Uranfilterung und zentrale Enthärtung für sauberes Trinkwasser
Überleben ohne Wasser ist nur für wenige Tage möglich. Beim Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle in Windesheim sichern Danfoss VLT® Lösungen den zuverlässigen Betrieb der Anlagen.
Wasser – einer der wichtigsten Stoffe für uns Menschen. Je nach Alter und Konstitution besteht der menschliche Körper aus 70 bis 85 Prozent Wasser. Überleben ohne Wasser ist nur für wenige Tage möglich. Daher ist eine zuverlässige Versorgung mit gutem Trinkwasser so wichtig. Beim Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle in Windesheim, der rund 42.000 Menschen mit bestem Trinkwasser versorgt, sorgen VLT® Lösungen von Danfoss für einen zuverlässigen Betrieb der Anlagen, die Uran sowie Härtebildner aus dem Wasser filtern und so höchste Qualität sicherstellen. In Windesheim wird eine der deutschlandweit größten Anlage zur Uranentfernung und Wasserenthärtung durch Teilentsalzung betrieben.
Der Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle besteht bereits seit 1910 und betreibt heute etwa 550 km Wasserleitungen. In insgesamt 24 Gemeinden und rund 15.000 Haushalten versorgt er die 42.000 Einwohner mit 2,2 Millionen Kubikmeter Trinkwasser jährlich. Rund um das Hauptpumpwerk in Windesheim, wo auch die Aufbereitung des Wassers erfolgt, liegen insgesamt 21 Tiefbrunnen und 2 Quellfassungen. Aus diesen kann der Zweckverband zu Spitzenbedarfszeiten mehr als 10.000 m³ pro Tag entnehmen und aufbereiten, was gerade in Zeiten großer Trockenheit und ausgeprägter Hitzeperioden wie in den Jahren 2018 bis 2020 immer wieder notwendig war. Überhaupt wirkt sich der Klimawandel durch die langen Trockenphasen und immer häufigere, längere sowie auch heißere Hitzeperioden immer stärker auf die Wasserförderung aus, die dadurch weiter steigt, obwohl in den privaten Haushalten im Rahmen der Nachhaltigkeit durch Einsatz wassersparender Geräte und Armaturen der Wasserverbrauch über die Jahre spürbar gesenkt wurde. Um auch in Zukunft die Bevölkerung und industriellen Abnehmer mit ausreichend Wasser versorgen zu können, erschließt der Zweckverband aktuell neue Brunnen. Damit steigt aber auch der Energieverbrauch, von dem bis zu 80 % in der gesamten Wasserversorgung auf elektrische Antriebe in Form von verschiedenen Pumpen entfallen. Doch der Zweckverband ist gut aufgestellt mit moderner Technologie und investiert auf Grundlage seines seit 2013 eingeführten Energiemanagementsystems DIN EN ISO 50001 auch weiterhin in eine nachhaltige Wasserversorgung mit hocheffizienten Motortechnologien, um den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz zu optimieren.
Ist das Wasser erst aufbereitet, muss es über das weit verzweigte Leitungsnetz an die Verbraucher in den 24 Ortsgemeinden verteilt werden. Der Zweckverband betreibt dazu Pumpstationen, die das Wasser je nach Bedarf auf insgesamt 18 Hoch- und Tiefbehälter verteilen, mit einem Gesamtvolumen von rund 17.400 Kubikmetern. Der Hauptbehälter auf dem Betriebsgelände in Windesheim selbst hat ein Fassungsvermögen von insgesamt 3.000 Kubikmetern.
Wasserqualität im Einzugsgebiet sehr unterschiedlich
Die große Zahl an Brunnen und das weite Verbreitungsgebiet bringt zwei Herausforderungen mit sich: Die Wasserqualität der Brunnen bezüglich der Wasserhärte ist höchst unterschiedlich durch die geologische Beschaffenheit der Böden; und die Gesamthärte schwankt zwischen 5 und 34 °dH, der Nitratgehalt liegt zwischen 5 und 50 mg/l, wobei der gesetzliche Grenzwert für Nitrat bei 50 mg/l liegt. Weiter erschwerend kommt eine geologische Besonderheit hinzu. Das Wasser hat an einem der wichtigsten und ergiebigsten Brunnen, dem Tiefbrunnen Karlshof, den höchsten Urangehalt mit bis zu 30 µg/l. Andere Brunnen liegen in einem Bereich von 3 bis 20 µg/l. Nach der Mischung im Windesheimer Hauptpumpwerk kam das Wasser damit auf einen Gesamtwert bei Uran von 13 µg/l, schon zu Zeiten der Planung über dem damals empfohlenen und seit dem 1. November 2011 gesetzlich festgeschriebenen Grenzwert von 10 µg/l. Ein weiteres Anliegen des Wasserversorgers auf Wunsch der Bevölkerung: Das Wasser sollte von 24 °dH auf nur noch 12 °dH gebracht werden, was eine Teilentsalzung zur Enthärtung erforderlich macht.
Zweistufige Trinkwasseraufbereitung
Um die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Uranbelastung des Wassers einzuhalten und den Härtegrad des Trinkwassers zu reduzieren, setzen die Wasserspezialisten aus der Trollmühle auf ein zweistufiges Verfahren.
Im ersten Schritt entfernt eine Uranex-Anlage, zur Zeit der Inbetriebnahme die Größte ihrer Art weltweit, gezielt das Uran aus dem Wasser. Das Ionenaustauschverfahren reduziert dabei die Urankonzentration auf unter 2µg/l, ohne die sonstige Zusammensetzung des Wassers zu ändern. Das Wasser durchfließt den Absorptionsfilter von oben nach unten und verlässt den Filter unterhalb des Düsenbodens. Eine Überwachung des Differenzdrucks gewährleistet einen stabilen Betrieb.
Anschließend erfolgt die Enthärtung durch Teilentsalzung mit der Carix-Anlage. Das Rohwasser fließt durch die Ionenaustauschfilter, in denen auf Kunstharzen Nitrat, Sulfat, Chlorid, Calcium, Magnesium und Karbonat im Tausch gegen Kohlensäure adsorbiert werden. Die im Wasser noch enthaltene Kohlensäure wird nachfolgend im Reinwasserriesler zur Einstellung des nach Trinkwasserverordnung erforderlichen pH-Wertes im Gegenstromverfahren mit gefilterter Luft entzogen. Die Regeneration der Carix-Ionenaustauschfilter erfolgt mittels CO2, welches zu 95% aus dem Prozesswasser wiedergewonnen wird.
Um ein Höchstmaß an Sicherheit für die Reinheit des Wassers zu gewährleisten, sorgt eine UV-Bestrahlung für eine zusätzliche Entkeimung ohne Chemikalien. Das Wasser, das dann vollständig den strengen Qualitätsvorgaben der Trinkwasserverordnung entspricht, wird danach mittels der Pumpen in die Hochbehälter und von dort zum Kunden verteilt. Insgesamt 2,2 Millionen Kubikmeter pro Jahr.
Pumpensteuerung für zuverlässigen und nachhaltigen Betrieb mit dem VLT® AQUA Drive
Trinkwasseraufbereitung und -verteilung sind sehr energiehungrige Prozesse, und von der eingesetzten Energie gehen bis zu 80 % in die elektrischen Antriebe für Pumpen und Lüfter. Daher setzte und setzt der Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle auf modernste, zeitgemäße Technologien, um den Verbrauch möglichst gering zu halten. So nutzt er Permanentmagnet- und Synchron-Reluktanzmotoren als hocheffiziente Motoren für die Pumpen. Und auch Unterwasserpumpen, die in die Jahre gekommen sind, tauscht der Betreiber der Brunnen und Aufbereitungsanlage gegen neue, sparsamere Motoren aus. Diese Investitionskosten, verbunden mit den dafür notwendigen VLT® Frequenzumrichtern, amortisieren sich durch die Energieeinsparung in vielen Fällen schon innerhalb von 2 Jahren. Bei Laufzeiten der derzeitigen Pumpen von 20 bis 30 Jahren lassen sich so die Kosten deutlich reduzieren.
Für den reibungslosen und zuverlässigen Betrieb der Pumpen in der Anlage setzt der Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle auf die VLT® AQUA Drive von Danfoss. Sie passen die Drehzahl aller Pumpen auf die gewünschte Geschwindigkeit an, reduzieren so die Energiekosten durch höhere Effizienz und optimieren den Betrieb. Der Danfoss Frequenzumrichter ist speziell auf den Betrieb von Pumpenanwendungen angepasst und stellt eine Reihe von Spezialfunktionen zur Verfügung. Daneben sorgt er mit einem Wirkungsgrad von typisch 98 Prozent und mehr für eine optimale Energienutzung. Dazu tragen auch ein Sleep-mode und eine automatische Energieoptimierung bei. Der sanfte Anlauf und die reduzierten Starts reduzieren Verschleiß und Energiebedarf in der Anlage.
Die Ansteuerung der VLT® AQUA Drive kann sowohl mit analogen Steuersignalen wie auch über Feldbusschnittstellen erfolgen. Im Hauptwasserwerk des Zweckverbandes sind die Frequenzumrichter mittels Profibus in das Leitsystem eingebunden, um die Überwachung und Steuerung der Umrichter zu garantieren. Redundante Systeme sichern eine jederzeit zuverlässige Versorgung der Bevölkerung.
Das grafische Bedienfeld, das über einen Montagesatz in die Schaltschranktür eingebaut ist, erlaubt die schnelle Kontrolle vor Ort, gibt einen Überblick über alle wesentlichen Kenngrößen der Pumpen und Frequenzumrichter. Zudem erleichtert es im Fehlerfall die Diagnose über eingebaute Scope-Funktionen und eine intuitive Bedienung.
Netz- vs. Generatorbetrieb – die Unterschiede
Gegenüber dem speisenden Netz verhalten sich Frequenzumrichter nicht neutral. Sie erzeugen Netzrückwirkungen in Form von Stromoberschwingungen oder Harmonischen, die der Frequenzumrichter ins speisende Netz zurückgibt und damit dessen Qualität negativ beeinflusst. Erst im Zusammenspiel mit der Netzimpedanz des speisenden Netzes entstehen Spannungsverzerrungen. An der Induktivität der Energieversorgung verursachen die Oberschwingungsströme einen Spannungsabfall, der sich zur gegebenen Spannung hinzuaddiert und die Spannung verzerrt. Dabei verhalten sich die hier zum Einsatz kommenden Transformator- bzw. Generatorspeisung aufgrund ihrer unterschiedlichen Netzimpedanzen sehr verschieden.
Die Anschlussleitungen (Querschnitt und Länge) bewirken ebenfalls einen Beitrag zur Netzimpedanz.
An steifen Netzen sind Netzrückwirkungen meist weniger bedenklich; nutzen jedoch angeschlossene Systeme die Netzversorgungen leistungsmäßig stark aus, ergibt sich daraus eine steigende Belastung der Netzqualität.
Aktiver Filter für Generatorbetrieb
Da die Spannungsverzerrungen abhängig zur Netzinduktivität sind, entstehen bei gleicher Leistungsabnahme bzw. gleichbleibenden Verbrauchern an einer großen Induktivität höhere Verzerrungen, als bei einer geringeren Netzinduktivität. Aus diesem Grund ist der Generatorbetrieb als kritischer Betriebszustand anzusehen, da die nichtlinearen Verbraucher, bei gleichbleibender Stromaufnahme, aufgrund der höheren Reaktanz im Vergleich zur Trafoversorgung höhere Spannungsverzerrungen erzeugen. Betrachtet man dann noch den Realfall, bei dem die Generatoren meist kleiner ausgelegt sind als die normale Netzversorgung durch ein starres Netz mit Transformatoren, ist sofort einsichtig, dass die Betreiber Maßnahmen zur Reduzierung der Oberschwingungen und für einen sicheren Betrieb ergreifen mussten. Denn für eine sichere Grundversorgung im Katastrophenfall oder bei großflächigen Netzausfällen sind im Wasserversorgung Trollmühle und in einem zukünftigen größeren Brunnen feste Notstromversorgungen in Form von Generatoren vorgesehen bzw. installiert. Weitere Einrichtungen, wie Pumpwerke und Brunnen, sind über ein betreibereigenes Netz verbunden, wo mobile Generatorwagen zeitnah zum Einsatz kommen, um den Betrieb der Brunnen und Pumpwerke im Extremfall zu sichern. In allen Fällen steigt damit aber die Impedanz des speisenden Netzes stark an, wie oben schon erklärt, und erfordert dann entsprechende Gegenmaßnahmen, um Rückwirkungen zu begrenzen.
Der Zweckverband entschied sich im Pumpwerk Trollmühle für einen aktiven Filter von Danfoss für den Einsatz im Generatorbetrieb, um die Netzbelastung auf ein Minimum zu reduzieren. Der aktive Filter mit einem maximalen Ausgangsstrom von 190 A nutzt im Leistungsbereich angepasste Halbleiter in Verbindung mit moderner Mikroprozessortechnik. Er speist einen komplementären Strom zu den Oberschwingungsströmen ein, und erzeugt damit wieder einen gut sinusförmigen Strom. Hierbei stellt sich der Filter automatisch auf jede Belastungssituation optimal ein.
Der Filter bietet hohe Energieeffizienz, bedienerfreundliche Schnittstellen, Rückwandkühlung und hohe Schutzklassen der Gehäuse. Ein weiterer Vorteil ist der beliebige Anschlussort im zu kompensierenden Netz.
Netzrückwirkungen, Motorströme und Lagerschutz
Alternativ stellt Danfoss auch passive Filter zur Verfügung. Zum einen in Form der VLT® AHF-Filter, die vor den Eingang von einzelnen frequenzgesteuerten Antrieben von Umrichtern positioniert sind, deren Rückwirkungen sie dann reduzieren. Sie erreichen einen THDi von 5 bis 10 %. Diese sind eine recht kostengünstige und robuste Alternative zu einem aktiven Filter.
Gerade für abgesetzte Stationen, wie Brunnen oder Pumpwerke, wo einzelne große Pumpen unbemannt ihren Dienst versehen und die abseits von Städten oder Gemeinden mitten im Gelände stehen, stellt Danfoss jetzt auch im Bereich von 11 bis 90 kW Passive Low Harmonic Lösungen bereit. Dies sind Komplettlösungen, die passive Filter, den Frequenzumrichter und ausgangsseitige Sinusfilter, samt Common Mode Drosseln für den normativen Einsatz für bis zu 300 Meter ungeschirmte Motorleitung, in einem relativ kompakten Gehäuse vereinen. Für größere Leistungen, von 110 – 560 kW gibt es ebenso kompakte Lösungen direkt ab Werk. Sie sorgen für eine stabile Versorgung und einen sinusförmigen Motorstrom, wie er beispielsweise bei Tauchpumpen notwendig ist, und garantieren einen ungestörten Betrieb.
Für ältere Motoren oder zum besonderen Schutz beim Auftreten von Lagerströmen hat Danfoss Common Mode Filter im Angebot. Sie schützen vor Lagerströmen und verhindern damit Verschleiß und Zerstörung der Lager. Sie werden an den Anschlussklemmen der Motorleitungen eingesetzt. An trocken aufgestellten Pumpen verhinderten sie bei den Motoren erneute Lagerschäden, die zuvor aufgrund des Frequenzumrichterbetriebs aufgetreten waren.
Sichere Investitionen in Technologie und Nachhaltigkeit
Im Rahmen der aufkommenden Diskussion um nachhaltigen Umgang mit wertvollen Ressourcen wie Wasser oder Energie setzt der Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle seit Bestehen auf moderne, zeitgemäße Technik. Und investiert in die Modernisierung von bestehenden Anlagen ebenso wie in eine energieeffiziente und nachhaltige Ausrüstung in neu zu planenden Anlagen, wie beispielsweise neue Brunnen, Pumpstationen oder die Aufbereitung. So hat der Verband vor einigen Jahren die Modernisierung von Pumpanlagen gestartet. Zum Einsatz kommen dort hocheffiziente Permanentmagnet- und Synchron-Reluktanzmotoren. Diese können ausschließlich mit einem intelligenten Antriebsregler betrieben werden und sind nicht Netz- Anlauffähig. Danfoss kann mit seinen VLT® AQUA Drive Frequenzumrichtern alle Motortypen steuern. Und zwar jeweils im optimalen Betriebspunkt, denn die Umrichter können mittels der integrierten Automatischen Motor-Anpassung (AMA) den angeschlossenen Motor binnen weniger Sekunden ausmessen. Damit liegt dann dem Frequenzumrichter das nötige Datenmaterial vor, um Magnetisierung und andere Parameter optimal auf den Motor abgestimmt einzustellen, inklusive der angeschlossenen, teilweise langen Motorleitungen, und den Motor im optimalen Betriebspunkt zu betreiben.
Da diese neuen Motortypen sich erst in den letzten Jahren auf dem Markt durchgesetzt haben, nicht zuletzt auch wegen der Energieverordnungen der EU, waren die anfangs eingebauten AQUA Drive Frequenzumrichter noch nicht in der Lage, diese Motoren sauber anzusteuern. Doch statt neuer Frequenzumrichter reichte ein Firmware-Update des Umrichters aus, um sie für die neuen Motoren fit zu machen. Für solche Zwecke bietet Danfoss seine DrivePro® Lifecycle Services an, ein Wartungs- und Service-Konzept, das sich optimal auf die Bedürfnisse des Kunden abstimmen lässt, so dass über die gesamte Lebenszeit immer die passende Dienstleistung verfügbar ist. Gleichgültig, ob Inbetriebnahme, Wartung, Remote Monitoring, Remote Expert-Support bis hin zu einem kompletten Retrofit der Anlagen – die Danfoss Spezialisten unterstützen immer mit entsprechendem Wissen und einer kompetenten Beratung. Damit Anlagen immer beste Leistung zuverlässig und langlebig liefern.
Fazit
Seit mehr als 100 Jahren versorgt der Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle seine Kunden zuverlässig und in ausreichender Menge mit Trinkwasser höchster Qualität. Mit dabei ist in allen, in den letzten Jahren neu errichteten Anlagen, auch die Antriebstechnik von Danfoss. Technisch ausgereifte Anlagen und umfangreiches Wissen der Techniker und Spezialisten garantieren bestes Wasser. Und das wird auch in Zukunft so bleiben.
Stefan Denzer
Key Account Manager
Water & Fluid Handling
Danfoss Drives
63073 Offenbach/Main