In Zeiten des Klimawandels sowie hohen Kosten- und Versorgungsunsicherheiten, sollten Städte und Kommunen ihre Anlagen und Prozesse möglichst effizient und nachhaltig gestalten. Die Stadtwerke Trier haben bei Ihrem Hauptklärwerk ein großes Optimierungspotenzial identifiziert. So konnte gemeinsam an der Reduzierung des Energie- und Chemikalienbedarfs gearbeitet werden.
Die Herausforderung
Die Stadtwerke Trier betreiben mit dem Hauptklärwerk in Trier eine kommunale Abwasserbehandlungsanlage mit einer Ausbaugröße von 170.000 Einwohnerwerten (EW).
Das Trierer Hauptklärwerk besaß lange Zeit den größten Energiebedarf der Unternehmensgruppe. Aufgrund der ineffizienten Regelung und Anlagenabstimmung wurde viel Energie aus dem öffentlichen Netz entnommen. Durch Investitionen in energieeffiziente Anlagenausrüstung konnte dieser Anteil zwar deutlich verringert werden, dennoch bedurfte es einer intelligenten Steuerung, um die größtmögliche Effizienz bei der vorhandenen Technik zu erzielen. Der Anlagenbetrieb sollte mit einer möglichst hohen Eigenenergiebedarfsdeckung erfolgen.
Die älteste Stadt Deutschlands war daher auf der Suche nach einem innovativen System, welches gleichzeitig den Energiebedarf in der Biologie optimiert, die Betriebssicherheit erhöht sowie die Kontrolle des Chemikalieneinsatzes verbessert. Durch die Optimierungsmaßnahme sollen die Betriebskosten deutlich reduziert und der Energiekreislauf innerhalb des Hauptklärwerkes geschlossen werden. Eine der
Hauptaufgaben bestand in der Erzielung einer Balance zwischen nergiebedarf und Energieerzeugung, um so wenig externe Energie wie möglich zu benötigen. Bei diesem ehrgeizigen Ziel musste das Steuerungssystem auch sicherstellen, dass die Überwachungswerte des Kläranlagenablaufs zu jedem Zeitpunkt sicher eingehalten werden.
Das Ergebnis
Als erster Schritt wurde ein Echtzeit-Assistenzsystem für die Abwasserbehandlung auf dem Hauptklärwerk Trier implementiert. Hierdurch sollte der Betreiber bei der Einhaltung der Überwachungswerte unterstützt und der Energiebedarf für die Druckbelüftung der biologischen Behandlungsstufe minimiert werden. Das Optimierungssystem erstellt auf Basis modellbasierter Prognosen Vorschläge zur Wahl der Betriebsparameter, die bei minimalem Verbrauch von Energie eine sichere Einhaltung der Ablaufwerte erlauben. Zuvor wurden lediglich konventionelle Regler zur automatischen Führung der betrachteten Prozesse genutzt.
Zusammen mit Xylem haben die Stadtwerke Trier die Xylem Vue Kläranlagenoptimierung eingesetzt. Die Technologie basiert auf künstlichen neuronalen Netzen, mit deren Hilfe datengetriebene Modelle für den Abbau und die Elimination der Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen erstellt werden. Alle hierfür erforderlichen Parameter und Daten erhält das System in Echtzeit vom vorhandenen SCADA-System der Kläranlage. Der entstehende digitale Zwilling ermöglicht die Simulation hunderter Szenarien innerhalb von Sekunden, sodass abhängig von der aktuellen und erwarteten Belastung der Kläranlage die erforderliche Belüftungsintensität für den biologischen Abbau der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen sowie der Chemikalienbedarf für die Phosphorfällung optimal geregelt werden.
Nach Abschluss des Modelltrainings und Probebetriebs, wurde das System schließlich im November 2017 in Betrieb genommen und ermittelt fortan die optimalen Sollwerte für den Betrieb der Druckbelüftung der sechs parallel geschalteten biologischen Behandlungsbecken.
Im zweiten Schritt wurde mithilfe der Xylem Vue Kläranlagenoptimierung ein Prognosemodell erstellt um sowohl den Energieverbrauch als auch deren Produktion auf der Kläranlage vorherzusagen. Abhängig von dieser Vorhersage, kann die Gasproduktion aus der Klärschlammbehandlung intelligent gesteuert werden.
Die Lösung
Zu Beginn des Jahres 2018 wurden die Optimierungsergebnisse der ersten Phase mit den Daten des vorherigen Betriebs des Hauptklärwerkes verglichen.
Hieraus wurde ein wichtiger Parameter zur Messung des Erfolgs abgeleitet: die eingesetzte spezifische Energie die benötigt wird um ein Kilogramm Fracht zu eliminieren. Dieser Parameter verdeutlicht Schwankungen des Anlagenbetriebs die vermeidbar sind.
Dank des optimierten Betriebs der Anlage konnte eine deutliche Verringerung dieser Schwankungen und damit der situationsabhängigen Spitzenenergieverbräuche erzielt werden. Seit der Implementierung der Xylem
Vue Kläranlagenoptimierung konnte das Hauptklärwerk Trier den Energiebedarf der Belüftung um mehr als 20 % senken. Dies entspricht einer Einsparung von etwa 200.000 kWh/Jahr. Selbstverständlich werden darüber hinaus alle Überwachungswerte des Kläranlagenablaufs sicher und kontinuierlich eingehalten.