Mit vernetzten Systemen können Wasserversorger besser auf schwankenden Bedarf reagieren.

Bild: iStock, Ivan Bajic

Smart-Water-Systeme So wird die Wasserversorgung effizienter

11.09.2019

Schwankender Wasserbedarf, die Erhaltung der Infrastruktur und Belastungen der Wasserqualität sind nur einige der Herausforderungen, denen sich Wasserversorger heute stellen müssen. Vernetzte Systeme, die adaptiv auf sich verändernde Voraussetzungen reagieren, können hier einen entscheidenden Beitrag zur Effizienz leisten.

Der digitale Wandel betrifft auch die kommunale Wasserversorgung. Sie muss sich diesem proaktiv stellen und eine Vielzahl an Faktoren berücksichtigen. Daher sind adaptive, intelligente und individuelle Konzepte in einer Wasserwirtschaft 4.0 wichtige Teil-Antworten, wenn die Frage nach Lösungsansätzen innerhalb sich ändernder Rahmenbedingungen gestellt wird.

In den vergangenen 30 Jahren sank der Pro-Kopf-Wasserverbrauch der Bundesbürger von im Schnitt rund 150 auf 123 l im vergangenen Jahr. Zugleich ist die Rohwasserqualität zu betrachten, da verschiedene Faktoren sie negativ beeinflussen.

Neben künftig zunehmenden Unwetterereignissen, die durch Überschwemmungen mikrobakterielle Belastungen temporär sprunghaft erhöhen können, ist der menschliche Einfluss verstärkt spürbar. So finden Stoffe wie Nitrat und Rückstände von Pflanzenschutzmitteln ihren Weg in die Quellgebiete. Dazu kommen noch Mikroverunreinigungen durch Hormone aus der Antibabypille, Antibiotika aus der Tierzucht und viele weitere Chemikalien.

Stete Kontrollen und Eingriffsmöglichkeiten bilden daher das Rückgrat einer sicheren Wasserversorgung. In der Summe sind das vielfältige Herausforderungen, vor denen die Wasserwirtschaft zur Daseinssicherung von Privathaushalten, Gewerbe und Industrie steht.

Modernisierung im laufenden Betrieb

Am Fallbeispiel eines regionalen Trinkwasserversorgers, der Harz Energie Netz, lässt sich aufzeigen, wie sich bei laufendem Betrieb durch Modernisierung eine Effizienzsteigerung in einem problematischen Umfeld erreichen lässt. Das Unternehmen in Osterode am Harz greift auf ein vielfältiges Wasserumfeld zu, um die Grundversorgung sicherzustellen. Im deutschen Mittelgebirge versorgt der kommunale Versorger rund 100.000 Menschen mit Trinkwasser. Bereits seit 2009 modernisiert Harz Energie seine Bereiche Beschaffung und Transport mit Pumpen und Druckerhöhungsanlagen von Xylem.

Pro Jahr fließen rund sechs Millionen Kubikmeter Wasser durch die Rohre. Einen Teil davon, circa 2,5 Millionen Kubikmeter, bezieht das Unternehmen von der Harzwasserwerke und seinen Talsperren. Die restlichen 3,5 Millionen Kubikmeter fördern sie aus rund 60 Quellen, bis zu 150 m tiefen Brunnen und Flüssen. Das stellt besondere Anforderungen an die Technik – nicht zuletzt wegen der geographischen Faktoren: Felsige Bodenverhältnisse und ein Festgestein-Untergrund erschweren die Grundwassergewinnung; die Gewinnung aus Flüssen ist überdies schwankungsanfällig.

Adaptive Pumpensysteme

Zur konstanten Grundversorgung setzt Harz Energie adaptive Lowara-Pumpen mit einer Förderleistung zwischen 5 und 150 m3/h ein. Das mikroprozessorgesteuerte Regelsystem Hydrovar passt die Leistung an die jeweiligen Betriebsbedingungen an. Werden die Pumpen nicht benötigt, schaltet sie der Regler automatisch ab. So senkt das Unternehmen die Betriebskosten merklich, was sich auf die Lebensdauer und somit auf die gesamten Lebenszykluskosten einer Pumpe auswirkt.

Das System schützt zudem den Motor vor Überlast und Kurzschluss und liefert Analogsignale für die Fernmeldung von Frequenz- und Istwerten des Regelparameters. Bei Harz Energie laufen die Signale der Hydrovar-Regler dann in der Netzleitstelle zusammen. In der Anlagenüberwachung und -steuerung ermöglichen smarte Netzwerke den Informationszugang zu allen technischen Komponenten in Echtzeit – inklusive Fernüberwachung, Visualisierung, Aufzeichnung und Dokumentation aller relevanten Ereignisse.

Austausch alter Druckerhöhungsanlagen amortisiert sich schnell

Das Gesamtleitungsnetz ist zum größten Teil vermascht, in ländlichen Gebieten und kleinen Siedlungen teils auch verästelt. Es besteht zudem aus einer Vielzahl von kleinen, nicht miteinander verbundenen Teilnetzen, welche in sich wiederum Höhenunterschiede überwinden müssen.

In der Wasserdistribution setzt das Unternehmen unter anderem 53 Hochbehälter ein, der größte hat ein Fassungsvermögen von 2.500 m3. Insgesamt 29 Druckerhöhungsstationen mit zwei bis vier Pumpen agieren als regulativer Faktor in der Wasserausgabe innerhalb von 81 Druckzonen. Auch hier steigert ein Regelsystem wie Hydrovar die Energieeffizienz.

Die Größen der Anlagen erlauben einen gewissen Spielraum und passen sich dem Ist-Verbrauch automatisch an. Deshalb amortisiert sich der Austausch veralteter Anlagen durch moderne Druckerhöhungsanlagen mit einem smarten Regelsystem sehr schnell – je nach Betriebseinsatz und Systemgröße oft schon innerhalb von drei Jahren. Geringe Wartungskosten, ein hoher Wirkungsgrad – bei Lowara-DEA-Anlagen liegt er bei bis zu 80 Prozent – und geringe Energiekosten machen es möglich.

Für die diversen Druckerhöhungsanlagen setzt Harz Energie deshalb auf eine Ausführung mit Drehzahlregelung, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb zu erzielen. Modellversuche mit einer modernen Wasserversorgungsanlage, die einen Tagesverbrauch von 1.250 m3 aufweist und von durchschnittlichen Energiewerten einer älteren Anlage ausgeht, haben gezeigt: Es lassen sich innerhalb eines Tages 75,5 kWh einsparen, also rund 27.500 kWh pro Jahr.

Schwankender Wasserbedarf

Wie wichtig einfach anpassbare Leistungswerte der Pumpen sind, illustriert ein Beispiel: Die Hochbehälter von Harz Energie sind teilweise auf einen Wasserverbrauch von etwa 150 l pro Person und Tag im jeweiligen Wassernetz ausgelegt. Zwischen 2008 und 2015 sank der Wasserverbrauch in den Netzgebieten von Harz Energie jedoch um neun Prozent. Ursachen waren neben dem geringeren Verbrauch der Menschen auch sparsamere Maschinen.

Dadurch würde bei einer zu hohen Fördermenge das Wasser zu lange im Hochbehälter stehen. Der komplette Austausch innerhalb eines Tageszyklus ist aber der Idealfall. Um dies sicherzustellen, ist ein Jonglieren mit dem Wasserstand nötig. Das wird durch die stufenlose Drehzahlregelung der Pumpen wesentlich vereinfacht, und die Geräte werden zudem geschont.

Was im Gespräch mit Harz Energie außerdem deutlich wird: Neben einem optimalen Verhältnis von Energieeinsatz und Fördermenge ist für das Unternehmen die Leistungsfähigkeit des Herstellers von zentraler Bedeutung. Der Grundversorger hat den Auftrag, die Trinkwasserversorgung durchweg sicherzustellen. Dafür braucht es einen zuverlässigen Partner, der neben Wartungskompetenzen auch kurzfristige Herausforderungen meistert, so der Wasserversorger.

Eine hohe Verfügbarkeit von Ersatzteilen und schnelle Reaktionszeiten, sollte eine Störung den Wasserkreislauf behindern, sind ebenfalls elementare Aspekte. Wichtig ist auch ein zentraler Ansprechpartner, der in seinem Portfolio das Know-how und die technischen Lösungen für die Aufgaben vereint sowie die Prozesse auf kurzen Wegen beschleunigt.

Ein kleines Loch kann teuer werden

Betrachtet man die Herausforderungen der Wasserversorgung, stehen neben der steigenden Bedeutung der energetisch effizienten Anpassungsfähigkeit an sich wandelnde Wassermengenbedürfnisse insbesondere die Themen Systemintegrität und Wasserqualität im Fokus. In einer Umfrage des Verbands kommunaler Unternehmen sehen 97 Prozent der 175 befragten kommunalen Wasserversorger den Erhalt und die Erneuerung der Netze als die maßgebliche Herausforderung für zukünftige Infrastrukturinvestitionen. Wiederum jeweils knapp über 50 Prozent sehen im Umgang mit zunehmenden Stofffrachten im Rohwasser sowie in den erhöhten Anforderungen an die Trinkwasseraufbereitung und der Qualitätsüberwachung großen Einfluss auf die zukünftige Weiterentwicklung.

Für den Erhalt und die Pflege der bestehenden Netze ist die Überwachung der Systemintegrität von entscheidender Bedeutung. Schäden an den Rohrleitungen frühzeitig zu erkennen ist essenziell, um eine Vergrößerung des initialen Punktes zu verhindern. Die Schadenkosten steigen schnell, wenn zu spät gehandelt wird. So kann zum Beispiel durch ein Loch mit der Größe einer Stecknadel innerhalb eines Jahres Wasser im Wert von mehreren tausend Euro verloren gehen.

Smarte Leckagendetektion

Zur Erkennung von Leckagen eignen sich auch hier digitale Lösungen, wie sie Xylem im Portfolio hat. Die genaue Leckage-Ortung und detaillierte Zustandsanalyse in Rohrleitungen mithilfe von Ultraschall und Scan-Verfahren hat sich als zuverlässiges Verfahren etabliert. Mit der Sensortechnik werden Daten kontinuierlich erfasst und Störungen im Netz in Echtzeit analysiert und behoben. Durch Einsatz von Algorithmen und Künstlicher Intelligenz lassen sich dann zuverlässige Prognosen über die Störungsanfälligkeit und die Lebensdauer des gesamten Rohrnetzes ableiten.

Klimatische Veränderungen stellen weitere Probleme für die traditionelle Wasserversorgung dar. Anhaltende Dürreperioden und damit einhergehend ein erhöhter Wasserverbrauch haben derzeit zwar noch nicht die Kapazitäten überschritten; die Wahrscheinlichkeit, dass das eintritt, steigt jedoch. Es bedarf also einer vorausschauenden Planung und Vorbereitung, um mit modernen Systemen die technische Grundlage dafür bereit zu stellen.

UV-Desinfektionsanlagen

Ebenso ist mit einer Häufung von extremen Wetterlagen zu rechnen. Neben dem Hochwasserschutz ist eine mögliche Verschmutzung und damit verbundene mikrobakterielle Verunreinigung des Trinkwassers zu bedenken.

In vielen Orten ist nach Hochwasserereignissen eine Chlorung des Trinkwassers notwendig. Eine Alternative zur chemischen Aufbereitung, die zwangsläufig eine Veränderung der Wasserinhaltsstoffe (Qualitätsminderung) des Trinkwassers für die Abnehmer darstellt, sind zum Beispiel UV-Desinfektionsanlagen. Innerhalb von Sekunden inaktiviert das UV-Licht mehr als 99,99 Prozent aller Krankheitserreger im Wasser. Dadurch ist der Einsatz von chemischen Desinfektionsmitteln wie beispielsweise Chlorgas, Bleichlauge oder Chlordioxid nicht mehr notwendig und die konstante Wasserversorgung wird gewährleistet.

So erreicht zum Beispiel eine Wedeco-Anlage der Spektron-Reihe einen Durchsatz von über 4.500 m3/h gemäß den Vorgaben des DVGW. Durch die Kopplung mehrerer Anlagen lässt sich dies weiter steigern. Nach unten sind die Durchsätze der verschiedenen Serien gestaffelt; die kleinste Menge beginnt bei 1.000 l/h. Auch hier steht eine smarte Überwachung für einen optimalen Energieeinsatz zur Verfügung.

Ein UV-Sensor überwacht die Bestrahlungsstärke permanent und regelt die UV-Ausgangsleistung in Echtzeit an die Wasserqualität und den Durchsatz. Das spart bis zu 20 Prozent Energie. Zusätzlich minimiert die hohe Lebensdauer der Lampen in den UV-Strahlern (bis zu 14.000 h) den Wartungsaufwand sowie die Betriebskosten.

Bildergalerie

  • Druckerhöhungsanlagen lassen sich mit smarten Regelsystemen wie Xylems Hydrovar energieeffizient steuern.

    Bild: Xylem

  • Wedeco-UV-Anlagen sorgen für sicheres Trinkwasser.

    Bild: Xylem

  • Mit dem Smart Ball können kleine Lecks in Stecknadelgröße im Rohrleitungsnetz geortet werden.

    Bild: Xylem

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