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Energieeffiziente Pumpensteuerung für reines Wasser

01  Das unter Denkmalschutz stehende Hauptpumpwerk Schönau der Wasserverbund Region Bern AG ­wurde bei der Modernisierung mit frequenzgesteuerter Pumpentechnik ­ausgestattet

01  Das unter Denkmalschutz stehende Hauptpumpwerk Schönau der Wasserverbund Region Bern AG ­wurde bei der Modernisierung mit frequenzgesteuerter Pumpentechnik ­ausgestattet

02  Hier kommen die sechs Wasserleitungen der Hauptpumpen ­zusammen

02  Hier kommen die sechs Wasserleitungen der Hauptpumpen ­zusammen

03  Direkt neben den sechs Hauptpumpen stehen die jeweiligen ­Frequenzumrichter und AHF-Filter frei im Raum. Dies erlaubt eine ­kompakte Verdrahtung in der Halle, die optisch im historischen Gewand geblieben ist

03  Direkt neben den sechs Hauptpumpen stehen die jeweiligen ­Frequenzumrichter und AHF-Filter frei im Raum. Dies erlaubt eine ­kompakte Verdrahtung in der Halle, die optisch im historischen Gewand geblieben ist

Jederzeit ausreichend Trinkwasser zur Verfügung zu haben, ist in unseren Breiten heutzutage selbstverständlich. Die lokalen Wasseranbieter stellen es kontinuierlich in höchster Qualität bereit. So auch in Bern, wo die Wasserverbund Region Bern AG (WVRB) mehr als 200 000 Einwohner pro Jahr mit 20 Mio. m 3 des kostbaren Nasses versorgt. Um diesen Bedarf jederzeit bedienen zu können – es treten auch mal Tagesspitzen mit bis zu 66 000 m 3 auf –, hat das Unternehmen das zentrale Hauptpumpwerk Schönau komplett saniert. Seitdem beherbergt das historische, unter Denkmalschutz stehende Gebäude modernste Pumpen, die von VLT-Aqua-Drive-Frequenzumrichtern von Danfoss kontrolliert werden.

Die Wasserversorgung Region Bern AG versorgt die gesamte Bevölkerung in Bern, den angeschlossenen Gemeinden und Versorgungsgebieten. Sie greift dazu auf natürliche Wasserreserven zurück, die bis dato aus verschiedenen Speisegebieten wie dem unteren Emmental, dem Aaretal, dem Schwarzenburgerland und dem Scherlital kamen. Allerdings legt die WVRB die historischen, südlichen Quellen still, weil eine Sicherung der Wasserqualität nach den heutigen Gesetzen aufgrund der Landwirtschaft und den Geländeformen unverhältnismäßig ist. Insgesamt betreibt das Unternehmen fünf Grundwasser- und zwölf Quellwasserfassungen, die über 22 Pumpstationen und 21 Reservoirs sowie 211 km Leitungsnetz miteinander verbunden sind.
Dabei verfügen die Reservoire nicht über eine separate Leitung zur Füllung. Vielmehr ist das gesamte Netz vermascht und hält einen Druck von 4 bar bis 11 bar. Für eine Füllung der Reservoire wird Wasser ins Netz gepumpt und der Füllstand der Behälter an den gewünschten Sollwert angepasst. Schieber lassen jederzeit eine Isolierung einzelner Netzabschnitte zu, um im Fehlerfall den Wasserfluss im betroffenen Abschnitt unterbinden zu können.

Sanierung für eine effizientere Versorgung und sicheren Betrieb
Das 1945 bis 1950 erbaute ehemalige Gas- und Wasserwerk Schönau (Bild 1), wundervoll direkt an der Aare in einem Naherholungsgebiet gelegen, war nach fast 60 Jahren technisch nicht mehr den weiterhin steigenden Anforderungen der Wasserversorgung gewachsen. So beschloss die WVRB AG eine komplette Sanierung des Gebäudes als Hauptpumpwerk, um es technisch und vor allem auch energetisch auf den neusten Stand zu bringen. Für insgesamt fast 15 Mio. SFr sanierten die Spezialisten das Gebäude sowie die Anlagen. So entstand eines der modernsten Pumpwerke und eine der effizientesten Wasserversorgungen in der Schweiz.
Energetische Optimierungen betrafen neben den für die Wasserversorgung verantwortlichen Pumpen auch die Heizung, die Klimatisierung, die Trafostation und eine im ­Gebäude integrierte Stromerzeugung, bei der überschüssiges Wasser auf dem Weg in die Aare eine Turbine antreibt. Bei den Außenanlagen fällt vor allem die Integration der Schieberschächte ins Gebäude auf sowie die Erhöhung der Sicherheit am und im Gebäude. Ein verbesserter Hochwasserschutz rundete das Maßnahmenpaket ab. Für die Steuerung der Pumpen entschieden sich die Wasserspezialisten für VLT-Aqua-Drive Frequenzumrichter von Danfoss. Die Entscheidung dafür fiel aufgrund der hohen Energieeffizienz der Antriebe, ihrer Zuverlässigkeit, die sie bereits bei anderen Projekten, in anderen Funktionen wie beispielsweise der Lüftung und Pumpstationen unter Beweis gestellt ­hatten, sowie ihre Bedienungsfreundlichkeit. Zudem sind sie im Betrieb und Unterhalt günstig, da die VLT-­Frequenzumrichter auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sind und wartungsfrei laufen.
Durch die neue Konzeption des Pumpwerks konnte die WVRB AG drei in der Innenstadt von Bern gelegene Pumpstationen abschalten, die nun nicht mehr notwendig waren. Gleichzeitig wurde ein Teil des Leitungsnetzes saniert. Dazu gehört eine Reduzierung von Leitungsquerschnitten, welche den stetigen Rückgang des Wasserkonsums berücksichtigt und Verluste vermindert.

Acht Monate für Komplettsanierung
Im September 2013 startete der Umbau. Im Vorfeld hatte die WVRB AG einen detaillierten Zeitplan ausgearbeitet, der alle Stufen der Sanierung genau regelte. Dadurch konnte sie den kurzen Umstellungszeitraum von nur acht Monaten für das gesamte Paket an Sanierungsmaßnahmen einhalten. Der Kostenrahmen erwies sich ebenfalls als zutreffend; auch wenn zu Beginn der Umbauten Belastungen mit Asbest und PCB auftraten, die das Arbeiten nur mit Vollschutz erlaubten.
Im Bereich der Energieversorgung wurden vier neue Trafos installiert. Diese fanden im Gebäude in direkter Nähe zu den großen Antrieben und Pumpen Platz. Damit einher ging der Austausch der gesamten Hauptverteilung für das Pumpwerk. Die gesamte Steuer-, Regel- und Messtechnik wurde ebenfalls runderneuert. So bekam die ganze Anlage neue Messsysteme, die jederzeit alle betriebswichtigen Daten erfassen und den Verantwortlichen bereitstellen. Die sechs Hauptpumpen mit je 200 kW sowie die zwei Ausgleichspumpen mit je 75 kW (Bild 2) bekamen eine zeitgemäße elektronische Drehzahlregelung durch die Danfoss-VLT-Aqua-Drive-Antriebe.
Ein übergeordnetes Prozessleitsystem erfasst jetzt die Daten in allen Bereichen, nicht nur für die Pumpen. Auch die Klimatisierung sowie die Heizung hängen nun mit am System, das sich über eine intuitive, visuelle Oberfläche bedienen lässt. Diese ist nicht nur in der Leitstelle verfügbar, sondern erlaubt den Zugriff auch über mobile Geräte. Dabei lassen sich – mit entsprechenden Rechten – auf Mausklick oder Fingerdruck alle Daten abrufen und auch Einstellungen vornehmen.
Die neuen VLT Aqua Drive befinden sich direkt neben den anzusteuernden Pumpen. Dabei sind die Berner einen kreativen Weg gegangen: Sie haben die großen Umrichter zusammen mit den AHF-Filtern zur Reduzierung der Netzrückwirkungen an frei stehenden Rahmen montiert und mit den übrigen Baugruppen zusammen verdrahtet, um anschließend die Schaltschrankgehäuse einfach überzustülpen (Bild 3). Dies erlaubt eine kompakte und übersichtliche Verdrahtung in der Halle, die optisch im historischen ­Gewand geblieben ist. Zuletzt entspricht jetzt auch die komplette Installation den neusten Anforderungen, inklusive modernem Blitzschutz, Erfüllung aller Sicherheitsvorschriften sowie einer optimierten Überwachung des gesamten Areals.

Pumpensteuerung für reibungslosen ­Anlagenbetrieb
Die VLT Aqua Drive sind speziell auf den Betrieb von Pumpenanwendungen optimiert und stellen für diesen Zweck eine Reihe von Spezialfunktionen zur Verfügung. Daneben sorgt er mit einem Wirkungsgrad von typisch 98 % für eine optimale Energienutzung. Dazu tragen auch ein Sleep-mode und eine automatische Energieoptimierung bei. Die Umrichter passen die Drehzahl der acht Pumpen auf die notwendige Geschwindigkeit an und optimieren den Betrieb. Der sanfte Anlauf und die reduzierten Starts reduzieren den Verschleiß sowie den Energiebedarf in der Anlage.
Die Ansteuerung der VLT Aqua Drive kann sowohl mit analogen Steuersignalen als auch über Feldbusschnittstellen erfolgen. Im Hauptpumpwerk sind die Frequenzumrichter mittels analoger Signalleitungen in das Leitsystem eingebunden. Dies erlaubt eine einfache Diagnose im Fehlerfall und reduziert die Komplexität. Redundanz der eingesetzten Systeme sichert ­eine jederzeit zuverlässige Versorgung der Bevölkerung.
Das grafische Bedienfeld erlaubt die schnelle Kontrolle vor Ort und gibt einen Überblick über alle wesentlichen Kenngrößen der Pumpen sowie der Frequenzumrichter. Zudem erleichtert es im Fehlerfall die Diagnose vor Ort über eingebaute Scope-Funktionen und eine intuitive Bedienung.

Filter reduzieren Netzrückwirkungen
Frequenzumrichter optimieren zwar die Energieeffizienz, belasten aber das speisende Netz mit Netzrückwirkungen. Sie verzerren die speisende Spannung im Zusammenwirken mit der Netzimpedanz. Dabei steigen die Rückwirkungen mit Größe und Anzahl der Umrichter an.
Netzrückwirkungen können die Funktion empfindlicher Messgeräte, wie sie in einer Wasseraufbereitung zum Einsatz kommen, stören, bei zu hohen Werten die Lebensdauer von Baugruppen reduzieren und sogar zu einer vorzeitigen Zerstörung führen. Zudem verhindern sie die optimale Ausnutzung von Transformatoren durch zu erbringende Blindleistung höherer Frequenz.
Aufgrund der hohen Leistung der eingesetzten Frequenzumrichter setzte die WVRB AG zur ­Reduzierung dieser Auswirkungen auf AHF-Filter von Danfoss. Dabei handelt es sich um passive Filter, die in den Eingangskreis der Frequenzumrichter geschaltet sind. Sie reduzieren die in das Netz implizierten Oberschwingungsströme auf unter 5 % THDi (Total Harmonic Distortion).

Sichere Versorgung auch für die Zukunft
Wasser bedeutet für den Menschen Leben. Daher kommt der Wasserversorgung große Bedeutung im täglichen Leben zu, was sich auch im durchschnittlichen Verbrauch von 162 l Wasser pro Tag und Kopf der Einwohner widerspiegelt. Die Wasserverbund Region Bern AG versorgt ihre Kunden zuverlässig und in ausreichender Menge mit Trinkwasser höchster Qualität. Mit dabei ist in der geschilderten neuesten Anlagen auch die Antriebstechnik von Danfoss. Technisch ausgereifte Anlagen und umfangreiches Wissen der Techniker und Spezialisten garantieren auch in Zukunft bestes Wasser. (no)

Frederic Muller ist Verkaufsingenieur Wasser/­Abwasser/Energie bei der Danfoss GmbH VLT ­Antriebstechnik in Frenkendorf/Schweiz. frederic.muller@danfoss.ch