Projektbeschreibung

Wasseraufbereitungsanlage auf dem Sipplinger Berg

Das Forschungsprojekt enWasser befasst sich mit der Stromversorgung für den Betrieb von überörtlichen Wasserversorgungssystemen und Fernwasserversorgungssystemen. In dem interdisziplinären Verbundprojekt der Förderinitiative ERWAS wird untersucht, wie der Stromverbrauch mit erneuerbaren Energien gedeckt und an ihrer Erzeugung ausgerichtet werden kann beziehungsweise welche Maßnahmen im Wasserversorgungssystem ergriffen werden müssen. Dazu dient exemplarisch die Trinkwasserförder- und Aufbereitungsanlage des Zweckverbands Bodensee-Wasserversorgung.Der Fokus des Verbundvorhabens richtet sich auf Wasserspeicherkapazitäten und alle weitere Maßnahmen zur Herstellung der Speicherfähigkeit. Mit Wasserspeicherkapazitäten kann die Anpassungsfähigkeit des Pumpstromverbrauchs hergestellt und zeitlich vom Wasserbedarf entkoppelt werden. Mit der Erschließung eines derartigen Lastmanagementpotenzials können eigene oder fremde Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien genutzt und die Volatilität der Strommarktpreise ausgenutzt werden.

Hochbehälter Büttnau am Eingang des Albstollens

Die Speicherung größerer Mengen von Roh- oder Reinwasser in einem Wassersystem aus energetischen Gründen stellt dabei eine neue Herausforderung dar, die im Kontext bisheriger Wasserspeicherlösungen nicht Stand der Technik ist. Bisher dienen Wasserreservoirs der Sicherstellung der Wasserversorgung. Künftig könnten Wasserspeicher ähnlich wie ein Pumpspeicherwerk genutzt werden. Der Lösungsansatz des Verbundvorhabens liegt zwischen den Anforderungen der Wasserversorgung und der energiewirtschaftlichen Nutzung. Bei der Dimensionierung und Nutzung von Wasserspeichern sind der energiewirtschaftliche Nutzen, mögliche Qualitätsänderungen des Wassers, der bauliche Aufwand und die technischen Möglichkeiten der Betriebsmittel zu beachten. Das Ziel des Vorhabens ist es, eine fundierte Basis für die energie- und wasserwirtschaftliche Bewertung der Lastmanagementpotenziale in großen Wassersystemen und ihre Erschließung herzustellen. Durch einen interdisziplinären Ansatz werden die Anforderungen aus unterschiedlichen Sichtweisen definiert und die Lastmanagementpotenziale entsprechend bewertet.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Entwicklung von Energieversorgungskonzepten für die Speisung des Wasserversorgungssystems der Bodensee-Wasserversorgung und Versorgungssystemen mit ähnlichen Herausforderungen. Darin enthalten sind Maßnahmen zur Umsetzung eines Lastmanagements mit den Förderpumpen und die entsprechende Dimensionierung von Wasserspeicherkapazitäten. Damit soll eine weitgehende Stromversorgung aus erneuerbaren Energien für den Betrieb des Wasserversorgungssystems realisierbar werden. Die Konzepte werden mittels Szenarien der zukünftigen Energieversorgung betriebswirtschaftlich bewertet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Untersuchung der notwendigen technischen Maßnahmen an den Anlagen zur Umsetzung eines variablen Betriebs in Abhängigkeit der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien. Insbesondere die Anforderungen an die Wasseraufbereitung bei einer Speicherung auf verschiedenen Aufbereitungsstufen sowie die Fördertechnik werden dabei eingehend untersucht. Es werden integrierte Anlagenkonzepte entwickelt, die die Randbedingungen der Fördertechnik, der Rohrleitungen, der Wasseraufbereitung und der Speicherkapazitäten und entsprechende Maßnahmen beinhalten. Im Rahmen einer Vorplanung werden die Kosten für die entwickelten Maßnahmen geschätzt. Im Rahmen einer Simulation des Anlageneinsatzes im Jahresverlauf werden die Anlagenkonzepte mit Energieversorgungskonzepten auf ihren energiewirtschaftlichen Nutzen hin geprüft. Dafür werden Modelle der Anlagen entwickelt, die im zeitlichen Verlauf der Stromversorgung, der Wasserverfügbarkeit und der Wasserentnahme im Verteilnetz den Einsatz optimieren. Die Maßnahmen zum Lastmanagement und zur Energieversorgung mit erneuerbaren Energien werden daraufhin im Rahmen der Strom- und Wasserversorgung hinsichtlich ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses sowie der Risiken bewertet.



Ergebnisse

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Anlagen zur Wasserversorgung allein durch eine flexible, Börsenpreis-orientierte Fahrweise (im Gegensatz zu einer Strombeschaffung nach HT/NT) Kostenersparnisse am Spotmarkt generieren können. Eine Senkung des maximalen Strombedarfs zu Hochlastzeiten führt zu einer Senkung der zu entrichtenden Netznutzungsentgelte und erlaubt so weitere Kostenersparnisse (atypische Netznutzung). Eine Möglichkeit dieses Einsparpotenzial darüber hinaus zu steigern ist ein Zubau an Speichervolumen. Ein Rohwasserspeicher ermöglicht auf Grund seiner Pufferwirkung die Entkopplung der stromintensiven Rohwasserförderung von der Trinkwasseraufbereitung und -abgabe. Somit kommt es einerseits zu einer weiteren Kostenreduktion am Spotmarkt. Andererseits wird die Voraussetzung geschaffen, den Pumpbetrieb zeitweise einzustellen und so den maximalen Strombedarf zu Hochlastzeiten noch stärker abzusenken. Hierbei führen kleine Speichererweiterungen zu den größten marginalen Kosteneinsparungen. Die Behälteruntersuchungen ergaben, dass bereits ein Rohwasserspeicher mit der bautechnisch minimalen Größe ein deutliches Flexibilitäts- bzw. Kosteneinsparpotenzial erlaubt. Geringere Kosteneinsparungen sind durch die Erweiterung von Zwischenspeichern oder durch die Errichtung eines Kontaktbehälters zu erreichen. Die durch Speicherzubau zu erzielenden Kosteneinsparung bei der Strombeschaffung liefert in allen Fällen einen Deckungsbeitrag zu den Investitionskosten. Eine vollständige Amortisation ist unter den derzeitigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen nicht möglich. Ein Speicherausbau muss somit mit der Versorgungsaufgabe begründet sein. Zudem ergeben sich durch eine Rohwasserspeicherung qualitative und betriebliche Verbesserungen in der Förderung und Aufbereitung.

Die Untersuchungen wurden für die Anlage des Zweckverbands Bodensee-Wasserversorgung durchgeführt. Am Beispiel des Jahres 2014 ergeben sich folgende zu empfehlende Maßnahmen zur Flexibilisierung der Anlage: Auf Basis der historischen Day-Ahead-Spotmarktpreisen sind allein durch einen optimierten Betrieb Kostenersparnisse bei der Strombeschaffung in Höhe von knapp 3 % (Vergleich mit realen Strombeschaffungskosten 2014 nach HT/NT) zu erzielen. Die Lastmanagementmaßnahmen ermöglichen eine Reduktion der maximalen Last innerhalb der Hochlastzeitfenster auf 9 MW ohne und 2 MW mit zusätzlichem Rohwasserspeicher. Ein Volumen von 40.000 m³ besitzt dabei das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis. Unter Einbezug von Netzspeicherkapazitäten kann ebenfalls eine Reduktion der Strombezugskosten am Spotmarkt erwirkt werden.

Anlagenschema der Bodensee-Wasserversorgung
Kosteneinsparpotenzial aufeinander aufbauender Maßnahmen gegenüber historischem Betrieb 2014

Insgesamt führen die beschriebenen Maßnahmen, wie in der Abbildung dargestellt, zu einer simulierten Kosteneinsparung von knapp 6 % im Jahr 2014, verglichen mit den tatsächlich angefallenen Strombeschaffungskosten. Dies entspricht einem Kosteneinsparpotenzial von 917.000 €.

Projektdaten

Laufzeit 01.05.2014 - 30.04.2017
Auftraggeber BMBF
Förderkennzeichen 02WER1316A
Fördermaßnahme ERWAS (Energie- und ressourcenschonende Wasserwirtschaft)
Konsortium Fraunhofer IEE, Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung, Capgemini Consulting, Universität Stuttgart Institut für Strömungsmechanik und hydraulische Strömungsmaschinen (IHS)
Projektleitung Fraunhofer IEE


Projektpartner

Projektleitung:
Fraunhofer IEE

Dipl.-Ing. Patrick Hochloff
Telefon: +49 561 7294-214
Patrick.Hochloff@iee.fraunhofer.de
Königstor 59
34119 Kassel
Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung

Dipl.-Ing. Matthias Weiß
Telefon: +49 711 9732218
Matthias.Weiss@zvbwv.de
Capgemini Consulting

Dr. Jörg Katzfey
Telefon: +49 151 4025 2031
Joerg.Katzfey@capgemini.com
Universität Stuttgart, Institut für Strömungsmechanik und hydraulische Strömungsmaschinen (IHS)

Dr. Albert Ruprecht
Telefon: +49 711 68563256
Ruprecht@ihs.uni-stuttgart.de