Energieeffizienz in der Wasserversorgung Empfehlungen zur Energieeinsparung und Effizienzsteigerung II. Forum für Trinkwasser am Weltwassertag Nals, 22. März 2013 Dr.-Ing. Michael Plath Energieverbrauch (elektrische Energie) Stromverbrauch pro m³ Trinkwasser (Deutschland) 1 0,9 0,96 kwh / m³ 0,8 0,7 06 0,6 0,5 0,4 0,74 0,44 0,58 90. und 10. Perzentil 75. und 25. Perzentil Medianwert (50. Perzentil) 0,3 0,2 0,1 0,18 0 2 DVGW-Information Wasser Nr. 77 (Juli 2010) 3 1
Inhalt Handbuch 1 Einleitung 2 Erstellung der Energiebilanz 3 Energieeinsparpotenziale 3.1 Einführung 3.2 Übergeordnete Einsparpotenziale 3.3 Wassergewinnung 3.4 Wasseraufbereitung 3.5 Reinwasserförderung und Druckerhöhung 3.6 Wasserspeicherung 3.7 Wasserförderung 3.8 Betriebsgebäude 4 Energiegewinnung 4 Inhalt CD-Rom Handbuch Energiebilanz ( ) Energiebilanz (Beispiel) ( ) Berechnung der Stromproduktion ( ) Checkliste ( ) 5 Anwendung Handbuch 1 Datenerhebung Zykl lus (jährliches Aufstellen der Energiebilanz) 2 3 4 5 6 Erstellung der Energiebilanz (01. Energiebilanz.xls) Energetische Bewertung (03. Auswertung.xls) Festlegung der Bereiche mit Untersuchungsbedarf Untersuchung auf Energieeinsparpotenziale Umsetzung von Maßnahmen Energieeinsparpotenziale Energiebilanz Kapitel 3 Handbuch CD-ROM Handbuch 6 2
Hierarchisches System (Energiebilanz) 7 Aufteilung des Stromverbrauchs der Pumpen (1) Eingang Wasserwerk (EWW) 35 mnn 2 bar Brunnenkopf (BK) 30 mnn 2,9 bar Wasseraufbereitung 10 kwh Ohne Aufteilung WG 16,8 kwh WA 10 kwh Mit Aufteilung WG 11,2 kwh WA 15,6 kwh 8 Betriebswasserspiegel Brunnen (betrwsp) 0 mnn 6 bar 75 m³/h 16,8 kwh Wirkungsgrad Brunnenpumpen 0,8 runnenpumpen [ - ] eit / Energieverbrauch) Wirkungsgrad B (Hydraulische Arbe 0,7 0,6 0,5 04 0,4 0,3 0,2 0,1 0,56 0,38 0,23 0,64 0,48 90. und 10. Perzentil 75. und 25. Perzentil Medianwert (50. Perzentil) 360 Brunnenpumpen 0,0 Quelle: ENERGIE WASSER-PRAXIS, 1/2011 9 3
Wirkungsgrad Brunnenpumpen 35% Relativer Anteil gemessener Unterwasserpumpen [%] 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 10% - 20% 21% - 30% 31% - 40% 41% - 50% 51% - 60% 61% - 70% Gesamtwirkungsgrad [%] Daten von über 2500 Brunnenpumpen Quelle: LÜDECKE UND BOLDT (KSB), 2005 10 Wirkungsgrad Reinwasserpumpen 0,8 inwasserpumpen [ - ] eit / Energieverbrauch) Wirkungsgrad Re (Hydraulische Arbe 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,72 0,57 0,74 0,52 0,63 90. und 10. Perzentil 75. und 25. Perzentil Medianwert (50. Perzentil) 81 Reinwasserpumpen 0 Quelle: Quelle: ENERGIE WASSER-PRAXIS, 1/2011 ENERGIE WASSER-PRAXIS, 1/2011 11 LCC 12 4
Förderhöhe H [m] Beispiel aus der Praxis Betriebspunkt Anlagenkennlinie Ablagerungen Drosselventile geschlossene Armaturen Betriebspunkt Anlagenkennlinie usw. Pumpenkennlinie Fördermenge Q [m³/h] 13 Ablagerungen (2) 15 Ablagerungen (3) 0,13 kwh/m³ 0,03 kwh/m³ 16 5
Ablagerungen (4) Rohrleitung Durchschnittliche Fördermenge 400 m³/h (300 000 m³/mon) Leitung ist molchbar ausgeführt einheitlich Dimensionierung der Leitung Schleusen für das Einsetzen und Entnehmen des Molches Kosten für eine Molchung ca. 2200 Euro 17 Ablagerungen (6) Gemessener Betriebsdruck bei 400 m³/h 19 Ablagerungen (7) Gemessener Betriebsdruck bei 400 m³/h 20 6
Ablagerungen (8) Optimales Molchungsintervall (bei diesem Intervall sind die Kosten für die Molchung und die Mehrkosten auf Grund des Druckverlustes minimal) Zur Zeit wird ca. alle 18 Monate gemolcht, neuste Berechnungen haben ein optimales Molchungsintervall von ca. 12 Monaten ergeben Annahmen: Wirkungsgrad der Pumpen 0,6 Strompreis 12,5 Cent/kWh Einsparung bei den Pumpen durch die ca. 6 Monate frühere Molchung: 2500 Euro/a bis 4500 Euro/a 21 Belüftung (1) Umbau/Erneuerung einer bestehenden Belüftung Dispergatoren (alte Anlage) Leistungsaufnahme 21 kw Flachbettbelüfter (geplante Anlage) Leistungsaufnahme ca. 26 kw nicht akzeptabel 22 Belüftung (2) Wasser Kleiner Widerstandsbeiwert ζ bei Formstücken und Armaturen Hydraulisch optimierte Gestaltung der Rohrleitung, Formstücke, Armaturen zur Aufbereitungsanlage (Restdruck, Fließgeschwindigkeit) 23 7
Belüftung (3) Luft Strömungsoptimierte Luftleitungführung, Rohrverbindungen und Rohrübergänge Ausreichend groß bemessener Belüftungsluftfilter hält Druckverlust auch bei längerem Betrieb gering 128 Filterkerzen mit niedrigem Druckverlust pro Flachbettbelüfter Auf Grund der Optimierung, Senkung der Leistung der Ventilatoren Betriebsoptimierte Ventilatoren mit IE3 Motoren und hohem Anlagenwirkungsgrad Leistungsaufnahme (neue Anlage) ca. 1,7 kw (im Vergleich zur geplanten Anlage mit ca. 26 kw) 24 Drosselventil (1) Pumpwerk 1 (Spitzenlastpumpwerk) Hochbehälter Pumpwerk 2 (Grundlastpumpwerk) Drosseleinrichtung Rohrnetz 27 Drosselventil (2) Vermindert den Volumenstrom in der Rohrleitung Ein Drosselventil verursacht Energieverluste: hydraulische Energie wird in Wärme und Schall umgewandelt der Betriebspunkt entfernt sich immer weiter vom Auslegungspunkt g der Pumpe und des Motors 28 8
Drosselventil (3) η1 η2 Q2 Q1 29 Drosselventil (4) Pumpwerk 1 (Spitzenlastpumpwerk) Pumpwerk 2 (Grundlastpumpwerk) Drosselung auf 4,6 bar Drosseleinrichtung Pumpwerk 2 (Grundlastpumpwerk) Hochbehälter Rohrnetz Nenndaten Pumpe gemessen nach der Drosseleinrichtung i Q N [m³/h] H N [m] Q ged1 [m³/h] H ged1 [m] Q ged2 [m³/h] H ged2 [m] Pumpe 1 90 55 46 51 Pumpe 2 175 60 97 46 145 56 Pumpe 3 175 60 97 46 145 56 Pumpwerk 1 (Spitzenlastpumpwerk) kurze Betriebszeiten, da die Pumpen des Pumpwerks 1 überdimensioniert sind 30 Drosselventil (5) Rücknahme der Drosselung im Pumpwerk 2 Verlagerung des Förderschwerpunkte auf Pumpwerk 2 Testbetrieb: Erhöhung der Fördermenge der Pumpen 2 und 3 von durchschnittlich 97 m³/h auf ca. 145 m³/h (keine Probleme im Netz) Verringerung der Druckreduzierung Pumpe 1 um ca. 0,5 bar Pumpe 2 und 3 um ca. 1 bar Kosteneinsparung: ca. 14.000 Euro/a Investitionskosten: 0 Euro 31 9
Armaturen und Formstücke im Pumpenzulauf Gerade Zulaufleitung zwischen letztem Krümmer und Pumpe L 5 D i Quelle: DVGW W 610 (A), 2010 32 Armaturen und Formstücke im Pumpenzulauf Anordnung von Absperrklappen Quelle: DVGW W 610 (A), 2010 33 Dr.-Ing. Michael Plath Technische Universität Hamburg-Harburg Schwarzenbergstraße 95 E 21073 Hamburg Tel.: +49 (0)40 / 42878-3920 Fax: +49 (0)40 / 42878-2999 E-Mail: michael.plath@tuhh.de Internet: www.tuhh.de/wwv Technische Universität Hamburg-Harburg Vielen Dank für Ihr Interesse 36 10