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Erste Phase des Projektes: Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur deutlichen Reduzierung der Gewässerbelastung

Die itwh GmbH wurde mit der Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur Emissionsverringerung von Gewässern betraut. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Regelungskonzepten, mit denen der Kläranlagenzufluss bei Regenereignissen als Stellgröße flexibel an die verfügbaren Kläranlagenkapazitäten angepasst werden kann. Somit könnten vorhandene Abwassersysteme gesamthaft effizienter genutzt und die Emissionen aus dem Kanalnetz in die Gewässer verringert werden. Um die in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU, 2000) vorgegebene Zielsetzung der guten ökologischen Gewässerqualität erreichen zu können, ist als Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft eine Betriebsoptimierung des gesamten Abwassersystems nötig. Die itwh GmbH führt in dem geplanten Forschungsprojekt in dieser ersten Phase Untersuchungen zur Identifikation der Mess- und Regelungsgrößen durch, mit denen der bei Regenwetter stark schwankende Zufluss aus dem Einzugsgebiet an die hydraulische Kapazität und an die verfügbare Reinigungsleistung angepasst werden kann. Die Messgrößen müssen eine zuverlässige Vorhersage des Verhaltens der Kläranlage in Abhängigkeit des Zuflusses ermöglichen. Zum Einsatz kommt ein beim itwh entwickeltes Fuzzylogic-basiertes Regelungstool, das die wesentlichen Messdaten der Kläranlage über verbal formulierte Regeln als Störgrößen einbezieht. Weitergehende Modellansätze liefern darüber hinaus Prognose-Störgrößen, um durch den Zeitgewinn die Sicherheit der Regelung zu optimieren. Die Auswertung vorliegender Messdaten führt zu Erkenntnissen hinsichtlich kritischer Prozesse bei Mischwasser und werden genutzt, um Konzepte zur Regelung des Mischwasserzuflusses zu entwerfen. Dabei kommen empirische und halbdeterministische Ansätze zum Einsatz. Aufgrund der hohen Komplexität geeigneter deterministischer Modelle wird die hydraulische Kapazität der Nachklärung nur durch empirisch ermittelte Steuerfunktionen (Regression oder Fuzzyregeln) beschrieben. Die itwh GmbH untersucht die Umsetzbarkeit und den ökologische Nutzen einer Steuerung des Zuflusses zur Kläranlage am Beispiel der simulativen integrierten Lastfallstudie Chemnitz. Dazu wird ein gekoppeltes Modell von Kanalnetz (Hystem-Extran-Güte, itwh) und Kläranlage (ifak) erstellt. Die Modellkopplung und Steuerung wurde durch das Programm itwh-Control realisiert. Mit dem Gesamtmodell werden die Emissionen in das Gewässer von Kanalnetz und Kläranlage für fünf Regenereignisse unterschiedlicher Intensität und Dauer ermittelt. Durch die Erhöhung des zulässigen Zuflusses wird eine Reduzierung der emittierten Gesamtfracht ermittelt, ohne dass es zu einer Überschreitung der zulässigen Ablaufgrenzwerte kam. Bei schwachen, lang anhaltenden Ereignissen wird die Emission um bis zu 23% reduziert und leistet einen deutlichen Beitrag zur Umweltentlastung. (Text gekürzt)

Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern, Teilvorhaben: Entwicklung und Verifizierung aktiver nicht-invasiver Temperatursensierung im Hochtemperaturbereich

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital-Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine-Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.

SMAC- Durchdachte Steuerung von Abwassersystemen

Optimierung der Arbeitsweise von Abwassersystemen durch: Erhöhung der Reinigungsleistung und Systemverfügbarkeit unter Ausnutzung der Dynamik Senkung der Betriebskosten durch verbesserten Steuerungsentwurf Reduktion der Schmutzfracht für die Gewässer Erhöhung der Zuverlässigkeit durch softwaretechnische Anlagenüberwachung im Hinblick auf unsichere oder ungenaue Messwerte.

(Semi-) dezentrales Abwasserbehandlungssystem, TP1.8: Betrieb und Betriebsoptimierung des Demonstrators

Erstmalige Demonstration einer Mikro- und Nanofiltrationsanlage zur Aufbereitung und Nutzung von Brauch- und Regenwasser in einer Wäscherei mit wissenschaftlicher Begleitung

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die ITEX Gaebler-Industrie-Textilflege GmbH & Co. KG ist ein Unternehmen, das sich auf Berufskleidungs- und Textilleasing spezialisiert hat. Vor Projektbeginn fand keine Wasserbehandlung statt. Die Abwasserteilströme wurden gesammelt, zum Hauptkontrollschacht gepumpt und flossen von dort im Überlauf in den Kanal, wobei keine Angaben über die Wassermengen existierten. Ziel des Projektes lag darin, die bestehenden Verbräuche an Wasser, Waschmittel und Energie im Unternehmen mit Hilfe einer optimalen Nutzung der anfallenden Regenwassermengen und der Wiederaufbereitung des Brauchwassers mit Hilfe von Mikro - und Nanofiltration zu minimieren. Der jährliche Verbrauch von ca. 37.000 m3 Frischwasser sollte dabei um ca. 80 % verringert werden. Zusätzlich sollten ca. 15 % der verwendeten Waschmittel eingespart werden. Fazit: Die Vorreinigung von Schmutzwässern vor dem Passieren von Membrantrennanlagen wird von vielen Anlagenherstellern bei Angebotserstellung vernachlässigt; Nachrüstungen wie im vorliegenden Fall sind die mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand verbundenen Folgen. Ebenso wird von Anlagenherstellern häufig der Vorversuchsphase zu wenig Bedeutung zugemessen; es sollte bei neuen Anlagenkonzepten darauf geachtet werden, dass ausführliche Versuche an Versuchsanlagen mit Prozesswässern über mehrere Wochen im Betrieb durchgeführt werden. Nur dann kann die Eignung der einzusetzenden Module in Bezug auf die Prozesswasserinhaltsstoffe sicher festgestellt werden. Die Einsparpotentiale im Bereich des Wasserverbrauchs und der Wärmeenergie müssen vor dem Hintergrund der hohen Betriebskosten einer solchen Anlage (Stromverbrauch, Wartung und Reparatur) kritisch betrachtet werden. Für die weitere Optimierung der Anlage wurde in 2004 ein Klärdekanter in den Prozesskreislauf integriert. Zudem wurde die Nanofiltration in eine Umkehrosmose umgewandelt und damit die Reinigungsleistung des Systems stabilisiert.

Nachbewilligung zur Dritten Phase des Projektes: Entwicklung eines zweistufigen biologischen Verfahrens zur Reinigung von Deponiesickerwasser und industriellen Abwässern mit komplexen Stoffgemischen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Ziel der letzten Projektphase war es, mit einer Langzeit-Praxiserprobung das zweistufige biologische Verfahren zur Deponiesickerwasserreinigung als Stand der Technik zu etablieren und zu bilanzieren. Nach der Inbetriebnahme des Technikums am Deponiestandort Schöneiche ging es in der zwölfmonatigen Laufzeit des Projektes AZ 14996/04 in den Langzeitversuchen um die Validierung der Laborergebnisse im technischen Maßstab, die verfahrenstechnische Optimierung der Anlage und um eine damit verbundene mögliche Kostenreduzierung des Systems. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Nach dem ersten Technikums-Probebetrieb wurde eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen durchgeführt: - der Umbau des Rohsickerwasserzulaufs, - die Verwendung von Soda statt Bicarbonat für die Ammoniumoxidation in Reaktor 2, - der Einsatz von Membrandosierpumpen mit integrierten Rückschlagventilen für die Zugabe von Soda und Essigsäure, - der Einbau von zusätzlichen Polyurethan-Festbetten zur Vergrößerung der Oberfläche für die Besiedlung mit Mikroorganismen, - die Einstellung des Sollwerts für Reaktor 4 auf einen pH-Wert von 6,5, - ein Update der SPS-Steuerung der Nanofiltration zur freien Programmierung der Spülzyklen, - der Einbau eines Absperrhahns vor den Nanofiltrations-Vorfilter - und die Trennung des Nanofiltrationsablaufs vom Reaktoren-Sammelablauf zur Behälterleerung. Es wurde sowohl Rohsickerwasser der MEAB-Deponie Schöneiche als auch Sickerwasserkonzentrat der Deponie Vorketzin behandelt. Fazit: Wegen der durchgeführten Optimierungsmaßnahmen ist es prinzipiell gelungen, das Schöneicher Rohsickerwasser gemäß Anhang 51 der Abwasserverordnung aufzureinigen. In Vorketzin wurde die organische Belastung über 70% und Stickstoff über 80% reduziert. Nach Rückgang der Calciumfracht sollte es zukünftig möglich sein, mit der Zweistufen-Biologie das Sickerwasserkonzentrat ausreichend zu reinigen, da organische Belastung und Stickstoffgehalt geringer als im Schöneicher Rohsickerwasser sind. Um das Verfahren als Stand der Technik, vor allem für die Behandlung von Sickerwasserkonzentraten, zu etablieren, müssten die Laborvorgaben mit den Erfahrungen des Technikumsbetriebs kombiniert und in einer weiteren Versuchsreihe unter optimierten Bedingungen verifiziert werden.

Dynamischer Separator zur Trennung von stroemenden Mehrphasengemischen

Die Separation (Phasentrennung) eines in einer horizontalen Rohrleitung (Pipeline) stroemenden zwei- oder mehrphasigen Gemisches erfolgt abhaengig von den entstehenden Stroemungsformen durch eine geeignete apparative Anordnung, Dimensionierung und Formung von Rohrabzweigungen. Die bisherige Praxis der mechanischen Trennung von Mehrphasengemischen benutzt ueberwiegend schwere voluminoese Behaelter mit umfangreichen Einbauten, die insbesondere bei hohen Druecken sehr kosten- und wartungsintensiv sind. Bei der neuen Entwicklung erfolgt die Phasentrennung waehrend der Foerderung des Gemisches in Rohren. Mehrphasige stroemende Gemische koennen nach der Trennung durch Anhebung des Druckes der separierten Komponenten weiter gefoerdert werden. Der befuerchtete Wasserschlag in einem stroemenden Gas-Fluessigkeitsgemisch kann durch zeitweiligen Entzug der leichteren Phase verhindert werden.

Weiterentwicklung von Anlagen zur Wiederverwertung von Spraydosen

Forschungsinitiative Zukunft Bau - Forschungscluster 'Energieeffizientes und klimagerechtes Bauen', Praxistest der Auswirkungen von Einzelraumregelung für Heizung, Lüftung und Beleuchtung auf Energieeinsparung bzw. Senkung der Betriebskosten

Das Forschungsvorhaben untersucht die Praxistauglichkeit von Einzelraumregelsystemen für die Heizung, Lüftung und Beleuchtung bei ausgewählten Bundesbaumaßnahmen. Dabei sind Fragen hinsichtlich der Energieeffizienz, der Wirtschaftlichkeit und der Nutzerzufriedenheit zu beantworten. Im Ergebnis sind Empfehlungen für den praktischen Einsatz der Einzelraumregelung zu erwarten. Das Zusammenwirken zunehmend innovativer und komplexer Anlagen zur Heizung, Kühlung, Klimatisierung und Beleuchtung insbesondere von Nichtwohngebäuden unter Berücksichtigung eines von Betreibern und Nutzern gleichermaßen formulierten und ständig steigenden Anspruchs an den energieeffizienten Betrieb der Anlagen und des Gebäudes ist ohne den Einsatz von Raum- und Gebäudeautomationssystemen immer schwieriger zu leisten. Ein übergeordnetes Energie- und Lastmanagement zur Betriebsoptimierung unter den jeweils gegebenen spezifischen Nutzungsbedingungen erfordert darüber hinaus den Einsatz eines Energiemanagementsystems. Die Hersteller und Anbieter entsprechender Systeme propagieren signifikante Energieeinsparungen, die sich aber erfahrungsgemäß nicht in jedem Fall realisieren lassen. Darüber hinaus sind höhere Investitionskosten und ein Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Unterhaltung zu berücksichtigen. Insgesamt gesehen bestehen uneinheitliche und bisweilen widersprüchliche Aussagen zum Energieeinsparpotenzial von Einzelraumregelsystemen. Aus Sicht des Investors ist dies ein höchst unbefriedigendes Ergebnis, müssen doch die zum Teil erheblich höheren Investitionskosten vorrangig (d. h. ungeachtet des Komfortgewinns) durch die energetischen Einsparungen gegenfinanziert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher eine weitestgehend produkt- und technikneutrale Bewertung von Einzelraumregelsystemen in ausgewählten Bundesbauten erfolgen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, - am Beispiel von typischen Anwendungen in Verwaltungsgebäuden praktische Erfahrungen aus dem Betrieb zu erheben, - den mit dem jeweiligen System erzielten Energieverbrauch im Hinblick auf mögliche weitere Einsparungen hin zu untersuchen, - Daten zur Betreiber- und Nutzerzufriedenheit zu erheben und zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Praxistauglichkeit mit modernen innovativen Lösungen zu vergleichen, - eine Empfehlung für den Einsatz von Systemen der Raumautomation in Verwaltungsgebäuden zu erarbeiten, - Erkenntnisse über diese Systeme aus der Praxis zu erhalten.

Effiziente Wärmepumpenquartiere: Effizienter, erneuerbarer und netzdienlicher Betrieb von Wärmepumpenquartieren, Teilvorhaben: Effizienzüberwachung, Betriebsoptimierung und Planungsunterstützung für Wärmepumpenquartiere

Wärmepumpen (WP) sind eine Schlüsseltechnologie der Energiewende im Wärmebereich, da sie mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien betrieben werden können und zur Reduktion der CO2-Emissionen beitragen. Im Rahmen des Forschungsprojekts werden die Umsetzung und der Betrieb von bis zu vier WP-Quartieren begleitet und die folgenden Ziele verfolgt. 1.Effizienz von Wärmepumpen steigern und sicherstellen: Mittels energetischem Monitoring werden Betriebsdaten in mehr als 100 Gebäuden erfasst, analysiert und bewertet. Darauf aufbauend ist eine kostengünstige Überführung des Betriebsmonitorings in die Praxis geplant, sodass auch WP außerhalb von Forschungsprojekten unkompliziert und nachhaltig überwacht und optimiert werden können. 2. Wärmepumpenquartiere erneuerbar und netzdienlich betreiben: Es werden netzentlastende Betriebsstrategien mit hoher Nutzung lokaler erneuerbarer Energien entwickelt und die Hardware- und kommunikationstechnische Umsetzung der Betriebsführung erprobt. Dabei wird auch der Einfluss von Energieprognosen untersucht. 3.Transfer ins Handwerk: Das Handwerk stellt eine Schlüsselposition für die Transformation des Energieversorgungssystems im Gebäudebereich dar, für die ein umfangreiches Schulungskonzept erarbeitet wird.

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