtenergiebedarfs ist auf die Pumpe im Tiefbrunnen Dirlammen zurück zu führen. Diese weist einen Energieverbrauch von kwh/a auf. Die zwei Heizungen im Wasserwerk weisen einen Energieverbrauch von etwa kwh/a auf und werden über einen Temperaturregler mit einer Einschalttemperatur von 10 C geregelt. Tabelle 4-5: Energie- und CO 2 -Bilanz Dirlammen Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] P [W] Pumpe Kontinuierliche Messung Heizung A Heizung A Summe Die Strommessungen mittels eines Zangenamperemeters und die daraus errechneten Leistungsaufnahmen stellen nur eine Momentaufnahme des betrachteten Aggregates dar. Die Leistungsaufnahme von frequenzgesteuerten Aggregaten kann nicht erfasst werden. Aufgrund dieser Tatsache wurde eine kontinuierliche Leistungsmessung für die Tiefbrunnenpumpe installiert. Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 4-4 dargestellt.

35 Leistungsaufnahme in kw GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung ,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Jun. 18. Jun. 19. Jun. 20. Jun. 21. Jun. 22. Jun. 23. Jun. 24. Jun. 25. Jun. 26. Jun. 27. Jun. Datum 2014 Tiefbrunnenpumpe Abbildung 4-4: Leistungsaufnahme der Tiefbrunnenpumpe in Dirlammen Im untersuchten Zeitraum vom :00 Uhr bis zum :00 Uhr (Messzeitraum: 10 Tage = 240 h) lag die mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe bei 1,17 kw. Dies entspricht einer verbrauchten Energiemenge im untersuchten Zeitraum von 292,4 kwh. Auf das gesamte Jahr bezogen liegt der Verbrauch bei kwh/a. Potenzialanalyse Folgende Punkte werden zur Verbesserung der Energieeffizienz gesehen und sollen in den nachfolgenden Kapiteln überprüft werden: - Photovoltaiknutzung: durch den Betrieb der Tiefbrunnenpumpe sollte der Einsatz von Photovoltaik zur Eigenstromnutzung in Erwägung gezogen werden. - Der Betrieb/Zustand der Pumpe sollte geprüft werden. 4.6 Meiches Die Ergebnisse der Strommessungen der Aggregate des Versorgungsgebietes Meiches sind in Tabelle 4-6 zusammenfassend dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein jährlicher Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Dieser liegt unter dem Mittelwert des Energiebedarfs der Jahre 2009 bis 2013, welcher kwh/a beträgt. Ein Großteil des elektrischen Gesamtenergiebedarfs ist auf die Pumpe im Tiefbrunnen Meiches zurück zu führen. Der zweitgrößte Verbrauch entfällt mit kwh/a auf den Luftentfeuchter. Die drei Heizungen verbrauchen insgesamt kwh/a.

36 Leistungsaufnahme in kw Ermittlung W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 35 Tabelle 4-6: Energie- und CO 2 - Bilanz Meiches Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] P [W] Pumpe Kontinuierliche Messung Heizung A Heizung A Heizung A Luftentfeuchter A Summe Zur genaueren Berechnung des Energiebedarfs der Tiefbrunnenpumpe in Meiches wurde eine kontinuierliche Leistungsmessung installiert. Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 4-5 dargestellt Jul. 25. Jul. 27. Jul. 29. Jul. 31. Jul. 2. Aug. Datum 2014 Tiefbrunnenpumpe Abbildung 4-5: Leistungsaufnahme der Tiefbrunnenpumpe in Meiches Im untersuchten Zeitraum vom :11 Uhr bis zum :11 Uhr (Messzeitraum:326 h) lag die mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe bei 1,36 kw. Dies

37 GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 36 entspricht einer verbrauchten Energiemenge im untersuchten Zeitraum von etwa 442,82 kwh. Auf das gesamte Jahr bezogen liegt der Verbrauch bei etwa kwh. Potenzialanalyse Folgende Punkte werden zur Verbesserung der Energieeffizienz gesehen und sollen in den nachfolgenden Kapiteln überprüft werden: - Der Betrieb/Zustand der Pumpe sollte geprüft werden. 4.7 Zusammenfassung der Bilanz In Tabelle 4-7 sind für die gesamte Gemeinde Lautertal zusammenfassend alle Aggregate sowie deren Anteil am gesamten Energieverbrauch der Wasserversorgung angegeben, sowie in Abbildung 4-6 grafisch dargestellt. Die Förderpumpen haben mit ca. 65 % den größten Anteil sowohl am Stromverbrauch als auch an den Kosten und Emissionen. Der zweitgrößte Verbrauch entfällt mit etwa 18,5 % auf die Heizungen. Die drittgrößten Verbraucher sind mit etwa 13,4 % die Luftentfeuchter. Tabelle 4-7: Bilanz der gesamten Wasserversorgung der Gemeinde Lautertal Aggregat Anzahl Stromverbrauch Kosten Emissionen Verteilung - kwh/a kg CO 2/a % TB-Pumpen ,9 DEA ,1 Heizungen ,5 Luftentfeuchter ,4 Injektionsmessgerät ,1 Summe

38 GKU mbhenergie- und CO2-Bilanz sowie Potenzialanalyse der Wasserversorgung 37 0,07% 13,4% 18,5% 3,1% 64,9% TB-Pumpen DEA Heizungen Luftentfeuchter Injektionmessgerät Abbildung 4-6: Prozentuale Verteilung der el. Energieaufnahme der gesamten Wasserversorgung der Gemeinde Lautertal Der elektrische Energiebedarf der einzelnen Verbrauchsstellen sowie der dort vorgefundenen Aggregate wird in der Abbildung 4-7 weiter aufgeschlüsselt. Der Anteil des absoluten el. Energiebedarfs einzelner Verbraucher zeigt deutlich auf, dass jede Verbrauchsgruppe einzeln betrachtet werden muss, da jeder Verbraucher auch in der Verbrauchsgruppe einen jeweils unterschiedlichen Anteil aufweist. So verbrauchen die Heizungen im Tiefbrunnen Eichenrod über 70 % des el. Energiebedarfs, während beim Tiefbrunnen Engelrod nur ein sehr geringer Anteil des el. Energiebedarfs auf die Heizung entfällt.