Durchflussmessung mit Ultraschallsensorik

Die NRM Netzdienste Rhein-Main GmbH als Tochtergesellschaft der Mainova AG haben den Auftrag, das Wasserversorgungsnetz der Stadt Frankfurt am Main fortlaufend zu optimieren und Wasserverluste zu minimieren. Hierfür werden bis Ende 2022 über 200 Messstellen an spezifischen Knotenpunkten des Netzes installiert. Die Messeinrichtungen verfügen über eine Ultraschall-Sensorik, mittels derer der Durchfluss und die Wassermenge gemessen werden. Durch die Ultraschalltechnik konnten die Sensoren verbaut werden, ohne die Trinkwasserrohre öffnen zu müssen. In Verbindung mit einem wasserdichten Datenlogger werden die gesammelten Messdaten verschlüsselt und über Mobilfunk an die Software-Plattform in der Cloud gesendet.

Über die webbasierte Plattform kann so mit jedem Endgerät auf die Visualisierung und die integrierte Datenarchivierung zugegriffen werden. Die einzelnen Messstellen, die Daten wie Status, Messwerte und Ereignisse erfassen, werden über eine interaktive Karte, das Dashboard, Berichte, eine Messstellen-Analyse und das Meldearchiv dargestellt. Damit wird von der Daten-Analyse über die Wartung bis hin zur Alarmierung bei Auffälligkeiten im Wassernetz alles in einer Software-Plattform abgebildet.

Zudem werden die Messstellen in Zonen eingeteilt, die Teile Frankfurts darstellen wie beispielsweise der Zuflussbezirk Seckbach-Süd/Ost. Um einen Verbrauch innerhalb des jeweiligen Bereichs zu messen, werden Durchflüsse, die in die Zone einfließen, mit den herausfließenden verrechnet. Damit kann zum einen das Trinkwasser bilanziert werden, zum anderen werden Auffälligkeiten und Leckagen aufgezeigt. Außerdem kann die abgerechnete Wassermenge mit der tatschlich geflossenen verglichen und damit die Netz-Effizienz als Kennzahl gebildet werden, wie im DVGW Arbeitsblatt W 392 ausführlich beschrieben.

Fließverhalten und Netzeffizienz prüfen und nachhaltig optimieren

Mit den Messungen an den Knotenpunkten kann die NRM somit weitere tiefgreifende Einsichten ins eigene Netz gewinnen. Durch den Vergleich mit der hydraulischen Berechnung, die der Netzplanung dienen, können so nicht nur undichte Rohre gefunden und in der Folge instandgesetzt werden, sondern auch das Fließverhalten und hiermit die Netzeffizienz überprüft und optimiert werden.
Dabei ist es nicht ungewöhnlich, gegenüber dem geplanten Fließverhalten zu geringe, oder sogar entgegengesetzte Durchflüsse zu entdecken, um dann mit einer Stilllegung des betreffenden Abschnittes das weitere Netz optimaler zu nutzen. Die zuständigen Fachkräfte für das Asset-Management und des Netzbetriebes bekommen so eine Unterstützung, die ihre tägliche Arbeit enorm erleichtert.

Die Ziele der ständigen Netzoptimierung sind hierbei eine ausreichende Fließgeschwindigkeit in den Rohrleitungen sicherzustellen, die Verweildauer des Wassers in den Rohrnetzen zu verringern, sowie die Genusstauglichkeit und Reinheit des Trinkwassers zu gewährleisten.

Trinkwasser und Kosten einsparen

Die Vorteile eines gezielten Monitorings und einer präzisen Durchflussüberwachung des Trinkwassernetzes von Städten wie Frankfurt am Main liegt klar auf der Hand. Die Betreiber erhalten erstmals auf allen Ebenen tiefgreifende Information und Erkenntnisse über ihr Trinkwassernetz. Damit können ganze Netzabschnitte gezielt optimiert werden und so wertvolles Trinkwasser eingespart werden. Mit Blick auf den Trinkwasserschutz und die Kosten-Einsparung stellen sie für die Zukunft des deutschen Wassermarktes eine zwingend erforderliche Lösung dar.

Das Beispiel Frankfurt am Main zeigt zum einen, dass die Digitalisierung der Wasserwirtschaft durch moderne Messtechnik und Cloud-Plattformen heute schon einen echten Mehrwert bringt. Darüber hinaus werden Betreiber zukünftig mit künstlicher Intelligenz, die auf dieser Plattform aufsetzt, noch besser unterstützt und das Auffinden von Leckagen wird vereinfacht.

Als Zweckverband steht die Wasserversorgung Bayerischer Wald im Dienst der ostbayerischen Bevölkerung und liefert Wasser in bester Qualität. Auch der Anspruch an Ökologie und Ökonomie ist sehr hoch. Mit der Einführung eines nach ISO 50.001 zertifizierten Energiemanagements verpflichtete sich waldwasser den Energieverbrauch sukzessive zu reduzieren. Neben den Einsparungen durch die energetische Optimierung reduzieren sich auch die Kosten für die Stromsteuer, da zertifizierte Betriebe diese bis zu 90 % rückerstattet bekommen (sogenannter Spitzenausgleich StromStG § 9b und 10). Die Zertifizierung ist zudem ein Qualitätsmerkmal für die eigene Marke waldwasser.

Energetische Bewertung des Energieverbrauchs

Für die Zertifizierung gilt es zunächst alle relevanten Verbrauchsdaten zu erfassen und zu bewerten. Bewerten, was heißt das eigentlich? 6.500 MWh Verbrauch allein sagen nicht viel aus – in einem außergewöhnlich warmen Jahr wird natürlich mehr Wasser verbraucht als in einem Jahr mit Durchschnittstemperaturen, gleichzeitig wird auch mehr Strom verbraucht. Beide Größen können also nicht für einen objektiven Vergleich herangezogen werden. Berechnet man allerdings die Energie pro verkaufte Wassermenge erhält man mit der Energieleistungskennzahl (EnPI) einen Wert, der eine energetische Analyse des Verbrauchs ermöglicht. Zeitbereiche wie Monate oder Jahre können so verglichen werden. Nur so kann beurteilt werden, ob das Managementsystem funktioniert und die Wasserversorgung effizienter wird.

Die Erfassung und Aufbereitung der Daten erfolgte zunächst manuell. Verbrauchsdaten wurden aus Zählern, Leitsystemen oder Versorgerrechnungen zusammengetragen und in Excel aufbereitet. Markus Hrda – zuständiger Energiemanager bei waldwasser – investierte jährlich mehrere Wochen allein in die Vorarbeit jeder Rezertifizierung. Neben dem zeitlichen Aufwand waren die manuellen Prozesse fehleranfällig und kompliziert, so dass es schwierig war hier mehrere Personen einzuarbeiten.

„Personell war der Aufwand für einen Wasserversorger unserer Größe enorm“, so Hrda. „Schnell kamen wir zu dem Schluss, dass wir die ständig wiederkehrenden Prozesse in eine Software überführen müssen, damit wir die ISO 50.001 Zertifizierungen nachhaltig umsetzen können.“ Beim manuellen Energiemanagement gibt es zudem das Problem, dass Mehrverbräuche durch technische Defekte, Verschleiß oder andere ungünstige Betriebszustände im laufenden Betrieb zunächst gar nicht erkannt werden. Mit softwaregestütztem Energiemanagement ist es möglich weg von der nachträglichen Analyse der Vorjahresdaten, hin zu einer Online-Überwachung der aktuellen Prozesse umzustellen. Energetische Probleme können so proaktiv erkannt und beseitigt werden.

waldwasser setzte dabei auf die Energiemanagementlösung e-Gem der Firma FlowChief. Die herstelleroffene Plattform ist eine auf die Erfordernisse der Wasserwirtschaft abgestimmte Lösung.

Energiemanagement-Spezialisten der FlowChief GmbH unterstützen bei der Einrichtung

Zunächst sollte das neue Wasserwerk in Moos auf das System aufgeschaltet werden. Eine gut strukturierte digitale Messtechnik war dort bereits vorhanden. Neben Verbräuchen wurden auch Einflussgrößen wie Temperaturen, Laufzeiten oder Füllstände erfasst. Es wurden mehr als 300 Verbrauchsstellen aufgeschaltet – Zähler ohne Busanbindung wie Gas- oder Heizölzähler werden bei der Handablesung via Tablet direkt im System eingetragen. „Intuitive Eingabemasken mit Plausibilitätskontrollen erleichtern die Eingabe, das reduziert die Fehleranfälligkeit erheblich“, so Tobias Knoll – Projektleiter Energiemanagement bei FlowChief.

In einem weiteren Schritt wurden die Außenbauwerke wie Hochbehälter und Pumpstationen mit angebunden. Wenn möglich wurden dazu die Versorgerdaten des Netzbetreibers per MSCONS-Import automatisiert eingelesen. Diese Daten werden vom Versorger unentgeltlich bereit gestellt, was eine Erfassung der Daten ohne Investition in zusätzliche Messtechnik ermöglicht.
Da es sich beim MSCONS-Import um die abgerechneten Mengen des Versorgers handelt, hat waldwasser zudem die Möglichkeit, die in Rechnung gestellten Verbrauchswerte mit intern emessenen Werten zu vergleichen und Unstimmigkeiten festzustellen.

Erfasste Daten werden in e-Gem in Medien wie Strom, Wasser oder Gas unterteilt. Zudem werden die verschiedenen Zähler hierarchisch geordnet. Es entstehen Energiefluss-Schemen, die sich von der gesamten Organisation zu den einzelnen Standort-Einspeisungen, über die Niederspannungsverteilung, hin zu Anlagen und Aggregaten immer weiter aufgliedern. Die Verteilung der Energieströme wird so transparent und energieintensive Bereiche können einfach identifiziert werden. Mit Sankey- und Bilanzdiagrammen lassen sich diese Ströme veranschaulichen.
Die Analyse kann sowohl auf fixe Zeitspannen in der Vergangenheit (z.B. letztes Jahr) als auch online als Echtzeit-Analysefunktion vorgenommen werden. So wird schnell sichtbar, welche Verbraucher zur momentanen Lastspitze beitragen.

Auch nicht erfasste Energiemengen lassen sich als Restmengen in der Baumstruktur abbilden und analysieren. Die Analyse kann für den in der ISO 50.001 geforderten Nachweis der Qualität und der Verbesserung des Messkonzepts verwendet werden.

Unternehmensweiter Zugriff per Webbrowser mit aussagekräftigen Dashboards

Wie erhalten nun Energiemanager, technische Mitarbeiter, Buchhaltung oder auch die Betriebsleitung für den in der ISO 50.001 geforderte Management Review transparenten Zugriff auf die für sie notwendigen Daten? e-Gem ist eine native Web-Applikation – der Anwender kann auf jedem Endgerät mit beliebigen Browsern ganz ohne Installation auf die Applikation zugreifen. Jedem User können dabei individuelle Inhalte wie Dashboards, Berichte oder Analysetools bereitgestellt werden. Die Energiemanagement-Software verfügt über ein rollenbasiertes Rechtesystem, so dass jeder Anwender nur die für ihn nötigen Informationen bekommt. Die Benutzerverwaltung kann zudem an eine vorhandene Active-Directory angebunden werden, so dass sich Mitarbeiter mit ihrer Windows-Anmeldung und Single-Sign-On im Browser einloggen können.

So wurden bei waldwasser für die verschiedenen Anlagen intuitive Dashboards mit den wesentlichen Informationen angelegt: Technische Mitarbeiter können durch Wirkungsgrade und Kennzahlen sehr effektiv beurteilen, ob die Anlage derzeit effizient betrieben wird. Kaufleute erhalten durch die hinterlegten Tarife Informationen zu derzeitigen Kosten.

Dem Auditor Informationen auf Knopfdruck zur Verfügung stellen

Für die Audits zur Rezertifizierung benötigt der Auditor verschiedenste Informationen. Viele Auswertungen wie EnPi- oder SEU-Berichte (Significant Energy Use) wurden als Vorlage direkt in e-Gem abgebildet. Auswertungen können jederzeit über mehrere Jahre abgerufen werden. „Den Auditor haben wir damit sehr beeindruckt“, berichtet Markus Hrda, „wir sparen uns damit sehr viel Zeit und können relevante Informationen auf Knopfdruck abrufen.“

Derzeit wird auch die Trinkwasseraufbereitung Max-Binder in Frauenau aufgeschaltet. "Mit der Unterstützung der Software werden wir weiter an unserem Energieerfassungs-Konzept und an der korrekten Erfassung arbeiten”, so Hrda, „die ISO 50.001 ist so für uns sehr viel einfacher umzusetzen".