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DWA-A 216
Energieanalysen
Dipl.-Ing. Stefan Koenen
TUTTAHS & MEYER
Energie - ein Thema für die Wasserwirtschaft
• Steigende Energiekosten
• Abnehmende Energieressourcen
• Klimawandel
Bund-Länder-AG
„Energieeffizienz der kommunalen Abwasserbeseitigung
einschließlich Klärschlammbehandlung“
• Kriterien und Bezugsgrößen?
• Optimum, bestmögliche Effizienz?
• Vergleichbarkeit von Untersuchungen?
Energie - ein Thema für die Politik
Ausgangslage
• Anleitungen zur Senkung des Energieverbrauchs
auf Kläranlagen
• Leitfaden „Senkung des Stromverbrauchs auf Kläranlagen“
(DWA-Landesverband Baden-Württemberg 2008, (1999)
• „Energie in ARA“ - Bundesamt für Energie, Schweiz 2008, (1994)
• Handbuch „Energie in Kläranlagen“
MURL (heute MUNLV) NRW (1999)
• „Energieoptimierung von Kläranlagen“ in
Benchmarking in der Abwasserentsorgung Wien (2002)
• Bestandsaufnahmen
• „Stromverbrauch auf kommunalen Kläranlagen“, LfU (1998)
• „Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen“
UBA (2008) etc.
Auftrag der Bund-Länder-AG an die DWA
Entwicklung eines bundeseinheitlichen Instruments
zur Energieanalyse von Abwasseranlagen
Gründung der Arbeitsgruppe
„Energieanalysen von Abwasseranlagen“
Mitglieder
Dr. agr. Stefanie Budewig DWA (seit 2011)
Dipl.-Ing. Klaus Fricke Umweltbundesamt
Dipl.-Ing. Bernd Haberkern Ing.-Büro iat, Darmstadt
Dipl.-Ing. Peter Jägermann EG / Lippeverband
Dipl.-Ing. Andrea Kaste MKULNV, Düsseldorf, Sprecherin
Dipl.-Ing. Beat Kobel Ryser Ingenieure, Bern
Dipl.-Ing. Stefan Koenen TUTTAHS & MEYER Ing.-GmbH, Bochum
Dr.-Ing. Ralf Mitsdörffer Ing.-Büro GFM, München
Dr.-Ing. Henry Riße FIW an der RWTH Aachen
Dipl.-Ing. Peter Schmellenkamp HanseWasser Bremen GmbH
Dipl.-Biol. Sabine Thaler DWA (bis 2011)
Dr.-Ing. Dieter Thöle Ruhrverband stellv. Sprecher
Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen FH Gießen
Grundsätze
• Die Verbesserung der Energieeffizienz darf
dem eigentlichen Zweck der Abwasserbeseitigung
mit dem Ziel des Gewässerschutzes nicht
zuwiderlaufen.
• DEN Energieverbrauch als einheitliches
Ziel für alle gibt es nicht.
Inhalte / Geltungsbereich
• Energieanalyse von Abwasseranlagen
Abwasserbehandlung
Abwasserableitung
Aber: Datengrundlagen für RW-Behandlung
und Kanalnetz kritisch
• Verwendung von Kennwerten, Bezugsgrößen
• Anforderungen an Datenmaterial und Beteiligte
• Energiecheck und Orientierung
• Energieanalyse
• Instrumente der Erfolgskontrolle
• Berechnungsansätze zur Ermittlung des Stromverbrauches
Energiecheck 1
• Grobe Einschätzung der energetischen
Situation
• Kontinuierliche einfache Positions-
bestimmung durch den Betreiber
• Verwendung weniger, einfach zu
ermittelnder Kennwerte
• Aussagekraft über die zeitliche
Entwicklung von Kennwerten
• Erkennung von Defiziten und
Handlungsbedarf
Energiecheck 2
• Spezifischer Stromverbrauch Gesamt eges [kWh/(E · a) ]
• Spezifischer Stromverbrauch Belüftung eB [kWh/(E · a) ]
• Spezifische Faulgasproduktion eFG,1 [lN/(E · d) ]
eFG,2 [lN/kg oTR ]
• Grad der Faulgasumwandlung in Elektrizität NFG [% ]
• Eigenversorgungsgrad Elektrizität VE [% ]
• Spezifischer externer Wärmebezug eext [kWhtherm/(EW · a)]
• Spezifischer Stromverbrauch PW ePW,1 [kWh/(m³ · m)]
Energiecheck 3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
eB [kWh/E*a]
Spezischer Stromverbrauch Belüftung eB [kWh/E*a]
Un
ters
chre
itu
ngs
häu
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eit [
%]
0
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0 10 20 30 40 50 60
Grad der Faulgasumwandlung in Elektrizität NFG [%]
NFG [%]
Unt
ersc
hrei
tung
shäu
figke
it [%
]
• Erste Orientierung durch Relation der Kennwerte mit
Häufigkeitsverteilungen
• Daten in den kritischen Randbereichen der Verteilungen
deuten auf Optimierungspotenzial hin
• Beantwortung der Frage nach dem „Warum?“ muss erfolgen
Datengrundlage Orientierung
• Datenquellen
o DWA-Erhebungsbogen
o Impulsprogramm Hessen
o Benchmarking der aquabench GmbH
o aktuelle Länderabfragen Schleswig-Holstein, NRW, BW, Bayern
• Datendichte für Gesamtstromverbrauch am größten (n ~ 3.500)
• Datendichte für die übrigen Kennzahlen deutlich geringer (n ~ 100)
keine Unterscheidung nach Größenklassen möglich
• Bezugsgröße problematisch
~
~
Bezugsgröße Einwohnerwert
• Mittlere, tägliche CSB-Schmutzfracht (ohne
Berücksichtigung der internen Rückbelastungen)
bezogen auf die spezifische CSB-Fracht von
120 g / (E • d).
• Unschärfe (120 g / (E • d) ist kein Mittelwert) wird
(weiterhin) akzeptiert, um Vergleichbarkeit mit
bestehenden Datenerhebungen beizubehalten.
Potenziale
• Implementierung der Kennwerte des Energiechecks
in die Prozessleitsysteme
kontinuierliche Bewertung des energetischen
Anlagenbetriebes möglich
• Zielvorstellung:
kontinuierliche Erfassung von Kennwerten
zur Erhöhung der Datendichte, z.B. über
DWA-Abfrage
Energieanalyse – Vorgehen
• Bestandsaufnahme des Istzustandes
o Ergebnisse des Energiechecks
o Ortsbegehung
o Anlagen- und Verfahrensbeschreibung
o Erstellung Aggregateliste
o Leistungsmessung bis 90 % der Gesamtleistung
o Auswertung der Betriebsdaten
o zusätzliche Datenerhebung bzw. Messungen
o Festlegung der Systemgrenzen der Betrachtung
Energieanalyse – Vorgehen
• Bestandsaufnahme des Istzustandes
• Energiebilanz des Istzustandes
o geschlossene Energiebilanz
(Verbrauchermatrix)
o Abgleich mit realem
Stromverbrauch
Anhang B: Beispielhafte VerbrauchermatrixA B D E F = D * E G
Nennleistung
des Motors
(gemessene)
Wirkleistung
bei Volllast
Mittlere
Wirkleistung
(bei geregelten
Aggregaten) 1)
Betriebs-
stundenStromverbrauch
Plausibilitätskontrolle
aus anderen
Berechnungen 2)
Bemerkungen
Bezeichnung UV BJ AKZ kW kW kW h/a kWh/a kWh/a
Zulauf 209.044 212.000
Zul.Schneckenpumpe 1 6 1998 Z103-1 30,0 24,0 18,5 2.126 39.331
Zul.Schneckenpumpe 2 6 1998 Z103-2 30,0 24,0 18,5 6.551 121.194
Zul.Schneckenpumpe 3 6 1998 Z103-3 45,0 36,0 27,0 604 16.308
Zul.Schneckenpumpe 4 6 1998 Z103-4 45,0 36,0 27,0 1.193 32.211
Rechen 17.090
Feinrechen 1 7 2005 R110-1 1,5 1,2 1,2 390 468
Feinrechen 2 7 2005 R110-2 1,5 1,2 1,2 606 727
Doppelförd. 1 Feinr 7 2005 R112-1 0,8 0,6 0,6 1.380 828
Sandfang 102.887
Sandfangräumer 1 7 2005 S130-1 0,7 0,5 0,5 3.595 1.869
Sandfangräumer 2 7 2005 S130-2 0,7 0,5 0,5 3.706 1.927
Sandfanggebläse 1 7 2005 S132-1 12,0 9,6 8,9 4.679 41.643 FU Gebläse auf 45 Hz
Sandfanggebläse 2 7 2005 S132-2 12,0 9,6 8,9 4.651 41.394
Belebung 2.232.493 2.215.667
Turboverdichter 1 10 2007 135,0 108,0 100,5 1.969 197.885
Turboverdichter 2 10 2007 253,0 202,4 189,5 6.757 1.280.452
Turboverdichter 3 10 2007 163,0 130,4 112,0 0 0
Drehkolbengebläse 10 1998 110,0 88,0 81,0 0 0
Gebläse 1 5 1998 45,0 36,0 33,5 0 0
Summe 4.327.241
Aggregat
2) z.B. aus Berechnung der Förderarbeit bei Pumpwerken, eigenen Stromzählern der Aggregate oder der Unterverteilungen
1) z.B. Auswertung von PLS-Ganglinien zum Teillastverhalten (Frequenz von FU, geförderte Durchflüsse) oder von Regelalgoritmen
Mittl. Wirkleistung
aus Messung bei
mittlerem Durchfluss
Energieanalyse – Vorgehen
• Bestandsaufnahme des Istzustandes
• Energiebilanz des Istzustandes
• Bestimmung der anlagenspezifischen Idealwerte
o keine Ermittlung eines Grenzwertes
o Ermittlung von wesentlichen Einflussfaktoren
o Ansatz von spezifischen Idealwerten für vorhandene
Maschinen- und Anlagentechnik
Was könnte die bestehende Anlage unter
den vorhandenen Randbedingungen erreichen?
o Nachrechnung der Belebungsanlage als maßgeblichen
Stromverbraucher
Energieanalyse
Verfahrensschritt /
Verbraucher
Berechnungsansätze zur Ermittlung des
Stromverbrauchs, Fixwerte
E = Jahresenergieverbrauch [kWh/a]
Optimale Werte und
Wertebereiche
Wesentliche Einflussgrößen für
Energieeffizienz
Hinweise
Räumer
(Sandfang, VKB,
NKB)
E =P t
P = Energiebedarf [kW]
t = Laufzeit [h/a]
PRäumer: 0,3- 1,0 kW /Becken
Laufzeit
Anzahl Becken
Räumerwiderstand
Zusätzlich montierte Aggregate (z.B.
Pumpen, Sprüheinrichtungen,
Laufbahnbeheizungen) müssen separat
betrachtet werden
[Handbuch Energie in Kläranlagen]
Rührwerke/
Umwälzung ,
(Denitrifikation,
Anaerobbecken)
E=VB•espe•t / 1000
espe=spezifischer Energiebedarf [W/m³]
VB=Volumen umgewälztes Becken [m³]
t = Laufzeit [h/a]
VBecken espe [W/m3] > 2.000 m3 1,5
> 1.000-2000 m3 2 - 1,5
≥ 500 – 1.000 m3 2,5 – 2
≥ 200 – 500 m3 4 – 2,5
Rührwerkstyp, Anzahl
Rührwerke, Beckenvolumen
und -geometrie, Laufzeit
[DWA Baden-Württemberg]
bzw.
[Handbuch Energie in Kläranlagen, Bild 3-
27, S. 133]
Umwälzung
Faulbehälter
E = VFB · espez.. ·365 d
espe=spezifischer Energiebedarf [Wh/(m³·d)]
VFB =Volumen Faulbehälter [m³]
100 Wh/(m3Faulbehälter ·d)
bzw.
4-7 W/m3Faulbehälter
Schraubenschaufler,
Umwälzung mit
außenliegenden Pumpen
[Roediger/Kapp, 1990]
[Energiehandbuch, Bild 3-30, S. 141]
[DWA-Handbuch Schlammbehandlung Bild
4.3.3-9, S.197]
Schlammfaulung E=espe•QFS
espe=spezifischer Energiebedarf [kWh/m3]
QFS= Faulschlammmenge [m3/a]
Abschätzung Modellanlage
Energiehandbuch NRW:
1,6 – 2,3 kWh/m3Faulschlamm
Schlammmenge (TS-Gehalt
des Rohschlammes)
Krälwerk,
Heizschlammpumpen,
Umwälzpumpen
Faulraumvolumen
Bei Faulräumen hängt die Energieeffizienz
von der Art der Umwälzung (außen liegende
Pumpen, Rührwerk, Gaseinpressung) ab
[Handbuch Energie in Kläranlagen,
S. 75]
Überschuss-
schlammein-
dickung
E=espe•QÜS
espe=spezifischer Energiebedarf [kWh/m³ÜS]
QÜS= Überschussschlammmenge [m³/a]
espe= 0,2 - 0,4 kWh/m³
(Siebband/Siebtrommel)
espe= 0,5 – 1,3 kWh/m³
(Zentrifuge)
espe= 0,8 – 1,6 kWh/m³
(Entspannungsflotation)
Schlammanfall
TS-Gehalt ÜS-Schlamm
Aggregatetyp
[Handbuch Energie in Kläranlagen, S. 71
bzw. S.72 ]
Berechnungsansätze zur Bestimmung des anlagenspezifischen Idealwertes
Energieanalyse
Verfahrensschritt /
Verbraucher
Berechnungsansätze zur Ermittlung des
Stromverbrauchs, Fixwerte
E = Jahresenergieverbrauch [kWh/a]
Optimale Werte und
Wertebereiche
Wesentliche Einflussgrößen für
Energieeffizienz
Hinweise
Räumer
(Sandfang, VKB,
NKB)
E =P t
P = Energiebedarf [kW]
t = Laufzeit [h/a]
PRäumer: 0,3- 1,0 kW /Becken
Laufzeit
Anzahl Becken
Räumerwiderstand
Zusätzlich montierte Aggregate (z.B.
Pumpen, Sprüheinrichtungen,
Laufbahnbeheizungen) müssen separat
betrachtet werden
[Handbuch Energie in Kläranlagen]
Rührwerke/
Umwälzung ,
(Denitrifikation,
Anaerobbecken)
E=VB•espe•t / 1000
espe=spezifischer Energiebedarf [W/m³]
VB=Volumen umgewälztes Becken [m³]
t = Laufzeit [h/a]
VBecken espe [W/m3] > 2.000 m3 1,5
> 1.000-2000 m3 2 - 1,5
≥ 500 – 1.000 m3 2,5 – 2
≥ 200 – 500 m3 4 – 2,5
Rührwerkstyp, Anzahl
Rührwerke, Beckenvolumen
und -geometrie, Laufzeit
[DWA Baden-Württemberg]
bzw.
[Handbuch Energie in Kläranlagen, Bild 3-
27, S. 133]
Umwälzung
Faulbehälter
E = VFB · espez.. ·365 d
espe=spezifischer Energiebedarf [Wh/(m³·d)]
VFB =Volumen Faulbehälter [m³]
100 Wh/(m3Faulbehälter ·d)
bzw.
4-7 W/m3Faulbehälter
Schraubenschaufler,
Umwälzung mit
außenliegenden Pumpen
[Roediger/Kapp, 1990]
[Energiehandbuch, Bild 3-30, S. 141]
[DWA-Handbuch Schlammbehandlung Bild
4.3.3-9, S.197]
Schlammfaulung E=espe•QFS
espe=spezifischer Energiebedarf [kWh/m3]
QFS= Faulschlammmenge [m3/a]
Abschätzung Modellanlage
Energiehandbuch NRW:
1,6 – 2,3 kWh/m3Faulschlamm
Schlammmenge (TS-Gehalt
des Rohschlammes)
Krälwerk,
Heizschlammpumpen,
Umwälzpumpen
Faulraumvolumen
Bei Faulräumen hängt die Energieeffizienz
von der Art der Umwälzung (außen liegende
Pumpen, Rührwerk, Gaseinpressung) ab
[Handbuch Energie in Kläranlagen,
S. 75]
Überschuss-
schlammein-
dickung
E=espe•QÜS
espe=spezifischer Energiebedarf [kWh/m³ÜS]
QÜS= Überschussschlammmenge [m³/a]
espe= 0,2 - 0,4 kWh/m³
(Siebband/Siebtrommel)
espe= 0,5 – 1,3 kWh/m³
(Zentrifuge)
espe= 0,8 – 1,6 kWh/m³
(Entspannungsflotation)
Schlammanfall
TS-Gehalt ÜS-Schlamm
Aggregatetyp
[Handbuch Energie in Kläranlagen, S. 71
bzw. S.72 ]
Berechnungsansätze zur Bestimmung des anlagenspezifischen Idealwertes
• Modellierung des Gesamtstromverbrauches über
Abbildung einzelner Verfahrensgruppen / Anlagenteile
• Ermittlung des anlagenspezifischen Idealwertes durch
Modellierung optimaler Werte für die einzelnen
Verfahrensschritte unter Berücksichtigung
unveränderbarer Randbedingungen
• Abbildung von Optimierungsmaßnahmen durch
Modifizierung von Kennwerten und Wertebereichen
Energieanalyse
A B C D E=A/D F=A-D
Verfahrensschritt Stromverbrauch spez. Strom-
verbrauch
Anteil am
Gesamt-
verbrauch
Anlagen-
spezifischer
Idealwert
Ist-Wert /
anlagenspez.
Idealwert
Einsparpotenzial
- kWh/a kWh/(EW*a) % kWh/a (oder
kWh/(E*a)) % kWh/a
Einlaufhebewerk 209.044 2,43 4,83 182.062 115% 26.982
Rechen, inkl. Rechenwaschgutpresse 17.090 0,20 0,40 11.280 152% 5.811
Sandfang, belüftet 106.887 1,24 2,47 80.073 133% 26.814
Vorklärung, einschl. Rohschlammpumpwerk 8.540 0,10 0,20 7.797 110% 743
mechanische Reinigung 341.560 3,97 7,90
Biologie Belüftung/Gebläse 1.478.336 17,19 34,18 1.067.184 139% 411.152
Biologie Umwälzung 352.197 4,10 8,14 295.141 119% 57.056
Rezirkulation 83.779 0,97 1,94 87.717 96%
Rücklaufschlamm 257.565 2,99 5,96 213.006 121% 44.559
Biofilter ohne Belüftung - 0,00 0,00 0
Biofilter Belüftung 980.162 11,40 22,66 594.958 165% 385.204
Biologische Reinigung insgesamt 3.152.039 36,65 72,88
Nachklärung, inklusive Überschussschlammpumpen 57.545 0,67 1,33 53.057 108% 4.489
Fällmitteldosierung 42.954 0,50 0,99 41.407 104% 1.546
Abwasserreinigung gesamt 3.594.098 41,79 83,11
Voreindickung (Krälwerk, Zerkleinerer) 20.878 0,24 0,48 15.011 139% 5.867
maschinelle ÜSS Entwässerung 106.796 1,24 2,47 108.184 99%
Schlammstabilisierung 99.898 1,16 2,31 87.810 114% 12.088
statische Nacheindickung 19.014 0,22 0,44 14.242 134% 4.773
Kammerfilterpresse 73.496 0,85 1,70 74.231 99%
Schlammbehandlung 320.081 3,72 7,40
Sonstiges 410.537 4,77 9,49 143.000 287% 267.537
SUMME 4.324.717 50,29 100,00 2.933.160 1.391.557
Gegenüberstellung des erwarteten Stromverbrauchs zum Ist-Zustand
Optimierungsmaßnahmen
• Erst verfahrenstechnische Optimierung,
dann elektrotechnische Maßnahmen entwickeln
• Priorisierung
o Sofortmaßnahmen
o kurzfristige Maßnahmen
o abhängige Maßnahmen
Invest + Betriebskosten kontra Einsparungen
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nach LAWA über Jahreskosten
Dynamik der Einsparpotentiale
S K2 K1 A
Th
eo
reti
sc
he
Ein
sp
aru
ng
Spez.
Energieverbrauch
[kWh/(EW·a)]
Dynamik der Einsparpotentiale
S K2 K1 A
Pra
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Ein
sp
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ng
Spez.
Energieverbrauch
[kWh/(EW·a)]
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DWA-Arbeitsblatt
A 216 ·
21.09.2012
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Laufradform
Motorform
Einschaltart
Antriebsystem
Wirkungsgrad
Nutzungsgrad
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DWA-Arbeitsblatt
A 216 ·
21.09.2012
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24 Leitungsführung
Laufradform
Motorform
Einschaltart
Antriebsystem
Wirkungsgrad
Nutzungsgrad
Müssen wir eigentlich pumpen?
Energieanalyse = Verfahrenstechnische Analyse!
Fazit
Es bleibt …
SPANNEND!
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
www.tuttahs-meyer.de
