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Sind Kläranlagen kommunale Energieschleudern?
Kläranlagen sind im kommunalen Umfeld mit die größten Energieverbraucher. Eine Kläranlage auf Energieeffizienz zu trimmen ist eine recht komplexe Angelegenheit, die eine ganzheitliche Betrachtungsweise voraussetzt. Warum ist das so? Kläranlagen sind heterogene Gesamtsysteme aus verschiedenen Prozessen, Maschinen und Anlagen. Getrieben durch dynamische Parameter, wie Zulaufmengen, behördliche Auflagen und neuen technologischen Möglichkeiten findet auf Kläranlagen ein stetiger Modernisierungsprozess statt. Neben der zunehmenden Automatisierung, der Optimierung der Reinigungsleistung steht hierbei der energieeffiziente Betrieb und damit die Kostenreduktion bzw. der CO2-Fußabdruck der Anlage im Vordergrund.
Einsparpotenzial bestimmen
Grundlage für jede Energieeinsparmaßnahme ist die Kenntnis über den derzeitigen Zustand – der energetischen Ausgangslage – der Anlage. Dafür nötig sind Daten und Erfahrungswerte. Im Falle des Klärwerks Kitzingen war eine breite Datenbasis bereits in der FlowChief Leittechnik vorhanden. Dieser Unterbau hat zudem den Vorteil, dass beliebige Datenquellen angezapft werden können. Neben Messgeräten, Sensoren und Labordaten können so auch Daten von Drittsystemen, Energieversorgern (MSCONS) oder Wetterdiensten ohne Verluste erfasst werden.
Wie sind hier die Erfahrungswerte auf anderen Anlagen? Leitsysteme, Datenbanken (Historian) und Betriebstagebücher sind oftmals bereits vorhanden. Diese Systeme verfügen erfahrungsgemäß nicht über die Möglichkeit eine Energiemanagement in guter Qualität umzusetzen. Das liegt vor allem auch daran, dass ein Energiemanagementlösung wie der Name schon sagt, ein kontinuierlicher, niemals abgeschlossener Prozess ist. Die Parametrierung muss also einfach sein. e-Gem ist eine herstelleroffene Energiemanagement Lösung, die modular mit einer FlowChief Leittechnik oder alternativ als Stand-Alone Lösung mit den bestehenden Lösungen harmoniert. Der Datenaustausch mit Bestandssystemen ist durch Schnittstellen wie OPC UA, MQTT, REST oder auch Dateischnittstellen sehr einfach möglich.
Abbildung 1 Betriebsleiter Jürgen Orth (l.) und FlowChief Energiemanager Tobias Knoll erläutern die Kennwerte der Anlage über ein Dashboard. (Foto: FlowChief)
Mit e-Gem mehr Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung ausnutzen
Das Klärwerk Kitzingen um den Betriebsleiter Jürgen Orth arbeitete bereits seit Jahren an einem möglichst energieautarken Betrieb der Anlage. „Wir haben in vielen Jahren einige Maßnahmen auch ohne Energiemanagementsystem umgesetzt,“ so Jürgen Orth, „nur stießen wir hier immer mehr an unsere Grenzen. Es geht oftmals nicht nur um den absoluten Verbrauch von Aggregaten. Ab einer bestimmten Qualität müssen verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt werden, um wirklich zu wissen, wie effizient die Anlage läuft.“
„Mit e-Gem stehen uns die Energieeffizienz-Kennzahlen der Anlage in Echtzeit zur Verfügung.“
Jürgen Orth, Betriebsleiter Klärwerk Kitzingen
So wurde der Entschluss gefasst mit Unterstützung der Firma FlowChief ein softwaregestütztes Energiemanagement umzusetzen und so weiter an der Optimierung der Anlagen zu arbeiten. Die Software ist nach den aktuellen Anforderungen der ISO 50001:2018 zertifiziert und deckt sich so mit den Anforderungen der Kitzinger Anlage. Die Projektumsetzung durch Spezialisten von FlowChief hat zudem wenig eigene personelle Ressourcen des Klärwerks gebunden.
Abbildung 2 Zählerstruktur im Flussdiagramm mit Verbrauchsmengen, aktueller Einspeiseleistung, Zählerständen und Kosten. Verlustmengen und Schwächen im Messkonzept können so identifiziert werden. Nicht plausible Daten und Grenzwertüberschreitungen werden farblich markiert und können analysiert werden.
Energiebedarf und Abhängigkeiten erfassen
Wichtiger erster Schritt zur Optimierung des Energieverbrauchs ist eine Strukturierung der bestehenden Zähler. Das Abbilden der Zählerhierarchie über Beziehungen zwischen den Zählern, zusammen mit bilanziellen Zählpunkten wie Restmengen, Summen oder prozentualen Verteilungen, stellt die Hauptverbraucher heraus und lässt Schwächen in der Datenerfassung bzw. Verluste im System erkennen. Bereits durch diesen ersten Schritt konnten am Klärwerk Kitzingen Lücken im Messkonzept aufgespürt werden. Mit dem Schließen dieser Lücken werden zukünftig sämtliche Energieflüsse auf der Anlage transparent. In Abbildung 2 ist die Zählerstruktur am Beispiel Strom aufgezeigt. Entsprechend lässt sich die Struktur auch für Wasser-, Wärme- oder auch Schlammmengen bilden.
Kernaspekt der ISO 50001 ist die Identifizierung der Hauptverbraucher (SEU: Significant Energy Users). Ohne eine durchgängige Zählerstruktur ist die Ermittlung und Überwachung dieser Hauptverbraucher nicht möglich. Erst ein Verknüpfen der Zähler macht deutlich, wo diese energieintensiven Prozesse liegen. Eine anschauliche Darstellung, welche die Zählerstruktur mit den Mengen zusammenführt, ist das Sankey-Diagramm, welches in e-Gem für online und Archivwerte genutzt werden kann.
Abbildung 3 Identifizierung der Strom SEUs (Significant Energy Use) mit dem Sankey-Diagramm
Kennzahlen für einfache Leistungsvergleiche
Hauptziel bei der Einführung eines Energiemanagement ist die Verbesserung der Energieeffizienz. Um die Maßnahmen zur energetischen Optimierung zu bewerten sind die absoluten Verbräuche von Aggregaten und Anlagenteilen nur bedingt aussagekräftig. Starkregenereignisse, Trockenperioden, Kofermente sind dynamische Parameter mit direktem Einfluss auf die Prozesse innerhalb des Klärwerks. Besonders die komplexen biologischen und verfahrenstechnischen Zusammenhänge auf Kläranlagen erfordern die Berücksichtigung dieser Parameterwerte bei der Bewertung der Energieeffizienz. Einen Ansatz hierzu liefert das Arbeitsblatt A216 der DWA. Die hier vorgeschlagenen Kennzahlen lassen sich mit Standard-Funktionen von e-Gem darstellen und ermöglichen so ein belastbares Benchmarking unter Berücksichtigung der verschiedenen Anlagenzustände und Einflusswerte. Vergleichbar werden die Kennzahlen durch Bezug auf den Einwohnerwert (EW-Wert). Dieser Wert bildet sich aus dem Zufluss zur Anlage und dem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB-Konzentration). An dieser Stelle kommt auch in Kitzingen der Vorteil der Kombination mit dem Leitsystem zum Tragen. Der Zufluss zur Anlage liegt im Leitsystem bereits, als automatisiert erfasste Datenreihe vor. Um aus diesen Mengen den EW-Wert zu ermitteln, müssen die CSB-Messungen, welche als 24-h Labormessungen vorliegen, mit den Zuflussmengen verrechnet werden. Dafür war in der Vergangenheit noch ein nachgeschaltetes Excel-Tool nötig. Die Abbildung der Funktion in e-Gem erspart den Mitarbeitern Zwischenschritte, die Zeit in Anspruch nahmen und zusätzliche Fehlerquellen darstellten.
Das DWA A-216 liefert einen guten Ansatz, um die Energieeffizienz der eigenen Anlage einzuordnen. Eine tiefergehende Analyse auf Teilprozess- oder Aggregatsebene erfordert jedoch Werkzeuge, um relevante Einflussfaktoren zu ermitteln und dann unter Berücksichtigung dieser Einflussfaktoren die Entwicklung der Energieeffizienz zu bewerten und im laufenden Betrieb zu überwachen.
Über x/y Korrelationen, wie in Abbildung 4, lassen sich Zusammenhänge zwischen verschiedenen Werten im laufenden Betrieb im Dashboard darstellen. Abweichungen vom Regelbetrieb können so einfach erkannt werden. Im Beispiel wird der Verbrauch der Aggregate über der Fördermenge des Einlaufhebewerks aufgetragen. Der Anlagenbetreiber spart sich damit die Zeit mehrere Messreihen nebeneinander zu legen und sieht auf Anhieb, ob ein Eingreifen nötig ist. Für tiefergehende Analysen, die grafisch nicht mehr darstellbar sind, steht auch ein Tool zur Regressionsanalyse zur Verfügung. Damit können die Einflüsse mehrerer Faktoren auf den Energieverbrauch ermittelt und bewertet werden.
Damit erfüllt die Software einen weiteren zentralen Punkt der ISO 50.001. Die Ermittlung und Berechnung von Energieleistungskennzahlen mit mehrere Einflussfaktoren sind Bestandteil der ergänzenden Richtlinie ISO 50.006.
Abbildung 4 Ausreißer im Stromverbrauch des Einlaufhebewerks können sehr einfach über eine X/Y Korrelation erkannt werden.
Grafischen Aufarbeitung der Daten im Dashboard
Entscheidend für den Erfolg des Energiemanagements ist es, Informationen in der richtigen Form an die richtigen Stellen zu visualisieren. Mit einem flexiblen Berichtswesen und individuell konfigurierbarer Dashboards bietet e-Gem mächtige Werkzeuge, die intuitiv und einfach konfiguriert werden können. Besonders die Dashboards bieten auf Kläranlagen den Mehrwert komplexe Zusammenhänge zwischen einzelnen energierelevanten Prozessgrößen anschaulich darzustellen. Besonders beim meist größten Einzelverbraucher der Kläranlage, der Belebung, müssen verschiedene Prozessgrößen in Kombination betrachtet werden. Erst dadurch ist es möglich zu bewerten, ob der maximale Drucksollwert berechtigt war, oder ob eine Nachjustierung in der Steuerung der Belebungsgebläse nötig ist.
Abbildung 5 Ausreißer im Drucksollwert! Visualisiert mit einer Heatmap – Jürgen Orth bei der Ursachenforschung in der Gebläsestation.
Mit e-Gem ist es möglich jeden Prozess, jedes Aggregat und jede Teilanlage zu monitoren und auf Energieeffizienz zu überwachen. Kennwerte wie Pumpenarbeitspunkte, Wirkungsgrade, BHKW Auslastungen oder Lastspitzen können in Echtzeit visualisiert werden. Berechtigte Mitarbeiter des Klärwerks sind jederzeit im Stande sich individuelle Dashboards zu diesen Zusammenhängen zu erstellen.
Ein Umsetzungsbeispiel für die Wärmeerzeugung und den BHKW Betrieb: Wärme fällt in Kläranlagen oft als Abfallprodukt an. Mit e-Gem wird im Klärwerk Kitzingen dargestellt welcher Anteil der Wärme aktuell über die Notkühler vernichtet werden muss und wann in der Vergangenheit besonders hohe Wärmevernichtungsgrade zu beobachten waren. Diese Daten sind elementar für mögliche zukünftige Projekte wie z.B. die Trocknung von Klärschlamm.
Abbildung 6 Wärmevernichtungsgrad – Aktuell, und im Zeitlichen Verlauf pro Blockheizkraftwerk.
Abbildung 7 Monitoring des thermischen und elektrischen Wirkungsgrads der Blockheizkraftwerke auf Knopfdruck. Die Effizienz des BHKW Betriebs kann so gut überwacht werden.
„Wir werden spätestens 2023 ein neues, gut regelbares BHKW als zusätzlichen Energieerzeuger im Klärwerk einbinden. Im Moment erarbeitet ein Ingenieurbüro dafür ein Energiekonzept. e-Gem ist für uns eine wertvolle Datenbasis für diese Dimensionieren.“
Eines steht bereits fest: Mit dieser Investition wird für das Klärwerk Kitzingen der energieautarke Betrieb in greifbare Nähe rücken.