Wasserwirtschaft Die Elektrotechnik als Schrittmacher für mehr Effizienz im Anlagenbetrieb

Autor / Redakteur: Dr. Andreas Pirsing / Wolfgang Leppert

Milliarden von Menschen beziehen ihr Trinkwasser aus verschmutzten Quellen und verfügen nicht über eine geregelte Abwasserentsorgung — eine gewaltige Aufgabe für die Wasserwirtschaft.

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Milliarden von Menschen beziehen ihr Trinkwasser aus verschmutzten Quellen und verfügen nicht über eine geregelte Abwasserentsorgung — eine gewaltige Aufgabe für die Wasserwirtschaft. Innovationen der Elektrotechnik können dabei zu einer deutlich effizienteren Betriebsführung der Anlagen beitragen. Neben energieeffizienten Antrieben wird die Automatisierung ein maßgeblicher Hebel für Produktivitäts- und Qualitäts-Steigerungen sein.

Die Erde wird als der „Blaue Planet“ bezeichnet, weil etwa 70% der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind. Dennoch hat die Welt ein Wasserproblem: 97% der weltweiten Wasservorräte liegen als Salzwasser vor und sind für den menschlichen Gebrauch nicht direkt nutzbar. Die verbleibenden 3% sind Süßwasser, allerdings sind zwei Drittel davon als Eis an den Polen und in Gletschern gebunden. Letztlich ist nur weniger als ein Prozent der weltweiten Wassermenge für den Menschen zugänglich. In absoluten Zahlen bedeutet dies: Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf ca. 1,38 Mrd. km³, von denen 36 Mio. als Süßwasser auftreten — genutzt werden können 3,6 Mio. km³.

Rein rechnerisch reicht diese Wassermenge aus, um jeden Erdbewohner mit der sechsfachen Wassermenge zu versorgen, die heute pro Kopf in den Industrieländern verbraucht wird. Unglücklicherweise ist das Wasserangebot jedoch regional nicht gleichmäßig verteilt, unterschiedlich verschmutzt und wird mit unterschiedlichen Schwerpunkten verbraucht. Jeder fünfte Erdbewohner hat keinen Zugang zu sauberem Wasser. Noch immer beziehen mehr als 1,3 Mrd. Menschen ihr Trinkwasser aus verschmutzten Quellen, und 2,4 Mrd. Menschen verfügen nicht über eine geregelte Abwasserentsorgung. Nach Berechnungen der Vereinten Nationen (UN) werden bis 2025 zwei Drittel der Menschheit unter Wasserknappheit oder gar unter Wassermangel leiden. Deshalb erklärte die UN den Zeitraum von 2005 bis 2015 zur internationalen Dekade „Water for life - Wasser für das Leben“. Als wichtigstes globales Ziel des nächsten Jahrzehnts will die UN die Anzahl der Menschen, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben, halbieren — und das bei einer weiter steigenden Bevölkerungszahl. Gleichzeitig soll die Reinhaltung der Flüsse vorangetrieben werden.

Herkömmliche Konzepte und Technologien reichen nicht aus

Wenn das UN-Ziel erreicht werden soll, müssen täglich 180.000 Menschen an eine Trinkwasserversorgung und 330.000 Menschen an eine Abwasseranlage angeschlossen werden. Das bedeutet für die Wasserwirtschaft: Bereitstellen ausreichender Wassermengen, Sicherstellen entsprechender Wasserqualitäten sowie Erstellen und Unterhalten einer angepassten Infrastruktur. Dies kann jedoch mit herkömmlichen Technologien und Sanitärkonzepten der wasserreichen Industrienationen kaum erreicht werden. Das unterschiedliche Wasserangebot, andere klimatische Bedingungen, soziale Verhältnisse und Infrastruktur-Voraussetzungen erfordern regional angepasste und vor allem nachhaltige Technologien für Wassermanagement, Wasserwiederverwendung (Water Reuse), Desinfektion sowie Meerwasserentsalzung.

Unabhängig von der Wahl des Behandlungsverfahrens kommt dem sparsamen Umgang mit Energie eine immer größere Bedeutung zu. Dabei spielen sowohl ökonomische als auch ökologische Belange eine Rolle, da die Anlagen der Wasserwirtschaft erhebliche Mengen Energie verbrauchen und durch die Produktion von Kohlendioxid auch zum Klimawandel beitragen. So verbrauchen alleine die Kläranlagen in Deutschland etwa 4.400 GWh/a.

Die UN-Milleniumsziele erfordern jährliche Investitionen in Milliardenhöhe

Zusätzlicher Innovationsbedarf entsteht durch die demographischen Veränderungen wie das Bevölkerungswachstum in den Schwellen- und Entwicklungsländern sowie die zunehmende Urbanisierung. Bis 2030 werden 60% der Menschen in Städten wohnen, 10% in Mega-Cities. Fraglich ist, ob die großtechnischen und flächendeckenden Ver- und Entsorgungssysteme der Industrienationen übernommen werden können oder ob dezentrale bzw. semizentrale Einheiten die Bereiche Wasser, Abwasser und Energie besser miteinander verbinden. Weltweit sind für die Erstellung und den laufenden Erneuerungsbedarf der Infrastruktur nach Meinung von Analysten jährliche Investitionen von bis zu 290 Mrd.€ notwendig – andere Quellen rechnen sogar mit 480 Mrd.€.

Zur Bewältigung der weltweiten Wasserprobleme dürfen aber auch Organisationsformen und Strukturen nicht außer acht gelassen werden. Europäische Union und der GAT treiben in Europa die Diskussion um die Liberalisierung der Wasser- und Abwasserversorgung voran, obwohl dieser Ansatz in der öffentlichen Diskussion überwiegend kritisch gesehen wird. Unstrittig ist jedoch, dass es — insbesondere in Deutschland — zu einer Konzentration der in der Wasserwirtschaft tätigen Unternehmen kommen wird.

Elektrotechnik eröffnet enorme Potenziale für eine nachhaltige Wasserwirtschaft

Der Beitrag der Elektrotechnik zu einer nachhaltigen Wasserwirtschaft wird häufig unterschätzt. Dabei bieten gerade die Automatisierungs-, Antriebs- und Energietechnik erhebliche Optimierungspotentiale, da die Anlagen der Wasserwirtschaft nach ihrer Fertigstellung eine Lebensdauer von teilweise über 40 Jahren aufweisen. Für die Betreiber — bleiben trotz aller Anstrengungen zur Prozessoptimierung — die Prozessstabilität und die Sicherstellung einer einwandfreien Wasserversorgung bzw. Abwasserentsorgung die wichtigsten Betriebskriterien.

Durch energieeffiziente Antriebssysteme etwa lassen sich nicht nur die Betriebskosten reduzieren, sondern auch die CO2-Emissionen verringern. Insbesondere bei Antrieben mit hoher Betriebsstundenzahl amortisiert sich der Umstieg auf energiesparende Systeme innerhalb kurzer Zeit. Bei der Wahl der richtigen Antriebstechnik ist zu beachten, dass über die gesamte Lebensdauer hinweg nicht der Anschaffungspreis, sondern die Betriebskosten über die Total Cost of Ownership (TCO) entscheiden.

Überdimensionierte Antriebe schlucken zu viel Energie

Fast jeder zweite Antrieb in wassertechnischen Anlagen ist überdimensioniert: Meist stehen die genauen Betriebsbedingungen zum Projektbeginn noch nicht fest, so dass die Antriebe aus Sicherheitsgründen überdimensioniert werden und später in einem Arbeitspunkt laufen, der deutlich vom Optimum abweicht. Weiteres Einsparpotenzial bietet die Optimierung von Durchflussregelungen: Oft werden Pumpen und Gebläse nach traditionellen, mechanisch-orientierten Regelverfahren mittels Drosselklappen oder Bypass gesteuert. In diesen Fällen lassen sich Veränderungen im Bedarf nur durch Verschieben der Anlagenkennlinie ausregeln, die Leistungsaufnahme des Motors ändert sich dabei nur unwesentlich. Die nicht nutzbare hydraulische Leistung fällt als Zusatzverlust an und verursacht neben unnötig hohen Betriebskosten auch noch betriebliche Probleme, zum Beispiel eine häufig nicht gewünschte Erwärmung des Mediums.

Die mögliche Energie-Einsparung durch den Einsatz von Frequenzumrichtern liegt zwischen 30 und 50%. (Archiv: Vogel Business Media)

Im Gegensatz zur Drosselung verändert der drehzahlvariable Betrieb an einem Frequenzumrichter nicht die Anlagen-, sondern die Pumpenkennlinie. Dies bringt Energieeinsparungen zwischen 30 und 50%. Daneben bieten Frequenzumrichter auch mechanische Vorteile: Stromspitzen beim Hochlauf des Motors und starke Momentenstöße können vermieden werden; ebenso wie Druckwellen in Rohrleitungssystemen, Kavitation oder Schwingungen, die Anlagen nachhaltig schädigen können.

Weitere Einsparmöglichkeiten ergeben sich mit Energiesparmotoren der EU-Wirkungsgradklasse EEF1 oder der amerikanischen Norm EPACT. Grundsätzlich amortisiert sich schon bei 2.000 Betriebsstunden pro Jahr ein Energiesparmotor EFF1. Insgesamt ist nach Einschätzung eines vom Umweltbundesamt (UBA) initiierten Projekts zur „Steigerung der Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen“ eine Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs für Kläranlagen der Größenklasse 3 bis 5 von derzeit ca. 35 auf nur noch 18 kWh/EW*a möglich.

Prozess-Automatisierung und -Simulation optimieren den Anlagenbetrieb

Sind bauliche Änderungen an der Anlagentechnik nicht möglich, so lassen sich Kostenreduzierungen nur durch eine intelligentere Fahrweise der Anlage erreichen. Der beste Weg ist, die für diesen Zweck benötigen Funktionen in der Prozess-Automatisierung zu hinterlegen. Gegenwärtig werden dazu einfache Schaltungstabellen eingesetzt, die in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) implementiert werden können. Bis 2030 werden sich Algorithmen durchsetzen, die mit Methoden der mathematischen Optimierung arbeiten und gleichzeitig in das Prozessleitsystem integriert sind. Diese Integration bietet den Vorteil, dass die Berechnungsergebnisse an die unterlagerte Automatisierungsebene durchgereicht werden können und damit ein Vollautomatikbetrieb möglich wird. Ein Beispiel dafür ist die Kanalnetz-Steuerung.

Bündelung von Simulation und Optimierung zur Betriebsunterstützung: So lassen sich ungenutzte Reserven mobilisieren. (Archiv: Vogel Business Media)

Parallel zur Optimierung wird sich die Simulation von Prozessen der Wasserwirtschaft durchsetzen. Mit Hilfe der dynamischen Simulation ist es möglich, das Verhalten einer Anlage im zeitlichen Verlauf nachzubilden, ohne dass die zu untersuchende Verfahrensweise in die Realität umgesetzt werden muss und ohne die Prozessqualität der realen Anlage zu gefährden. Nachdem sich die Simulation bei Großbetreibern als Planungs-Unterstützung weitgehend durchgesetzt hat, geht der Trend nun zur Online-Simulation zur Unterstützung des Betriebs. Kernstück dieser in die Prozessleittechnik der realen Anlage eingebundenen Assistenzsysteme ist eine prozessparallele Simulation, die den Zustand der Anlage sehr zeitnah nachbildet und damit die Basis für Prognosen des künftig zu erwartenden Anlagenverhaltens bildet. Neben den heute bekannten Basismodulen werden für alle Prozess-Stufen leistungsfähige Modellansätze zur Verfügung stehen; ein erster Schritt auf diesem Weg sind integrierte Ansätze im Bereich der Abwasserreinigung, bei denen Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer gemeinsam im Modell abgebildet und im Zusammenspiel simuliert werden.

Da die Prozess-Automatisierung immer stärker über die Leistungsfähigkeit von Anlagen der Wasserwirtschaft entscheidet, wird sich dieser Aspekt ebenfalls in der Simulation wiederfinden. Hybride Modellansätze, die das kontinuierliche Prozessverhalten und die diskontinuierliche Arbeitsweise der Automatisierungsfunktionen vereinigen, werden zu einem Gesamtsystem integriert werden. Damit bietet sich auch die Möglichkeit, das Zusammenspiel von Prozess- und Automatisierungstechnik im Rahmen eines virtuellen Anlagen-Designs sehr frühzeitig im Lebenszyklus einer Anlage zu verifizieren und damit ungenutzte Anlagenreserven zu erschließen.

Standardisierung der Software sorgt für Durchgängigkeit

Im Zuge der Konsolidierung der Marktteilnehmer wird sich der Trend zur Standardisierung in der Automatisierung weiter fortsetzen. Während bisher die Vereinheitlichung der Hardware im Fokus stand, wird dieser Trend künftig auch die System- und Applikations-Software sowie die Schnittstellen erfassen. Um den scheinbaren Widerspruch zwischen Standard- und maßgeschneiderten Branchen-Systemen zu überwinden, fordern die Automatisierungsanbieter zunehmend, Modulbibliotheken für alle in der Wasserwirtschaft benötigten Komponenten kostenfrei anzubieten. In naher Zukunft ist die Verwendung des Industrial Ethernet als standardisiertes Übertragungsprotokoll bei vielen Komponentenlieferanten zu erwarten. Die Verständigung auf Standards schafft die Grundlage für eine vertikale und horizontale Durchgängigkeit, so dass auch komplexere Konfigurationen mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller unproblematisch aufgebaut werden können.

Plant Asset Management auch für verfahrenstechnische Komponenten

Zur Effizienzsteigerung und Vermeidung von Störungen und Anlagenausfällen trägt zunehmend auch die Nutzung von Informationen aus der Prozessleittechnik bei: Im Rahmen des anlagennahen Plant Asset Management (PAM) wird bisher vorwiegend der Zustand von Feldgeräten und Automatisierungs-Komponenten im Sinne der Instandhaltung betrachtet. Ein wesentlich größerer wirtschaftlicher Nutzen für die Betreiber von wasserwirtschaftlichen Anlagen wird erzielt, wenn dieses Konzept auf verfahrenstechnische Komponenten wie Rohrleitungen, Maschinen und Apparate erweitert und zusätzlich auch die „Performance“ im Sinne der Prozessführung analysiert und aktiv beeinflusst wird.

In den kommenden Jahren wird es zu einem starken Marktwachstum für PAM-Systeme kommen. Zum jetzigen Zeitpunkt ist nicht abschließend geklärt, ob die Wasserwirtschaft derartige Funktionen als selbstverständlichen Bestandteil künftiger Prozessleitsysteme betrachtet oder aber bereit ist, solche Systeme als skalierbare Sonderfunktion zu erwerben. Als Standard mit reduziertem Funktionsumfang könnte sich das Condition Monitoring zur Vermeidung von Störungen durch zustandsorientierte Wartung durchsetzen.

Neue Sensorik als Problemstoff-Detektiv

Im Zuge einer in den vergangenen 15 bis 20 Jahren deutlich verbesserten Laboranalytik zeichnet sich als neue Herausforderung für die Abwassertechnik die Entfernung von Problemstoffen wie Arzneimitteln sowie endokrinen und toxischen Stoffen ab. Schon seit längerem wird diskutiert, ob Arzneimittel sowie deren Abbauprodukte und Rückstände eine Gefahr für die Umwelt und damit auch den Menschen darstellen. Arzneimittel gelangen auf verschiedenste Weise in unsere Gewässer: Pro Jahr werden in Deutschland rund 30.000 Tonnen Arzneimittel verabreicht; davon scheidet der Körper bis zu 95% unverändert oder in Form von Abbauprodukten wieder aus. Da die kommunalen Kläranlagen bisher nicht auf die Elimination von Arzneimitteln ausgelegt sind, gelangen diese Stoffe in erheblichen Mengen — dabei allerdings in sehr kleinen Konzentrationen — in die natürlichen Gewässer.

Die Sensibilisierung für die Entfernung dieser Problemstoffe führt auch zu einem steigenden Bedarf für produkt- bzw. produktgruppenspezifische Online-Messverfahren. Da diese neue Analytik-Generation zuverlässig und gleichzeitig preiswert sein soll, können aus heutiger Sicht nur die aus der Medizintechnik bereits bekannten Biosensoren eingesetzt werden. Diese Biosensoren sind Messaufnehmer, die mit immobilisierten biologisch aktiven Systemen arbeiten (z.B. Antikörper, Enzyme, Mikroorganismen). Eine wichtige Rolle werden Biosensoren auch bei der Früherkennung von vorsätzlich ins Trinkwasser eingebrachten toxischen Stoffen haben (Homeland Security).

Auch verfahrenstechnische Innovationen treiben die Wasserwirtschaft voran

Parallel zur Elektrotechnik wird auch die Prozesstechnik zu einem wesentlichen Innovationstreiber für die Wasserwirtschaft. Die absehbaren Prozess-Innovationen dabei sind:

  • Anwendung der Membrantechnik in der Trinkwassergewinnung, Abwasserreinigung und Meerwasserentsalzung (u.a. zur Vorbehandlung);
  • Verfahren zur Reduzierung der Klärschlamm-Mengen;
  • Verfahren zur optimierten Erzeugung und Nutzung von Biogas (z.B. Schlamm-Desintegration, Mikro-Turbinen, Brennstoffzellen, Co-Vergärung);
  • Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem Abwasser bzw. Klärschlamm;
  • Verfahren zur Entfernung von Problemstoffen (z.B. Arzneimittel-Rückstände, Hormone u.ä.);
  • Nutzung von Abwasser als Wärmequelle.

Das Gesicht der Wasserwirtschaft wird sich also bis zum Jahr 2030 deutlich wandeln, die Bedeutung der Automatisierungstechnik wird dabei steigen. Welche Innovationen sich letztlich durchsetzen werden, hängt wesentlich von den politischen Vorgaben ab. Es ist daher die Aufgabe der Automatisierungsindustrie, diesen Prozess aktiv zu begleiten und zu gestalten. Diesem Zweck dient auch das vom Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) und dem Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT) aufgesetzte Projekt zur Erarbeitung einer Technologie-Roadmap mit dem Titel „Trends, Bedarfe und Zukunftsmärkte für die Automation bis 2020+“. Erste Ergebnisse werden für das Jahr 2009 erwartet.

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