Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem ... · PDF fileMit dem Forschungsvorhaben EWave...

Click here to load reader

  • date post

    18-Sep-2018
  • Category

    Documents

  • view

    215
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem ... · PDF fileMit dem Forschungsvorhaben EWave...

  • RWW Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH Frderkennzeichen: 02WER1323C Vorhabenbezeichnung: Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem Wasserversorgung Methodenentwicklung und prototypischer Einsatz eines integrierten Managementsystems fr die energie- und ressourcenoptimierte Planung und Betriebsfhrung, Teilprojekt 3 Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2014 30.06.2017 ___________________________________________________________________

    Seite 1 von 61

    Schlussbericht

    KURZEDARSTELLUNG 3I.

    I.1 AUFGABENSTELLUNG 3I.2 VORAUSSETZUNG,UNTERDENENDASVORHABENDURCHGEFHRTWURDE 3I.3 PLANUNGUNDABLAUF 4I.4 ANKNPFUNGANDENWISSENSCHAFTLICHENUNDTECHNISCHENSTAND 5I.4.1 WISSENSCHAFTLICHERSTAND 5

    I.4.2 TECHNISCHERSTAND 6

    I.5 ZUSAMMENARBEITMITANDERENSTELLEN 7

    EINGEHENDEDARSTELLUNG 8II.

    II.1 VERWENDUNGDERZUWENDUNGUNDDESERZIELTENERGEBNISSESIMEINZELNEN 8II.1.1 EINLEITUNG 8

    II.1.2 ZIELEUNDUNTERSUCHUNGSGEGENSTNDE 9

    II.1.3 GRUNDLAGEN 12

    II.1.4 VORARBEITENVONRWW 21

    II.1.5 ZUSAMMENHNGENDEERGEBNISSE 22

    II.1.6 ZUSAMMENFASSUNG 48II.1.7 AUSBLICK 49

    II.2 WICHTIGSTENPOSITIONENDESZAHLENMIGENNACHWEISES 50II.3 NOTWENDIGKEITUNDANGEMESSENHEITDERGELEISTETENARBEIT 51II.4 NUTZENUNDVERWERTBARKEITDESERGEBNISSESIMSINNEDESFORTGESCHRIEBENENVERWERTUNGSPLAN52II.4.1 WIRTSCHAFTLICHERERFOLG 52

    II.4.2 WISSENSCHAFTLICHERERFOLG 52

    II.4.3 WISSENSCHAFTLICHEUNDWIRTSCHAFTLICHEANSCHLUSSFHIGKEITEN 53

    II.5 FORTSCHRITTAUFDEMGEBIETDESVORHABENSBEIANDERENSTELLEN 53II.6 VERFFENTLICHUNGDESERGEBNISSES 55II.7 LITERATURVERZEICHNIS 56

  • RWW Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH Frderkennzeichen: 02WER1323C Vorhabenbezeichnung: Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem Wasserversorgung Methodenentwicklung und prototypischer Einsatz eines integrierten Managementsystems fr die energie- und ressourcenoptimierte Planung und Betriebsfhrung, Teilprojekt 3 Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2014 30.06.2017 ___________________________________________________________________

    Seite 2 von 61

    BERICHTSBLATT 58III.

    DOCUMENTCONTROLSHEET 59IV.

    ANHANG 60V.

  • RWW Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH Frderkennzeichen: 02WER1323C Vorhabenbezeichnung: Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem Wasserversorgung Methodenentwicklung und prototypischer Einsatz eines integrierten Managementsystems fr die energie- und ressourcenoptimierte Planung und Betriebsfhrung, Teilprojekt 3 Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2014 30.06.2017 ___________________________________________________________________

    Seite 3 von 61

    Kurze Darstellung I.

    I.1 Aufgabenstellung

    Die Anforderungen an die Trinkwasserversorgung in Deutschland haben in den letzten Jahren stetig zugenommen: Whrend in den vergangenen Jahrzehnten die sichere Versorgung der Bevlkerung mit qualitativ hochwertigem Trinkwasser im Vordergrund stand, fhren steigende Energiepreise sowie die von der Bundesregierung beschlossene Energiewende dazu, dass zustzlich der effiziente Einsatz von Energie sichergestellt werden muss. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) bewegen sich folglich in einem Spannungsfeld, da trotz steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz die Qualitt des Trinkwassers und die sichere Versorgung weiterhin prioritr einzuhalten sind. Mit dem Forschungsvorhaben EWave sollen die Grundlagen fr die Entwicklung von innovativen Konzepten und Managementstrategien zur energieeffizienten Betriebsfhrung im Bereich der Wasserwirtschaft ermittelt werden. Dies wird am Beispiel eines kommunalen Wasserversorgungsunternehmens (WVU) in ein von einem breiten Anwenderkreis nutzbares Managementinstrumentarium berfhrt. Die Wasserversorgung selbst ist vielen Randbedingungen unterworfen, die sich aus dem Versorgungs- und Qualittsanspruch an das Lebensmittel Trinkwasser gepaart mit wasserrechtlichen, verfahrenstechnischen, betrieblichen und betriebswirtschaftlichen sowie energiewirtschaftlichen Aspekten ergeben. Die Lsung dieses multidimensionalen Optimierungsproblems zur Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz stellt die Wasserversorgung vor groe, derzeit noch nicht umfassend bearbeitete Herausforderungen. In der Konsequenz richten bisher viele WVU ihre Betriebsfhrung nur an Qualitt und Versorgungssicherheit aus, whrend die Energieeffizienz in den Hintergrund tritt. Obwohl es insbesondere bei greren WVU groe Anstrengungen gibt, stehen wiederverwendbare Anstze fr multimodale Assistenzsysteme zur Planungs- und Betriebsuntersttzung und die anschlieende Verbreitung in der gesamten Wasserversorgung in Deutschland noch aus.

    I.2 Voraussetzung, unter denen das Vorhaben durchgefhrt wurde

    Das Verbundprojekt "EWave - Energiemanagementsystem Wasserversorgung" ist der BMBF-Frdermanahme "Zukunftsfhige Technologien und Konzepte fr eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft (ERWAS)" im Rahmen des BMBF-Frderschwerpunktes "Nachhaltiges Wassermanagement NaWaM" unter der Projekttrgerschaft des PTKA angegliedert.

  • RWW Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH Frderkennzeichen: 02WER1323C Vorhabenbezeichnung: Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem Wasserversorgung Methodenentwicklung und prototypischer Einsatz eines integrierten Managementsystems fr die energie- und ressourcenoptimierte Planung und Betriebsfhrung, Teilprojekt 3 Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2014 30.06.2017 ___________________________________________________________________

    Seite 4 von 61

    Fr das Verbundprojekt wurde eine Projektlaufzeit von 36 Monaten, vom 01.04.2014 bis zum 31.03.2017, angesetzt. Aus unterschiedlichen Grnden wurde die Projektlaufzeit um drei Monate bis zum 30.06.2017 verlngert. Die von den Partnern in Vorprojekten erarbeiteten Ergebnisse flossen hier ein. Seitens der akademischen Partner waren dies Beitrge zu Algorithmen und Lsern fr die Simulations- und Optimierungsrechnungen. Siemens und die Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH (RWW) brachten einen Prototyp auf Basis der Siemens-Inhouse-Software CoSMOS (siehe Stand der Technik) ein, die auf abstrakter Ebene die hydraulischen Komponenten des Wasserwerkes Kettwig (nur Trinkwasserpumpen) und der angeschlossenen Rohrleitungen simulierte. Dieser Prototyp fr Kettwig motivierte dazu, einen beispielhaften Use Case fr die konzeptuelle Planung eines Wassernetzes aus hydraulischer und energetischer Sicht zu erstellen. So sollten simulative Studien und What-if-Szenarien ermglicht werden, welche den Druck im Verteilnetz bercksichtigen und die virtuelle Implementierung frequenzgeregelter Pumpen erlauben. Zustzlich sollte eine Evaluierung eines Lastmanagements zwischen dem Pumpenbetrieb und Energieverbrauchern aus den vorgelagerten Prozessen der Wassergewinnung und aufbereitung erfolgen. Daraus ergaben sich unmittelbar weitere Use Cases. Betriebsuntersttzend sollte das Assistenzsystem eine Vorausschau ber die kommenden Zustnde im Verteilnetz berechnen und unter den Randbedingungen der kostenbewerteten Energiebereitstellung einen optimierten Fahrplan vorschlagen. Die genaue Definition und Ausarbeitung dieser und weiterer Use Cases bildeten die ersten Arbeitspunkte im Forschungsvorhaben, denen sich dann die im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens stehende Erforschung aller skizzierten Teile des EWave Assistenz- und Managementsystems anschlossen.

    I.3 Planung und Ablauf

    Im Arbeitspaket 1 (AP1) wurden federfhrend durch die RWW die Anforderungen der Wasserversorgung zusammengetragen. In diesem Zusammenhang waren branchenspezifische Kennzahlen zu erarbeiten. Zustzlich wurden Workshops mit Wasserversorgungsunternehmen durchgefhrt, um bereits gesammelte Erfahrungen bzgl. Managementsystemen sowie des energieeffizienten Anlagenbetriebes auszutauschen. Damit der Fortschritt des Projektes sowie erste erzielte Ergebnisse prsentiert werden

  • RWW Rheinisch-Westflische Wasserwerksgesellschaft mbH Frderkennzeichen: 02WER1323C Vorhabenbezeichnung: Verbundprojekt EWave: Energiemanagementsystem Wasserversorgung Methodenentwicklung und prototypischer Einsatz eines integrierten Managementsystems fr die energie- und ressourcenoptimierte Planung und Betriebsfhrung, Teilprojekt 3 Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2014 30.06.2017 ___________________________________________________________________

    Seite 5 von 61

    konnten, fanden die Workshops begleitend ber den gesamten Projektzeitraum statt. Das Arbeitspaket 1 endete somit erst mit dem Projektende. Zudem wurden im AP 1 die bereits umfangreich verfgbaren Betriebsdaten auf Grund der Projektanforderungen sinnvoll um weitere Datenpunkte ergnzt. Hierzu wurden bereits in einem frhen Projektstatus neue Sensorik im Wasserwerk sowie im Versorgungsgebiet verbaut. Im Arbeitspaket 2, welches federfhrend von der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg betreut wurde, wurden aufbauend auf der von der RWW bereitgestellten Datenbasis zwei Simulationsmodelle sowie eine Trinkwasserbedarfsprognose erstellt. Die Simulationsmodelle stellen zum einen das Wasserwerk und zum anderen das Verteilungsnetz dar. Parallel zum Arbeitspaket 2 begann im Arbeitspaket 3 die TU Darmstadt damit, die dynamischen Simulations- und Optimierungsmodelle fr Transportvorgnge in der Wasserverteilung, unter modularer Bercksichtigung von verfahrenstechnischen Anlagen der Wasserversorgung, zu erforschen. Ein besonderes Augenmerk lag hierbei auf der praktischen Notwendigkeit einer Echtzeitoptimierung unter Einbeziehung von Schaltvorgngen. Im Arbeitspaket 4 wurden federfhrend durch die FAU-CO, Echtzeitoptimierungen in die Simulation integriert. Zustzlich sollte eine Kopplung der unterschiedlichen Optimierungsmethoden mglich sein. Im Anschluss an die Kopplung aller einzelnen Komponenten war eine bergreifende Architektur mit einer zugehrigen grafischen Benutzeroberflche (GUI) fr das Assistenzsystem vorhanden. Das 5. Arbeitspaket