Zeitgemäße Lösungen für die wirtschaftliche und nachhaltige Trinkwassergewinnung

Themenschwerpunkte der Veranstaltung waren Planung und Auslegung von Anlagen zur Trinkwassergewinnung und -versorgung. Hochkarätige Experten aus Wirtschaft und Forschung zeigten Strategien auf, die Ergiebigkeit von Brunnen so lange wie möglich zu erhalten, die Wasserverluste in Leitungsnetzen einzudämmen und die Wasserförderung auch unter energetischen Aspekten effizienter zu machen.

Über 100 Planer und Ingenieure sowie Betreiber von Wasserversorgungsanlagen informierten sich unter anderem über Verfahren der hydrogeologischen Analyse von Brunnen, die Stabilisierung von Verteilnetzen und die wirtschaftlichen Vorteile effizienter Bohrlochpumpentechnik. Eine Tagung mit inhaltsgleichem Programm war bereits im April 2010 in Kassel auf breite Resonanz gestoßen. Manfred Schaffeld, Vertriebsleiter für den Geschäftsbereich Water Management des Gastgebers Wilo, führte die Teilnehmer durch das Tagungsprogramm. Das Unternehmen produziert am Standort Hof unter anderem Lösungen für die kommunale Trinkwasserver- und Abwasserentsorgung.

Grundsätze der effizienten Wasserversorgung

„Die Unternehmen der Wasserversorgung erfüllen mit der Wassergewinnung, -speicherung und -verteilung eine wichtige Aufgabe der öffentlichen Daseinsvorsorge“, eröffnete Prof. Dr.-Ing. Frank Wolfgang Günthert das Symposium. Über die Qualitätssicherung durch Schutz der Ressource Wasser und bei Bedarf ergänzender Aufbereitung werde nachhaltiger Umweltschutz betrieben. Der Experte für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik von der Universität der Bundeswehr München betonte, dass zur Erfüllung dieser Aufgaben qualifiziertes Betriebspersonal und entsprechende Anlagentechnik erforderlich seien. Er verwies auf die gemeinsame Verbändeerklärung der deutschen Verbände der Wasserwirtschaft, die sich bereits 2005 bereit erklärt haben, zur Steigerung der Leistungsfähigkeit ein freiwilliges Benchmarking durchzuführen.

Um Optimierungspotenzial zu ermitteln, müsse das Hauptaugenmerk auf die Entwurfsphase und das Rohrnetz gelegt werden, da es dort die größten Einflussmöglichkeiten gebe. „Maßnahmen wie der automatisierte Einbau von Rohrleitungen mit Fräs- oder Pflugverfahren oder auch eine sorgfältige Pumpenauswahl und -instandhaltung führen zu Einsparungen bei Bau und Betrieb der Wasserversorgungsanlagen“, schlug Prof. Günthert die Brücke zu den thematischen Schwerpunkten der nachfolgenden Referenten.

Brunnenhydraulik und Brunnenausbau

Wie die Ergiebigkeit und Langlebigkeit von Vertikalfilterbrunnen durch sorgfältige Planung und Berechnung bereits vor Durchführung einer Regenerierungsmaßnahme bzw. Neuanlage optimiert werden kann, zeigte der Vortrag von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Beims, stellvertretender Leiter des Grundwasserzentrums Dresden. Dabei standen die beiden Teilaspekte hydraulische Berechnung und konstruktive Gestaltung im Mittelpunkt. „Ziel der hydraulischen Brunnenberechnung ist es, den im regulären Betrieb zu erwartenden Wasserstand zu ermitteln. Dafür sind sowohl die Bedingungen im Brunnen selbst als auch in dessen Umgebung zu berücksichtigen“, präzisierte Beims die Aufgabenstellung. Hierzu seien Einflussfaktoren wie Struktur und Eigenschaften von Grundwasserleitern, Beeinträchtigungen durch umliegende Gewässer sowie Anzahl, Tiefe, Durchmesser und Fördermenge der geplanten Brunnen maßgebliche Berechnungskriterien. „Im Fokus der konstruktiven Gestaltung stehen dann die Filterauswahl, die Festlegung von Filterkieskörnung und Filterschlitzweite sowie von Filterlänge und -durchmesser und die Ermittlung der optimalen Fließgeschwindigkeiten im Brunnen- und Rohrleitungssystem“, umriss Beims den zweiten Aufgabenschwerpunkt.

Als praktischen Teilaspekt der hydraulischen Berechnung im Vorfeld von Regenerierungsmaßnahmen ging Prof. Beims vertiefend auf die Methode sogenannter Pumpversuche von Brunnen ein. Solche Feldversuche seien das zuverlässigste Verfahren zur Ermittlung der hydrogeologischen Parameter eines Brunnens und zur Klärung der Frage, ob eine Brunnenregenerierung überhaupt notwendig ist. Dabei wird aus einem Brunnen über einen bestimmten Zeitraum Grundwasser mit einer konstanten Förderrate gepumpt, um das Leistungsprofil des Brunnens und die Reaktion seines Umfeldes zu ermitteln und durch geeignete Maßnahmen zu optimieren. Diese Tests lieferten zudem wertvolle Erkenntnisse für die richtige Auslegung von Brunnenpumpen, erläuterte Beims.

Druckstöße und Wasserschläge

Die Problematik dynamischer Druckänderungen in hydraulischen Systemen beleuchtete Dipl.-Ing. Bernd Husemann, Geschäftsführer der AIRVALVE Flow Control GmbH (Soest). „Druckschwankungen in Leitungssystemen können Rohrleitungen und Anlagenteile erheblich schädigen und damit zu Ausfall führen“, betonte Husemann und verwies zudem auf die Notwendigkeit, hydraulische Systeme möglichst luftfrei zu halten. Die Beseitigung von Lufteinschlüssen habe positive Auswirkungen auf die erforderliche Pumpenleistung, wodurch sich sowohl energetische als auch wirtschaftliche Vorteile ergäben.

Schwerpunkt seines Vortrags bildete vor diesem Hintergrund die exakte Auslegung von Be- und Entlüftungsventilen, um die Entstehung von Unterdruck in Versorgungsnetzen zu vermeiden und ihre ordnungsgemäße Entlüftung zu gewährleisten. „Bei der Entlüftung eines Systems mittels Be- und Entlüftungsventilen unterscheidet man Anfahr-Entlüftung mit einem großen Düsenquerschnitt und Dauer- bzw. Betriebsentlüftung mit einem kleinen Düsenquerschnitt“, differenzierte Husemann die möglichen Ventilarten. Bei der Anfahr-Entlüftung, bei der eine Entlüftung nur zum Einschaltpunkt der Pumpen erfolge, orientiere sich die Luftleistung des Ventils an der projektierten Förderleistung des Systems, wodurch es aber bei hoher Ventilleistung zu Druckstößen kommen könne. Die Dauer- bzw. Betriebsentlüftung hingegen ermögliche eine Abscheidung der eingeschlossenen Gase während des gesamten Förderbetriebs. Für die Auswahl geeigneter Ventile sei es hier essenziell, die Belüftungsleistung jedes einzelnen Ventils auf den maximal zulässigen Unterdruck des gesamten zu betrachtenden Systems abzustimmen. Husemann erläuterte darüber hinaus, wie sich diese Auslegungsfaktoren unter Zuhilfenahme professioneller Analyse-Software bestimmen lassen.

Wirtschaftliche Bohrlochpumpentechnik

Zum Abschluss des Tagungsprogramms wies Mario Hübner, Produktmanager der Wilo EMU GmbH, auf die Notwendigkeit einer nachhaltigen Trinkwassergewinnung und -versorgung hin. Eine bedeutende Rolle spiele dabei die Auslegung und Auswahl der Bohrlochpumpen in Vertikalfilterbrunnen. Denn durch Einsatz einer wirtschaftlichen Pumpentechnik ließen sich der Energieverbrauch und die Ergiebigkeit von Brunnen optimieren, so Hübner. „Die Ziele eines effizienten Pumpenmanagements sind Leistungssteigerung, Senkung der Betriebskosten und Optimierung der Betriebszeiten“, fasste er zusammen.

In diesem Zusammenhang betonte Hübner die Bedeutung der Lebenszykluskosten (LCC) bei der Betrachtung der Gesamtwirtschaftlichkeit von Brunnenpumpen. Denn im Vergleich zu den Anschaffungskosten einer Pumpe, die einen verhältnismäßig geringen Anteil an den Lebenszykluskosten ausmachten, schlagen – so der Pumpenexperte – die Energie- und Instandhaltungskosten deutlich stärker zu Buche. Vor diesem Hintergrund biete eine LCC-Analyse eine geeignete Entscheidungshilfe bei der Neuanschaffung oder Ersatzbeschaffung von Brunnenpumpen sowie eine Grundlage für die Bewertung von Maßnahmen zur Kostenreduzierung bei im Betrieb befindlichen Anlagen.

Empfehlenswert seien beispielsweise widerstandsfähige Beschichtungen wie die Zwei-Komponenten-Oberfläche „Wilo-Ceram“, um Pumpen vor korrosiven oder abrasiven Einflüssen der zu fördernden Medien zu schützen. Pumpen, die so beschichtet seien, wiesen eine erheblich verlängerte Standzeit auf, wodurch sich Wartungsaufwand und -kosten reduzierten. Die geringere Oberflächenrauhigkeit bewirke zudem eine Erhöhung des Pumpenwirkungsgrads um bis zu 2 Prozent, weshalb sich eine „Ceram“-Beschichtung schnell amortisiere und die Gesamtwirtschaftlichkeit der Pumpe erheblich verbessere.

„Der Einsatz robuster Werkstoffe, aber auch moderner energiesparender Motoren und Frequenzumformer trägt zum wirtschaftlichen Betrieb von Brunnenpumpen bei“, ergänzte Hübner. Wilo biete hier ein umfassendes Programm an hochwertigen und energieeffizienten Bohrlochpumpen und Unterwassermotoren für die verschiedensten Anforderungen. Als Beispiel nannte er die „CoolAct“-Motorentechnologie, durch die sich höhere Förderleistungen in kleinen Brunnendurchmessern und Leistungssteigerungen von bis zu 25 Prozent bei gleichzeitig reduzierten Betriebstemperaturen erreichen ließen. Insbesondere bei stark schwankenden Lastanforderungen könnten Bohrlochpumpen durch Einsatz von Frequenzumformern zudem längere Zeiträume im Teillastbetrieb gefahren werden, wodurch sich hohe Energieeinsparungen erreichen ließen, schloss Hübner.

Zusammenfassung

Die Fachtagung machte deutlich, dass sich die Ergiebigkeit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Trinkwassergewinnung und -versorgung durch sorgfältige Planung und bedarfsgerechte Auswahl der verwendeten Komponenten weiter optimieren lässt. Dies gilt sowohl bei der Ertüchtigung als auch bei Neubauprojekten. Die Einflussmöglichkeiten reichen von der Analyse und Bewertung der hydrogeologischen Bedingungen am Brunnenstandort über die Ventiltechnik zur Be- und Entlüftung der Verteilnetze bis hin zur Bohrlochpumpentechnik für Brunnenanlagen. Bei der Verbesserung der Gesamtwirtschaftlichkeit kann vor allem die LCC-Analyse wichtige Erkenntnisse – z. B. für die Entscheidung über Neuanschaffung oder Ertüchtigung einer Pumpe – liefern.