Technologie und Produkte

Online-gestützte Energiebedarfsanalyse zur Sicherstellung einer energieeffizienten Trinkwasserversorgung

Ein großer Kostenfaktor und Auslöser für erhebliche CO2-Emissionen in der Trinkwasserversorgung ist der hohe Bedarf an elektrischer Energie. Dieser ist zum einen zurückzuführen auf die Förderung des Wassers mittels Pumpsystemen von der Rohwasserressource, über die Aufbereitung bis hin zum Endverbraucher. Zum anderen können aber auch einzelne energieintensive Aufbereitungsverfahren (z.B. Ozongeneratoren, Gebläse etc.) wesentlich zum Energiebedarf beitragen. Deshalb ist es wichtig, auf energieeffiziente Aggregate und Systeme zu setzen.

Das übergeordnete Projektziel ist daher die Entwicklung einer online-gestützen Energiebedarfsanalyse für die Wassergewinnung und -aufbereitung in einem als Beispiel ausgewählten Wasserwerk.

Fallstudie zum Einsatz verschiedener Online-Analysensysteme zur betrieblichen Überwachung der Trinkwasseraufbereitung

Das Trinkwasser in Deutschland ist im internationalen Vergleich von herausragender Qualität, und die Erwartungen sind entsprechend hoch. Die Folgen des Klimawandels, demografische Veränderungen, Fachkräftemangel und geändertes Konsumentenverhalten stellen die Wasserversorgung somit vor große Aufgaben. Geeignete Strategien und Maßnahmen und der Einsatz moderner Technologien sind notwendig, um auch zukünftig die hohe Qualität des Trinkwassers zu erhalten.

TRINKcontrol widmet sich verschiedenen Fragen der Online-Betriebsüberwachung in der Trinkwasseraufbereitung. Neben einer Literaturrecherche werden die Erfahrungen, die Wasserversorgungsunternehmen bereits mit der Online-Überwachung gesammelt haben, zusammengetragen.

Anschließend werden ausgewählte innovative Methoden der Mikrobiologie in mehreren Wasserwerken praktisch getestet und ausgewertet. Daraus werden Vor- und Nachteile gegenüber standardmäßig eingesetzten Messungen sowie Aussagen zur zukünftigen Nutzung von neuronalen Algorithmen sowie zur Qualitätssicherung von Online-Analysegeräten abgeleitet.

Vermeidung hygienischer Risiken bedingt durch steigende Temperaturen im Netz mittels Nährstofflimitierung

Der Klimawandel wird in den kommenden Jahrzehnten erhöhte Sommertemperaturen sowohl im Oberflächenwasser, das zur Trinkwasseraufbereitung genutzt wird, als auch in den Böden der Innenstädte, in denen die Trinkwasserleitungen verlegt sind, bewirken. Die Trinkwassertemperatur im Netz, in dem aufbereitetes Oberflächenwasser verteilt wird, unterliegt schon jetzt großen jahreszeitlichen Schwankungen zwischen 5 und 25 °C und teilweise auch darüber und entspricht dann nicht mehr den Anforderungen des technischen Regelwerkes an die Temperatur des kalten Trinkwassers in der Hausinstallation.

Erhöhte Trinkwassertemperaturen im Verteilungsnetz im Sommer können zu einem erhöhten hygienischen Risiko führen. In dem Vorhaben soll das Konzept geprüft werden, ob durch eine Limitierung der im Verteilungsnetz verfügbaren organischen Nährstoffe die Aufkeimung von Bakterien vermieden werden kann – auch bei erhöhten Wassertemperaturen. Folglich sollte eine Minimierung des Nährstoffeintrags aus der Aufbereitung ins Netz über das gesamte Jahr angestrebt werden. Zusätzliche Sicherheit gegen hygienische Risiken bietet die Vermeidung weiterer Temperaturerhöhungen des Trinkwassers im Netz, die im Extremfall zu „Hotspots“ führen können. Die Bearbeitung des Projekts teilt sich entsprechend in die Teile „Nährstoffe und Mikrobiologie“ und „Modellierung der Trinkwassertemperatur“ auf.

Der mikrobiologische Projektteil beinhaltet die Untersuchungen des AOC (assimilierbarer organischer Kohlenstoff) und der Mikrobiologie sowohl in der Aufbereitung als auch im Netz. Mehrere Arbeitspakete beinhalten die Verfolgung der AOC-Abbauleistung im Verlauf von zwei Aufbereitungsanlagen im Sommer und im Winter, die Messung des Einflusses der Netzbedingungen auf den AOC und auf die Mikrobiologie im Netz sowie die Untersuchungen an modellbasierten Hotspots im Netz.

Die Modellierung der Trinkwassertemperatur erfolgt unter Berücksichtigung der Eingangstemperatur und der Verweilzeit des Trinkwassers im Netz, der Leitungsumgebung (Bodenart) und des Energietransports sowohl im Boden als auch im Trinkwasser und des Energieaustausches zwischen Boden und Trinkwasser in der Leitung. Das Konzept beinhaltet die Berechnung der leitungsnahen Bodentemperatur mit einem dreidimensionalen Energietranssportmodell, eine hydraulische Modellierung mit gekoppelter Wärmetransport-modellierung zur Berechnung der Trinkwassertemperaturen im Leitungsnetz und eine Visualisierung der Trinkwassertemperatur in den Leitungen samt Risikodarstellung für Hotspots.
Projektziel ist die Entwicklung eines bereichsübergreifenden Lösungsansatzes für temperaturbedingte hygienische Probleme im Netz und damit verbundene Kosten.

Sonnenburg und Fiedler (2022) Ein kleinskaliges, räumliches Bodentemperaturmodell zur Wärmestromberechnung in Trinkwasserleitungen. gwf-Wasser ׀ Abwasser 04, S. 57-66

Eignung der Ultrafiltration in der Hausinstallation, um eine hygienisch sichere Absenkung der Solltemperaturen für die Warmwasserzirkulation mit entsprechender Energieeinsparung zu ermöglichen

Der sparsame und effiziente Umgang mit natürlichen Ressourcen ist Voraussetzung für eine nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Reduktion von Treibhausgasemissionen sowie der Schutz von Wasserressourcen.

Für das Erreichen der Klimaschutzziele im Gebäudesektor sind die Nutzung aller verfügbaren regenerativen Wärmequellen und der Ausbau von Wärmenetzen erforderlich. Es bestehen nach heutigem Stand der anerkannten Regeln der Technik aus trinkwasserhygienischen Gründen (abgestellt auf Legionella spp.) die Anforderungen, in Großanlagen zur Trinkwassererwärmung am Austritt des Trinkwassererwärmers eine Temperatur von 60 °C bereit zu stellen und das Zirkulationssystem bei mindestens 55 °C zu betreiben. Dieses Temperaturniveau erschwert den Einsatz von regenerativen Wärmeerzeugern und die Realisierung von niedrig temperierten Wärmenetzen. Bei den hier angestrebten Tests für die Wirkung der Ultrafiltration (UF) in verschiedenen Einbaupositionen der Hausinstallation von neuen und entsprechend sanierten Bauten soll eine Temperaturabsenkung um bis zu 15 K erschlossen werden.

Zusammen mit (hier nicht untersuchten) technischen Lösungen für den Gebäudebestand ergäbe sich allein für den Bilanzraum Gebäude ein Treibhausgasminderungspotential von bis zu 20 Mio. tCO2/a. Dies bedeutet eine Senkung des heutigen CO2-Ausstoßes für die Trinkwassererwärmung um bis zu 22 %.

Das Projekt baut auf den Erkenntnissen des vorangegangenen Forschungsprojekts EE+HYG@TWI auf.

Vorträge des IWW Kolloquiums “Trinkwasserhygiene und Energieeffizienz
– ein Widerspruch?” | 20. Juni 2024

1_IWW-Kolloquium_Karin-Ruehling_Teil1_Einleitung.pdf

2_IWW-Kolloquium_Martin-Hippelein.pdf

3_IWW-Kolloquium_Andreas-Nocker.pdf

4_IWW-Kolloquium_Benjamin-Meyer.pdf

5_IWW-Kolloquium_Andreas-Nahrstedt.pdf

6_IWW-Kolloquium_Karin-Ruehling_Teil2_Zusammenfassung.pdf

Zusammenfassung des Projekts “ULTRA-F”

2405115_Zusammenfassung_ULTRA_F.pdf

Fachartikel

Meyer, B. , Pannekens, M., Soares, A. R. , Timmermann, L. , Probst, A. J., Hippelein, M., Bendinger, B. and Nocker, A. (2023) Bacterial populations in different parts of domestic drinking water systems are distinct and adapted to the given ambient temperatures, Front. Water, Volume 5

https://doi.org/10.3389/frwa.2023.1119951 (open access)

Analyse und Erarbeitung notwendiger Maßnahmen zur Absenkung der Trinkwarmwassertemperatur in NT-Versorgungssystemen

Im Gebäudesektor gewinnt der Anteil an Energie, der für die herkömmliche Erwärmung des Trinkwassers aufgewendet werden muss, aufgrund der Verbesserung des Gebäudeenergie­standards und sinkender Vorlauftemperaturen für Heizungen stetig an Bedeutung. Die Absenkung der Trinkwarmwasser (TWW)-Temperatur und neue Methoden zur Trinkwassererwärmung(TWE) stellen eine Herausforderung der Energiewende dar und können durch verstärkte Nutzung Erneuerbarer Energien maßgeblich zur Dekarbonisierung des Wärmesektors beitragen.

Unter Berücksichtigung der Ziele der Energiewende gilt es, Optimierungs- und Einsparpotenziale bei der TWW-Bereitstellung (z. B. durch Transformation und Sektorenkopplung) zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Temperatur des bereitgestellten Warmwassers steht dabei in einem Spannungsfeld zwischen Energieeffizienz, Hygiene und Komfort.

Der dezentralen und bedarfsorientierten TWE mit reduziertem Systemvolumen wird dabei ein großes Potenzial zugeschrieben. Bei niedrigen Versorgungstemperaturen besteht allerdings die Gefahr, dass eingetragene pathogene Mikroorganismen nicht abgetötet werden. Für dezentrale TWE-Systeme gibt es wegen des kleinen nachgeschalteten Leitungsvolumens mit schnellem Wasseraustausch keine Anforderungen an die minimale Temperatur zur Vermeidung des Legionellenwachstums. Die Kontamination einer Trinkwasser-Installation mit Legionellen stellt jedoch eine mögliche Gefahr für die menschliche Gesundheit dar.

Gesamtziel

Das Gesamtziel des Verbundvorhabens ist die Identifizierung und Analyse notwendiger Maßnahmen zur gezielten Absenkung der TWW-Temperatur, um den vermehrten Einsatz regenerativ-basierter Trinkwassererwärmung in dezentralen Niedertemperatur-Versorgungssystemen hygienisch sicherzustellen. Dazu bearbeitet das Konsortium folgende Teilbereiche:

• Thermohydraulische Simulation und messtechnische Untersuchungen
• Bewertung durch Multi-Kriterien-Analyse
• Messung, Umsetzung und Demonstration zukunftsweisender Maßnahmen im Feld
• Überprüfung der Übertragbarkeit der Ergebnisse (Validierung)
• Erstellung eines Maßnahmenkatalogs/Leitfadens und Fortschreibung des normativen Rahmens

Das IWW übernimmt hierbei den Part der hygienisch-mikrobiologischen Bewertung von dezentralen Niedertemperatur-Versorgungssystemen in realen Gebäuden und entwickelt in einer Versuchsanlage innovative und effiziente Maßnahmen der Trinkwassererwärmung zur Vermeidung des Legionellenwachstums.

Das Projekt will die Hürden für den Einsatz von Membranverfahren in der Trinkwasseraufbereitung beseitigen.

Bei NF/UO-Prozessen entstehen unterschiedliche Konzentratmengen mit einer entsprechend höheren Konzentration der abgetrennten Stoffe, inklusive von Antiscalants (überwiegend Phosphonate und Carboxylate). Alle Entsorgungswege für die Konzentrate (Direkt- oder Indirekteinleitung) sind Bestandteil der Anlagengenehmigung mit Zustimmung der zuständigen Wasserbehörden.

In den letzten Jahren wird die Einleitung von Konzentraten in ein Gewässer durch die zuständigen Genehmigungsbehörden zunehmend kritisch betrachtet, insbesondere wenn die Konzentrate naturfremde anthropogene Spurenstoffe inklusive der zugesetzten Aufbereitungsstoffe oder Nährsalze in hohen Konzentrationen enthalten. Da die Verweigerung der Einleitgenehmigung für die Konzentrate in der Regel dem Aus der NF/UO gleichkommt, sind Lösungen gefragt, die den Einsatz dieser innovativen und mit vielen Vorteilen versehenen Technologie in der Trinkwasseraufbereitung langfristig sichern.

Weitere Informationen

IWW (2019): KonTriSol – Membranverfahren in der Trinkwasserversorgung ermöglichen. gwf-Wasser|Abwasser 11|2019

Tuczinski M. et al.: Status quo: verfahrenstechnische Optionen. Bericht zu Arbeitspaket 1, 2021.