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Erste Phase des Projektes: Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur deutlichen Reduzierung der Gewässerbelastung

Die itwh GmbH wurde mit der Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur Emissionsverringerung von Gewässern betraut. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Regelungskonzepten, mit denen der Kläranlagenzufluss bei Regenereignissen als Stellgröße flexibel an die verfügbaren Kläranlagenkapazitäten angepasst werden kann. Somit könnten vorhandene Abwassersysteme gesamthaft effizienter genutzt und die Emissionen aus dem Kanalnetz in die Gewässer verringert werden. Um die in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU, 2000) vorgegebene Zielsetzung der guten ökologischen Gewässerqualität erreichen zu können, ist als Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft eine Betriebsoptimierung des gesamten Abwassersystems nötig. Die itwh GmbH führt in dem geplanten Forschungsprojekt in dieser ersten Phase Untersuchungen zur Identifikation der Mess- und Regelungsgrößen durch, mit denen der bei Regenwetter stark schwankende Zufluss aus dem Einzugsgebiet an die hydraulische Kapazität und an die verfügbare Reinigungsleistung angepasst werden kann. Die Messgrößen müssen eine zuverlässige Vorhersage des Verhaltens der Kläranlage in Abhängigkeit des Zuflusses ermöglichen. Zum Einsatz kommt ein beim itwh entwickeltes Fuzzylogic-basiertes Regelungstool, das die wesentlichen Messdaten der Kläranlage über verbal formulierte Regeln als Störgrößen einbezieht. Weitergehende Modellansätze liefern darüber hinaus Prognose-Störgrößen, um durch den Zeitgewinn die Sicherheit der Regelung zu optimieren. Die Auswertung vorliegender Messdaten führt zu Erkenntnissen hinsichtlich kritischer Prozesse bei Mischwasser und werden genutzt, um Konzepte zur Regelung des Mischwasserzuflusses zu entwerfen. Dabei kommen empirische und halbdeterministische Ansätze zum Einsatz. Aufgrund der hohen Komplexität geeigneter deterministischer Modelle wird die hydraulische Kapazität der Nachklärung nur durch empirisch ermittelte Steuerfunktionen (Regression oder Fuzzyregeln) beschrieben. Die itwh GmbH untersucht die Umsetzbarkeit und den ökologische Nutzen einer Steuerung des Zuflusses zur Kläranlage am Beispiel der simulativen integrierten Lastfallstudie Chemnitz. Dazu wird ein gekoppeltes Modell von Kanalnetz (Hystem-Extran-Güte, itwh) und Kläranlage (ifak) erstellt. Die Modellkopplung und Steuerung wurde durch das Programm itwh-Control realisiert. Mit dem Gesamtmodell werden die Emissionen in das Gewässer von Kanalnetz und Kläranlage für fünf Regenereignisse unterschiedlicher Intensität und Dauer ermittelt. Durch die Erhöhung des zulässigen Zuflusses wird eine Reduzierung der emittierten Gesamtfracht ermittelt, ohne dass es zu einer Überschreitung der zulässigen Ablaufgrenzwerte kam. Bei schwachen, lang anhaltenden Ereignissen wird die Emission um bis zu 23% reduziert und leistet einen deutlichen Beitrag zur Umweltentlastung. (Text gekürzt)

Einrichtung einer stationaeren Sauerstoffanreicherungsanlage fuer die Saar

Zweck und Ziel: Aufgrund der Modellrechnungen zum Sauerstoffhaushalt der Saar ist bei der Planung vorsorglich eine stationaere Sauerstoffanreicherungsanlage vorgesehen. Die soll als zusaetzliche Massnahme zum Eintrag von Sauerstoffgas bei besonders kritischen Verhaeltnissen eingesetzt werden. Im Hauptbelastungsbereich unterhalb von Voelklingen ist das Oberwasser der Staustufe Lisdorf besonders gefaehrdet. Dort bietet sich eine stationaere Sauerstoffanreicherungsanlage nach dem Blasenverfahren an, da parallel zur Saar eine Sauerstoffleitung liegt. Ausfuehrung: 1. Erprobung von Filtermaterial; 2. Dimensionierung der anlage aufgrund der Sauerstoff- und Abflussverhaeltnisse; 3. Ueberwachung der Baudurchfuehrung; 4. Erprobung und Optimierung der Anlage sowie Erstellung einer Betriebsanleitung. Ergebnisse: Fuer die Sauerstoffanreicherungsanlage nach dem Blasenverfahren wurden mehrere Filtermaterialien auf ihre Eignung untersucht. Die Dimensionierung der Anlage wurde aufgrund der Sauerstoff- und Abflussverhaeltnisse in den gewaesserkritischen Zeiten ausgelegt. Im Abstand von 10 m sind insgesamt 20 Filterschlaeuche quer zur Fliessrichtung auf der Flusssohle verlegt. Jeder Zugang eines Filterschlauches ist mit einem Absperrschieber versehen und an einer Sammelleitung angeschlossen. Gespeist wird diese von der Sauerstoffentnahmestation, die am Ufer der Saar hochwasserfrei von der Betreiberfirma der Gasleitung gebaut wurde. Nach ersten Erprobungen wurde die stationaere Sauerstoffanreicherunganlage im Jahre 1988 bereits an 47 Tagen eingesetzt.

Simulation des Regelverhaltens von Fernwaermenetzen 'SR'

Das Forschungsvorhaben ist Teil eines Verbundprojektes mit dem Titel 'Bessere Ausnutzung von Fernwaermeanlagen', das vom BMBF und sieben deutschen Fernwaermebetreibern finanziert wird. Ziel des Verbundprojektes ist es, Methoden und Software zu entwickeln, um den laufenden Betrieb einer Fernwaermeanlage so zu steuern, dass die wirtschaftlich guenstigste Loesung hinsichtlich Waermeerzeugung und Verteilung erreicht wird. Die fuer die Betriebsoptimierung erforderlichen Regeleingriffe der Steuertechnik und Leittechnik fuehren zu hydraulisch und thermisch instationaeren Zustaenden in der Anlage. Beispiele fuer optimierte Fahrvorschlaege sind: - gleitende Netzfahrzweisen, - Lastumlagerung zwischen Erzeugeranlagen, Nutzung industrieller Abwaerme, - Netzspeicherung, Netztrennung. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das instationaere Regelverhalten von Fernwaermenetzen zu analysieren. Das Regelverhalten eines Fernwaermenetzes ist die Reaktion des Netzes und seiner regelbaren Komponenten auf planmaessige Betriebsaenderungen und Stoerfaelle. Die hierfuer erforderliche Modelltechnik, einschliesslich der numerischen Methoden, wird im Rahmen des Projektes weiterentwickelt und in Software umgesetzt.

Einrichtung und Betrieb einer Sauerstoffanreicherungsanlage in einem Wasserkraftwerk

Zweck und Ziel: Bei der Einfuehrung der Abflussregelung des Mains hat die WSV dafuer zu sorgen, dass der Mindestsauerstoffgehalt an der Stauhaltung der WSV-Wasserkraftwerke mindestens 5 g/m3 betraegt. Nach den kontinuierlich gemessenen Sauerstoffwerten der letzten 5 Jahre ist dies nicht immer gewaehrleistet und daher eine kuenstliche Sauerstoffanreicherung erforderlich. Nach den Erfahrungen und Untersuchungen der BfG soll ein Sauerstoffanreicherungssystem geschaffen werden, welches nachtraeglich in Wasserkraftwerke eingebaut werden kann. Dabei wird ein optimaler und moeglichst kostenguenstiger Betrieb der Anlage angestrebt. Ausfuehrung: 1. Datenerhebung von Sauerstoffmesswerten; 2. Ermittlung von Grundlagen (Modellversuche) fuer die Sauerstoffanreicherungsanlage; 3. Dimensionierung der Anlage aufgrund der Datenerhebung; 4. Aufstellen eines genehmigungsfaehigen Entwurfes und Beratung bei der Ausschreibung; 5. Durchfuehrung eines Messprogrammes zur Erprobung und Optimierung der Anlage, sowie Erstellung einer Betriebsanleitung. Ergebnisse: Fuer die Dimensionierung der Sauerstoffanreicherungsanlagen in den WSV-Wasserkraftwerken Eddersheim und Griesheim wurden die kontinuierlichen Sauerstoffmessungen der LfU von der BfG aufbereitet. Der nachtraegliche Einbau dieser Anlagen machte es erforderlich, ein voellig neues Eintragssystem zu entwickeln, was mit geringem Wartungsaufwand und guenstigen Betriebskosten betrieben werden kann. Hierfuer wurden von der BfG ausfuehrliche Grundsatzuntersuchungen im Modellmassstab durchgefuehrt. Nach den Untersuchungsergebnissen und Berechnungen ist die Anlage konzipiert worden und kann vollautomatisch betrieben werden. Dem

Bidirektionale Flexibilität durch Flottenkraftwerke in und um Unternehmen, Teilvorhaben: Bidirektionale Funktionalität innerhalb des Eichrechts

Optimierung des bestehenden Verbrennungssystems der Siemens Energy Gas Turbine 4000F für den sicheren Betrieb mit Wasserstoffanteil größer als 50%vol zur CO2-Emissionsreduktion

Die Siemens Energy SGT5/6-4000F Gasturbine ist mit über 350 weltweit betriebenen Anlagen - und damit der zweitgrößten Gasturbinen Flotte größer als 100MW überhaupt - ein wichtiges Produkt bei der gasbasierten Stromerzeugung. Ziel dieses Projektes ist es, den 4000F Brenner bis 2026 so weiterzuentwickeln, dass der Betrieb der Gasturbine mit Gasmischungen größer als 50% vol H2 ohne Leistungsabsenkung ermöglicht wird. Die Lösung soll vollständig kompatibel zur installierten 4000F Flotte auf Basis des bestehenden Verbrennungssystems sein, d.h. erforderliche Anpassungen dürfen nur geringfügige Modifikationen darstellen, um eine wirtschaftliche Umrüstung für die Betreiber zu ermöglichen. Der derzeitige Status bzgl. hoher H2-Anteile ( größer als 30%) ist mit TRL2 zu bewerten. Abschluss des Projekts soll ein Review gemäß des Produktentwicklungsprozesses sein, so dass eine vollständige Freigabe des Prototypen-Designs zur Maschinenimplementierung für die Erstanwendung erfolgt.

Skalierbarkeit von Großkollektoranlagen und KNW-Netzen, Teilvorhaben: Operative Begleitung des wissenschaftlichen Monitorings und Umsetzung von Maßnahmen zur Betriebsoptimierung

Das Forschungsvorhaben KNW-Opt II vereint die Lösungsansätze der beiden bundesweit größten kollektorbasierten Kalten Nahwärmenetze (KNW) 'Bad Nauheim Süd' und 'Soester Norden'. Mit Hilfe von wissenschaftlichen Monitorings werden wichtige übertragbare Erkenntnisse für die Planung, den Bau und den Betrieb komplexer kollektorbasierter KNW-Systeme gewonnen. Diese werden im Rahmen des Wissenstransfers für die breite Anwendung verfügbar gemacht. Es werden Softwarelösungen erarbeitet, validiert und bereitgestellt. Im Vorgängerprojekt KNW-Opt wurde in 'Bad Nauheim Süd' ein wissenschaftliches Monitoring implementiert und erste Optimierungen umgesetzt. Diese Arbeiten werden in KNW-Opt II weiter fortgeführt und ergänzend Agraranalysen an diesem Standort durchgeführt. Zudem werden die Untersuchungen durch Aufbau eines wissenschaftlichen Monitorings am aktuell größten kollektorbasierten KNW-Netz im 'Soester Norden' erweitert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus KNW-Opt hierfür genutzt. Die beiden Leuchttürme dienen zudem der Entwicklung einer KNW-Energy-Cloud sowie einem KNW-Real-Time-Twin, mit deren Hilfe die Übertragbarkeit auf andere KNW-Netze im Neubau aber auch Bestand ermöglicht werden soll. Um die Marktdurchdringung zu beschleunigen, erfolgt der Wissens- und Technologietransfer durch die Einbindung der wichtigsten Branchenverbände schon während der Projektlaufzeit. Im Teilvorhaben der Stadtwerke Bad Nauheim GmbH (SWBN) soll das bestehende Monitoringsystem aus KNW-Opt weiter genutzt werden, um weiterführende Analysen und Betriebsoptimierungen durchzuführen. Es werden verschiedene Betriebsszenarien umgesetzt und ausgewertet. Als Ziel sollen hydraulische und thermische Optimierungen resultieren. Die beiden Projekte in Soest und Bad Nauheim sollen gegenseitig aus den Inbetriebnahme- und Messdaten der Betriebsszenarien lernen und profitieren. Alle Erkenntnisse sollen über das Forum nutzbar gemacht werden. Zudem unterstützen die SWBN bei den Agraranalysen.

Erstmalige Demonstration einer Mikro- und Nanofiltrationsanlage zur Aufbereitung und Nutzung von Brauch- und Regenwasser in einer Wäscherei mit wissenschaftlicher Begleitung

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die ITEX Gaebler-Industrie-Textilflege GmbH & Co. KG ist ein Unternehmen, das sich auf Berufskleidungs- und Textilleasing spezialisiert hat. Vor Projektbeginn fand keine Wasserbehandlung statt. Die Abwasserteilströme wurden gesammelt, zum Hauptkontrollschacht gepumpt und flossen von dort im Überlauf in den Kanal, wobei keine Angaben über die Wassermengen existierten. Ziel des Projektes lag darin, die bestehenden Verbräuche an Wasser, Waschmittel und Energie im Unternehmen mit Hilfe einer optimalen Nutzung der anfallenden Regenwassermengen und der Wiederaufbereitung des Brauchwassers mit Hilfe von Mikro - und Nanofiltration zu minimieren. Der jährliche Verbrauch von ca. 37.000 m3 Frischwasser sollte dabei um ca. 80 % verringert werden. Zusätzlich sollten ca. 15 % der verwendeten Waschmittel eingespart werden. Fazit: Die Vorreinigung von Schmutzwässern vor dem Passieren von Membrantrennanlagen wird von vielen Anlagenherstellern bei Angebotserstellung vernachlässigt; Nachrüstungen wie im vorliegenden Fall sind die mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand verbundenen Folgen. Ebenso wird von Anlagenherstellern häufig der Vorversuchsphase zu wenig Bedeutung zugemessen; es sollte bei neuen Anlagenkonzepten darauf geachtet werden, dass ausführliche Versuche an Versuchsanlagen mit Prozesswässern über mehrere Wochen im Betrieb durchgeführt werden. Nur dann kann die Eignung der einzusetzenden Module in Bezug auf die Prozesswasserinhaltsstoffe sicher festgestellt werden. Die Einsparpotentiale im Bereich des Wasserverbrauchs und der Wärmeenergie müssen vor dem Hintergrund der hohen Betriebskosten einer solchen Anlage (Stromverbrauch, Wartung und Reparatur) kritisch betrachtet werden. Für die weitere Optimierung der Anlage wurde in 2004 ein Klärdekanter in den Prozesskreislauf integriert. Zudem wurde die Nanofiltration in eine Umkehrosmose umgewandelt und damit die Reinigungsleistung des Systems stabilisiert.

Skalierbarkeit von Großkollektoranlagen und KNW-Netzen, Teilvorhaben: Aufbau und operative Begleitung des wissenschaftlichen Monitorings und Umsetzung von Maßnahmen zur Betriebsoptimierung

Das Forschungsvorhaben KNW-Opt II vereint die Lösungsansätze der beiden bundesweit größten kollektorbasierten Kalten Nahwärmenetze (KNW) 'Bad Nauheim Süd' und 'Soester Norden'. Mit Hilfe von wissenschaftlichen Monitorings werden wichtige übertragbare Erkenntnisse für die Planung, den Bau und den Betrieb komplexer kollektorbasierter KNW-Systeme gewonnen. Diese werden im Rahmen des Wissenstransfers für die breite Anwendung verfügbar gemacht. Es werden Softwarelösungen erarbeitet, validiert und bereitgestellt. Im Vorgängerprojekt KNW-Opt wurde in 'Bad Nauheim Süd' ein wissenschaftliches Monitoring implementiert und erste Optimierungen umgesetzt. Diese Arbeiten werden in KNW-Opt II weiter fortgeführt und ergänzend Agraranalysen an diesem Standort durchgeführt. Zudem werden die Untersuchungen durch Aufbau eines wissenschaftlichen Monitorings am aktuell größten kollektorbasierten KNW-Netz im 'Soester Norden' erweitert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus KNW-Opt hierfür genutzt. Die beiden Leuchttürme dienen zudem der Entwicklung einer KNW-Energy-Cloud sowie einem KNW-Real-Time-Twin, mit deren Hilfe die Übertragbarkeit auf andere KNW-Netze im Neubau aber auch Bestand ermöglicht werden soll. Um die Marktdurchdringung zu beschleunigen, erfolgt der Wissens- und Technologietransfer durch die Einbindung der wichtigsten Branchenverbände schon während der Projektlaufzeit. Im Teilvorhaben der Stadtwerke Soest GmbH (SWSoe) soll im ersten Schritt ein qualitativ gleichwertiges Monitoring zu Bad Nauheim aufgebaut werden. Es werden Temperaturen und Feuchten, Volumenströme und Energiemengen erfasst. Aus den Erkenntnissen von KNW-Opt abgeleitete und an den Soester Norden angepasste Betriebsszenarien werden umgesetzt und ausgewertet. Ziel ist die hydraulischen und thermischen Optimierungen des Gesamtsystems und daraus die Erarbeitung von allgemeingültigen Informationen zu Planung, Umsetzung und Betrieb von KNW-Netzen.

Anlage zur Verwertung regionaler organischer Reststoffe (Co-Fermentation)

Die seit 10 Jahren erfolgreich betriebene Biogasanlage von Herrn Weitz soll konzeptiert und erweitert werden. Neben der Gewinnung von Biogas aus Schweineguelle ist eine Verwertung organischer regionaler Abfaelle geplant. Das Ziel ist die Untersuchung eines optimierten Verfahrensablaufes und die Zusammensetzung der Zuschlagstoffe, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoeglichen.

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