Wasserkraft & Energie 1/2021 - Dominic Wode, Michael Hähnel, Peter Ecklebe ENERGIEGEWINNUNG DURCH DRUCKREDUZIERUNG VON TRINKWASSER Anlage: Dr ...
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Wasserkraft & Energie 1/2021 Dominic Wode, Michael Hähnel, Peter Ecklebe ENERGIEGEWINNUNG DURCH DRUCKREDUZIERUNG VON TRINKWASSER Anlage: Hochbehälter der Stadt Wernigerode Ausschnitt aus dem Mosaik „Kreislauf des Wassers“ im Wasserwerk Wienrode Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
1. Einleitung
1.1. Vorbemerkungen
Der Wunsch, „normale“ Kreiselpumpen als Turbinen einzusetzen, taucht mit
großer zeitlicher Regelmäßigkeit vor allem im Zusammenhang mit alternativer
Energiegewinnung auf. Die deutlich günstigeren Anschaffungskosten gegenüber
„richtigen“ Wasserturbinen legen diesen Gedanken nahe. Pumpen sind deutlich
einfacher in Wartung und Handhabung als „echte“ Turbinen.
Es gibt Anwendungen z.B. im Trinkwasserbereich, bei denen bewusst Pumpen
als Turbinen eingesetzt werden. Oft ist hierbei die zu erwartende „Ausbeute“ des
vorhandenen Trinkwasservolumenstroms relativ gering und zu schwankend,
um die Anschaffungskosten einer teuren, „echten“ Wasserturbine zu amortisieren,
die darüber hinaus für Trinkwasser zugelassen sein muss. Hier bieten sich
rückwärtslaufende Kreiselpumpen an. Diese stehen dank großer
Fertigungsstückzahlen kostengünstig zur Verfügung. Einen etwas ungünstigeren
Wirkungsgrad nimmt man für den niedrigen Anschaffungspreis in Kauf. Das an
der drehenden Welle verfügbare Moment wird durch Kopplung von Kreiselpumpe
und Generator zur Netzeinspeisung genutzt . Bei Einsatz einer
Invertereinspeisung wird die Drehzahl nicht von der elektrischen Netzfrequenz
vorgegeben.
Ein wesentlicher Nachteil von Pumpen als Turbinen (PaT) ist – anders als bei
Francis-und Kaplan-Wasserturbinen – das Nichtvorhandensein einer regelbaren
Leiteinrichtung zur Anpassung an ein schwankendes Wasserangebot. Dieses
Problem ist im nachfolgend beschriebenen Beispiel durch einen
drehzahlvariablen Betrieb optimiert worden. Die Invertereinspeisung erlaubt einen
4105-konformen Netzbetrieb, aber auch Inselbetrieb. Als Generator wurde ein
Synchronreluktanzmotor der Effizienzklasse IE5 eingesetzt.
1.2. Ausgangsituation
Das Trinkwasser-Netz der Stadt Wernigerode (Harz) wird aus verschiedenen
Hochbehältern (HB) eingespeist. An einem HB wurde eine
Eigenerzeugungsanlage mit Pumpe als Turbine (PaT) errichtet.
Die Speisung des HB wird über zwei getrennte Versorgungsleitungen realisiert.
Die Schwankungsbreite von Durchflüssen und Drücken sind nachstehend
spezifiziert:
Volumenstrom 1:
- Rohrleitung DN300
- min. Druck 6 bar
- max. Druck 13 bar
- min Durchfluss 0 m³/h
- max. Durchfluss 250 m³/h
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Volumenstrom 2:
- Rohrleitung DN300
- min. Druck 3 bar
- max. Druck 6,5 bar
- min Durchfluss 0 m³/h
- max. Durchfluss 700 m³/h
Dem HB ist ein Schwallbehälter als Beruhigungsstrecke vorgeschaltet.
Der Schwallbehälter hat zwei Anschlussstutzen.
Auf den Anschluss Nr.1 speisen die Versorgungsleitungen über entsprechende
Regelventile mit Auma-Verstellung. Damit steht eine Noteinspeisung für den Fall
einer Störung der PaT-Einspeisung zur Verfügung.
Der Anschluss Nr. 2 wurde zum Einbau einer PaT genutzt.
Geregelt wird auf den Füllstandes des HB (klassische Füllstandsregelung) und
übergeordnet auf den Druck im Wernigeröder Ortsteil Mühlental.
Diese Kaskaden- Regelungsstruktur wurde Mitte 2015 in Betrieb genommen und
funktioniert robust.
1.3. Q- und P- Messwertkurven
Die folgenden Bilder 1 und 2 zeigen den Monats-Verlauf des Druckes (blau, Achse 0-8
bar) vor der PaT und den Volumenstrom (schwarz, in m³/h) für die beiden TW-
Zuspeisungen, gemessen in 15min- Intervallen für einen Monat. Man erkennt deutliche
tages- und wochenweise Schwankungen.
TW-Zuspeisung Nr. 1, Volumen (schwarz) und
250 8
Druck (blau) 7
200
6
150 5
4
100 3
2
50
1
0 15min-Meßpunkte 0
1
96
191
286
381
476
571
666
761
856
951
1 046
1 141
1 236
1 331
1 426
1 521
1 616
1 711
1 806
1 901
1 996
2 091
2 186
2 281
2 376
2 471
2 566
2 661
2 756
2 851
2 946
Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
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TW-Zuspeisung Nr.2, Volumen (schwarz) und
600.0 Druck (blau) 8.0
7.0
500.0
6.0
400.0
5.0
300.0 4.0
3.0
200.0
2.0
100.0
1.0
0.0 0.0
1
96
191
286
381
476
571
666
761
856
951
1046
1141
1236
1331
1426
1521
1616
1711
1806
1901
1996
2091
2186
2281
2376
2471
2566
2661
2756
2851
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Bild 3 zeigt den Gesamtvolumenstrom (blau) mit einer Mittelwertlinie (schwarz).
Im praktischen Betrieb schwankt die Fallhöhe zwischen 1,9 und 5,4 bar - abhängig vom
Durchfluss von 550 und 200 m3/h. Das entspricht einer hydraulischen Leistung von 23 kW
bei einem Arbeitspunkt von z.B. 3,3 bar und 410 m³/h.
Summenvolumen TW-Zuspeisung 1+2 (blau)
600 und Mittelwert (schwarz)
500
400
300
200
100
0
10…
11…
12…
13…
14…
15…
16…
17…
18…
19…
19…
20…
21…
22…
23…
24…
25…
26…
27…
28…
29…
1
96
191
286
381
476
571
666
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856
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2.0 Technische Basisdaten
Nachfolgend sind die technischen Daten der PaT, des Generators und der
Umrichtereinheit zusammengestellt.
• Typ der PaT: KSB, Etanorm
ETB 125-100-315 GBXAV11D303704 B, mit den folgenden technischen Daten:
Volumenstrom 262,00 m³/h
Fallhöhe 55,00 m
Wirkungsgrad 80,1 %
Wellenleistung 31,46 kW
Bemessungs-Drehzahl 1520 1/min
zulässiger Betriebsdruck 16,00 bar
Max. zul. Drehmoment 256 Nm
• 4 pol. KSB SuPremE-45kW- Synchron-Reluktanzmaschine als Generator.
Das spart erheblich Energie im Vergleich zu einem Asynchronmotor.
Der KSB SuPremE® erfüllt die Effizienz-Anforderungen nach IE5.
• Die Baugruppen Sinamics-Invertereinspeisung:
- Active-Line-Module und active Interface Module
Eingang: 3AC 380-480V, 50/60Hz
Ausgang: DC 600V, 92A, 55kW
- Voltage SENSING Module VSM10
- Control Unit CU320-2 PN
- Single Motor-Module
Eingang: DC 600V
Ausgang: 3AC 400V, 200A
- Braking Module compact
Eingang: DC 600V
Bremsleistung: Pdauer/Pmax 5/100kW
- Bremswiderstand
DC 510-620V, 20kW, 20 Ohm
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3.0 Kreiselpumpe als Generator
Strömt ein Medium gegen die Pumprichtung vom Druck- zum Saugstutzen,
kehrt sich die Drehrichtung des Laufrades um. Ist die am Druckstutzen
anliegende Druckenergie (Fallhöhe) groß genug, um das Losbrechmoment
von Laufrad und Welle zu überwinden, kann man mit diesem Drehmoment einen
Generator antreiben. Die Pumpe gibt an der Welle ein Drehmoment
ab. In dem „3. Quadranten“ ihres Kennfeldes unterscheidet sich die „Pumpe als
Turbine“ (pump as turbine, PaT) dann von der „echten“ Wasserturbine nur noch
dadurch, dass sie gewöhnlich nicht ganz die Wirkungsgrade erreicht, die mit
klassischen Francis- oder Kaplanturbinen möglich sind. In Bild 2 sind
die prinzipiellen Kennlinien für Pumpen- und Turbinenbetrieb
gegenübergestellt. Die Kurve „M = 0“ bezeichnet die so genannte
Leerlaufkennlinie“. Es wird kein Moment an der Welle abgenommen.
Die Pumpe (Turbine) dreht ungebremst frei durch. Mit „n = 0“ bezeichnet man die
Widerstands- oder Festbremskennlinie. Hier wird die Maschine
zwangsdurchströmt, ohne dass sich die Welle dreht. Zwischen diesen beiden
Grenzkurven findet der „normale“ Turbinenbetrieb statt
Bild 4: Kennlinien für Pumpen u. Turbinenbetrieb
Quelle: Technik kompakt Nr. 11, Juli 2005 © KSB Aktiengesellschaft
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Seite 6 von 12Das PaT-Kennlinienfeld zeigt das nachfolgende Bild 5:
• Die Netzspannung beträgt 3x400V/50 Hz, die DC- Zwischenkreisspannung
beträgt 600 V-DC, die Reluktanzmaschine wird ohne Impuls-Geber betrieben.
KSB lieferte eine einsatzfertige Baueinheit aus PaT und Motor.
Die Bilder 6 und 7 zeigen die örtlichen Einbauverhältnisse.:
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Seite 7 von 12Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
Seite 8 von 12• Die Invertereinspeisung speist bei unterschiedlichen Generatordrehzahlen
immer mit 50Hz auf das Netz. Die Vorgabe der optimalen Generatordrehzahl
an den generatorseitigen Wechselrichter der Invertereinspeisung zeigt Bild 8.
Der drehzahlvariable Betrieb wird auf der Grundlage einer praktisch als
optimal ermittelten p/n-Kennlinie gesteuert.
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0.0 bar 1.0 bar 2.0 bar 3.0 bar 4.0 bar 5.0 bar 6.0 bar 7.0 bar
Bild 9 zeigt die Gesamtstruktur der Invertereinspeisung.
Konform zur VDE AR-N 4105: Konzept der kompletten Inverterspeisung
Generator-Wechselrichter Einspeise-Wechselrichter Netzkupplung TNCS
Zertifiziertes
CU 320-2 PN Netzschutz-
Relais
KSB-PaT und KSB-
Reluktanzmotor im
Generatorbetrieb
Drehzahlbereich
1200 bis 1850
umd/min
600V-DC
Netz
Redundante VSM 10
Koppelschalter
AIM, ALM, Filter
NA-Schutz
Bremschopper und Widerstand 20kW
Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
Seite 9 von 12• Bei einem Netzfehler steigt die PaT-Drehzahl schlagartig an und der
Durchfluss sinkt innerhalb kürzester Zeit. Die Folge wäre ein Druckschlag.
Zur Beherrschung der Situation wurde ein redundantes System verwirklicht.
Bei Netzausfall kann die Energie über Widerstände vernichtet werden, bis das
vorgelagerte AUMA-Motorventil geschlossen ist. Dadurch werden eine
plötzliche Drehzahländerung und ein Wasserschlag vermieden. Als zweite
Maßnahme wurde eine gewichtsbetätigte Schnellschluß-Klappe vor der PaT
und eine Schnellöffnungsklappe in den Bypass eingebaut. Das folgende Bild
10 zeigt eine Klappe.
• Der NA-Schutz wurde konform zu den Einspeisevorschriften (VDE AR- 4105)
realisiert
• Es erfolgt eine sichere Kommunikation mit der Fernwirkzentrale der
Stadtwerke über Fernwirk-Protokoll IEC 60870-5-104 über sichere VPN-
Verbindung.
Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
Seite 10 von 12Fazit
1) Die SuPremE-45kW- Synchron-Reluktanzmaschine ist gehäuseseitig baugleich zu
einer Standart-Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Das erleichtert den
Einsatz. Der Preis für eine Reluktanzmaschine dieser Leistung liegt ca. 9% höher
als ein vergleichbarer IE3-Asynchronmotor und 3% niedriger als ein vergleichbarer
IE4-Asynchronmotor. Die IBS des Sinamics-S120 mit KSB-Reluktanzmaschine
gestaltete sich recht problemlos. Wegen des besseren Wirkungsgrades stellt der
Reluktanzmotor auch in Erzeugeranlagen eine innovative Alternative dar.
2) Die in das Netz eingespeiste elektrische Leistung schwankt zwischen 2,5 kW
(Bypassbetrieb mit 600 umd/min und 1,9 bar) bis 29,2 kW (Normalbetrieb mit
1500 umd/min und 6 bar).
3) Die Erzeuger- Anlage ist seit über zwei Jahren störungsfrei in Betrieb.
4) Die Trinkwasserversorgung wurde zu keiner Zeit durch die Errichtung der PaT-
Anlage beeinträchtigt.
5) Die Steuerung der PaT- Anlage wurde mit einem WAGO-IPC realisiert.
Zur Leitwarte der Stadtwerke besteht eine sichere Datenanbindung über VPN,
konform zu 104.
Die Akteure
Die Stadtwerke Wernigerode engagieren sich bereits seit vielen Jahren für die
umweltschonende Eigenproduktion von Strom und den Ausbau erneuerbarer-
Energien-Projekte vor Ort. Auf Anfrage öffnen sie gern für Interessierte,
Fachleute und Schülergruppen das Wasserkraftwerk Steinerne Renne und ihre
weiteren Stromerzeugungsanlagen.
Die Dr. Ecklebe GmbH plant und realisiert seit 1990 Anlagen der
Automatisierungs- und Antriebstechnik. Gerade wenn es „kniffelig“ wird, zeigt sich
die Stärke der Firma aus Wernigerode, die mehr als 60 Mitarbeiter beschäftigt. Die
Dr. Ecklebe GmbH und die Dr. Ecklebe Engineering GmbH sind mittelständische
Familienunternehmen, die auch für Edge-Computing und cloud-Lösungen für
Anwendungen in der Industrie und der Energietechnik stehen.
Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
Seite 11 von 12Wir danken KSB in Halle für die Unterstützung bei der Realisierung des Projektes
und den Stadtwerken Wernigerode für die freundliche Genehmigung zur
Veröffentlichung.
Bildquellen:
Bild 1: Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz GmbH
Bild 2 bis 9: Dr. Ecklebe Engineering GmbH
Dr. Ecklebe Engineering GmbH, Brockenblick 29; 38855 Wernigerode, OT Reddeber
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