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I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
ASWA - SMARTES TRINKWASSER AUS AUTARKEN, EFFIZIENTEN UND MOBILEN WASSERWERKEN
Aufgabenstellung1
In kaum einem Bereich sind die
Differenzen zwischen Anspruch und
Wirklichkeit so gro wie im Bereich der
Trinkwasserversorgung: Zwar haben die
UN das Recht auf sauberes Wasser in den
Menschenrechtskatalog aufgenommen,
doch haben weltweit nach wie vor ber
800 Millionen Menschen keinen Zugang zu
sauberem Wasser, weit ber 2 Milliarden
keine einfachsten sanitren Anlagen.
Bisherige, mobile Trinkwasseraufbeitungs-
lsungen - beispielsweise fr den Einsatz
in Katastrophenregionen - bestehen meist
aus mehreren Modulen und chemischer
Aufbereitung, die aufwndig installiert und
in einem betriebsbereiten Zustand gehalten
werden mssen. Im Rahmen von ASWA
(autarken Systemlsung zur Wasser- /
Abwasseraufbereitung) soll daher ein vllig
neuer Ansatz zur Wasseraufbereitung
umgesetzt und in Wachstumsregionen wie
z.B. Asien positioniert werden.
Das mobile Wasserwerk
Fr das angestrebte Trinkwasseraufberei-
tungskonzept ASWA sind einige technische
Neuerungen geplant, die zum einen den
Installations- und Wartungsaufwand
minimieren, zum Anderen eine Vielzahl
an neuen Funktionen ermglichen. Dazu
gehren im Wesentlichen:
Leicht, transportabel und kompakt: DIN-Container-Format - weltweite Verladbarkeit
Modular und flexibel: Anpassung an unterschiedliche Wasserqualitten
Autark und energieeffizient: Netzunabhngige Stromversorgung mit Photovoltaik und Windkraft
Robust und wartungsarm: Thermische Isolation und Fernwartung per Mobilfunk oder Satellitenverbinung
Extrem Rohwassereffizient: Output 95 Prozent vom Input
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Wasserversorgung und
Abwasserbehandlung:
Dr.-Ing. Buren Scharaw
Telefon +49 3677 461-121
Dipl.-Ing. Thomas Westerhoff
Telefon +49 3677 461-107
www.iosb-ast.fraunhofer.de
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Technik
Es existieren bereits Anlagen zur Erzeugung
von Trinkwasser, diese bestehen aus meh-
reren Modulen die vor der Nutzung erst
aufwenig in einen betriebsbereiten Zustand
gebracht werden mssen.
Das Gewicht der Anlage wurde um 20%
reduziert. Durch diese Leichtbauweise des
Trinkwasseraufbereitungssystems ASWA
ist eine schnelle Inbetriebnahme am Zielort
mglich.
Das Konzept sieht vor, das dass gefrderte
Rohwasser mittels unterschiedlicher Was-
serbehandlungsmanahmen in Trinkwasser
umgewandelt werden kann. Durch die
flexible Anlagengre ist eine Produktion
von 100 bis 2.000 Liter Trinkwasser pro
Stunde mglich und die Energiespeiche-
rung erlaubt einen Betrieb von bis zu 16
Stunden pro Tag.
Durch die robuste und wartungsarme
Bauweise, sowie die berwachung via
Mobil- oder Satellitenverbindungen ist der
Einsatz auch ohne permanete Betreuung
von Personal vor Ort mglich.
Bei der Realisierung des Konzepts steht
vorallem die Funktionalitt im Focus, so soll
das ASWA Temperaturschwankungen von
+50C bis -20C aushalten und auch bei
Staub und Sandstrmen arbeiten.
Partner
Fachhochschule Schmalkalden KNN Systeme & Dienstleistungen PROTEKUM - Umweltinstitut GmbH
Oranienburg
VKA GmbH
Ausblick
Entwicklung von speziellen Funktionsele-menten fr Abwasser-und Wasserberei-tungsanlagen
Realisierung einer vllig autarken Betriebsweise
Online-Betriebsdatenerfassung & -berwachung zur Fernwartung der Anlagensteuerung
Verbesserung der Wasser-/Abwasser-aufbereitung durch neuartige Klrtechik und Hygieneniesierung
Einfacher Transport und Inbetriebnahme (Gehusesystem aus Leichtbau)
Funktionsabsicherung durch Lebensdau-erhypothesen fr die Steuerung sowie den Schichtverbundwerkstoffen unter Simulation der Einsatzbedingungen (hohe Temperaturschwankungen, hohe Feuchte)
Einsatz in Krisen- sowie und struktur-schwachen Gebieten
2 Prozessabbildung
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Desinfektionslsungen mit UV-LEDS.PDF -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
INNOVATIVE DESINFEKTIONS-LSUNGEN MIT UV-LEDS
Motivation
Wasser hat eine enorme Bedeutung fr die
menschliche Existenz. Mehr als 660
Millionen Menschen weltweit haben noch
keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser,
was wiederum die Verbreitung von
Krankheiten und Epidemien begnstigen
kann. Die Desinfektion von Trinkwasser und
Bereitstellung von sauberem Trinkwasser fr
alle Menschen stellt deshalb einen
Hauptbestandteil der UN-Milleniumziele dar.
Aktuell werden in der Trinkwasser-
desinfektion aus Kostengrnden noch
klassische quecksilberhaltige Strahler den
UVC-LEDs vorgezogen, da ein
wirtschaftlicher Einsatz dieser momentan
noch nicht realisierbar ist. Auch gibt es bei
der Trinkwasserdesinfektion mittels LEDs
viele weitere offene Fragen, die mithilfe der
durchgefhrten Forschungsprojekte geklrt
werden sollen.
LEDs ermglichen jedoch durch ihre
spezifischen Eigenschaften vllig neue
Mglichkeiten, die wesentliche Nachteile
der bisherigen Technik lsen knnen. So
bentigt eine LED keine Aufwrmphase,
das bedeutet, dass ihre Leistung sofort
abgerufen werden kann. Ein inter-
mittierender Betrieb ist dadurch mglich.
Auch bezglich der Anordnung von LEDs
und den Freiheiten bei der Kombination
verschiedener Emissionswellenlngen, die
auf unterschiedliche Wirkmechanismen
abgestimmt werden knnen, ergeben sich
Effizienzvorteile in der Desinfektion. LEDs
erffnen beim Reaktordesign vllig neue
Mglichkeiten. Durch die zunehmende
Leistungsfhigkeit der LEDs werden
perspektivisch auch grere Reaktoren zur
Desinfektion umsetzbar. Darber hinaus ist
durch die geringe Versorgungsspannung
auch der Betrieb mit mobilen
Energiequellen realisierbar, was die
Dimensionen der Nutzung erweitert.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau, Germany
Wasserversorgung und
Abwasserbehandlung:
Dipl.-Ing. Thomas Westerhoff
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1
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1
Umsetzung
Es wurden die technischen Aspekte zum
Ersatz von Quecksilberdampflampen durch
LEDs erarbeitet und die entsprechenden
Regularien recherchiert.
Da LEDs vielfltigste neue Reaktordesigns
ermglichen, wurden verschiedene LED-
Anordnungen simuliert und prototypisch
aufgebaut und vermessen. Unter
Bercksichtigung der gegebenen
Abstrahlcharakteristik konnte hierdurch
eine optimale Anordnung von LEDs
identifiziert werden. Fr diese Designs
wurden anschlieend Khlkonzepte sowie
die notwendige Ansteuerungselektronik
mit Monitoring-Fhigkeiten entworfen und
umgesetzt.
Eine besondere Innovation ist die
Mglichkeit, die LEDs direkt im Wasser
ohne aufwndiges Hllrohr zu betreiben,
wodurch die Leistungsausbeute durch
Wegfall von Reflexionen nochmals
gesteigert werden konnte.
Auf der IFAT 2018 wurden die ersten
Funktionsmuster der Fachwelt prsentiert.
1 Einzelne UV-LED-Sektion
2 Anordnung der LEDs auf einem Modul
Vorteile
Mehr Freiheiten beim Reaktordesign
Wellenlngen mit hherer Desinfektions-
wirkung verfgbar
Keine Aufheizphasen
Gute berwachung und Fernwartung
Hohe Lebensdauer
Sehr hohe mechanische Stabilitt,
vibrationsfest
Quecksilberfrei
Applikationen
Dezentrale Trinkwasserdesinfektion PoU (Point-of-Use) Anwendungen Desinfektion von Flssigkeiten im
klinischen Bereich
Oberflchendesinfektion Luftdesinfektion
Partner
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB
PURION GmbH Xylem Water Services GmbH DVGW - Technologiezentrum Wasser
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EDIT.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
FORSCHUNGSPROJEKT EDIT: HYGIENE ONLINE MONITORING
Aufgabenstellung1
Das Projekt EDIT zielt auf die Entwicklung
einer neuartigen Systemlsung fr das
Inline-Monitoring von wasserbrtigen
Pathogenen, bestehend aus einem
automatisierten Anreicherungs- und
Detektionssystems und dessen Integration
in gngige Wassermonitoringsysteme
fr die Hygieneberwachung von Roh-,
Trink- und aufbereitetem Abwasser sowie
in Oberflchengewssern. Wesentliches
technisches Innovationsmerkmal ist ein
automatisierter Workflow, der durch die
Entwicklung und optimale Abstimmung
verschiedener Komponenten (Subsysteme
fr Ankonzentration, Extraktion und Detek-
tion) erreicht wird. Die Validierung des
Gesamtsystems erfolgt sowohl unter
kontrollierten Versuchsbedingungen in
Laboratorien und Teststrecken wie auch
im Praxiseinsatz bei Endanwendern in der
Wasserwirtschaft.
Forschungsziele
Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung
eines Funktionsmusters, die komplemen-
tiert werden durch die Untersuchung sich
wandelnder klimatischer, hydrologischer
und gesellschaftlicher Rahmenbedingungen
und ihrer Auswirkungen auf die Wasser-
wirtschaft und -hygiene. Grundlage dafr
ist ein auf die Bedrfnisse der Endanwen-
der abgestimmtes, optimal positioniertes
und systemtechnisch integrierbares System
(SIMS). Beide Arbeitsergebnisse werden als
Systemlsung in einem angepassten und
auf zuknftige Herausforderungen
ausgerichteten Hygiene-Online-Monitoring-
System (HOLM) zusammen gefhrt, fr
das sehr gute nationale und internationale
Vermarktungschancen bestehen und das
zahlreiche Einsatzmglichkeiten im Indus-
rie- und Forschungsbereich bietet.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Wasserversorgung und
Abwasserbehandlung:
Dr.-Ing. Buren Scharaw
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Dipl.-Ing. Thomas Westerhoff
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Projektverlauf
Erfassung und Analyse zweier Versor-gungsgebiete
Erstellung der systemtechnischen Modelle
Simulation und Kalibrierung der Modelle Dynamische und hydraulische Simulation Platzierung des HOLM-Systems mittels
Modellsimulation in einer Teststrecke
Entwicklung der mathematischen Beschreibung zur Ausbreitung von Mi-kroorganismen, ihre Modellkalibierung und Umsetzung in einer Softwarelsung
Implementierung von Schnittstellen von SIMS und HOLM sowie dem Prozessleit-system
Test und Erprobung der entwickelten Manahmen
Projektparnter
Fraunhofer IOSB - Institutsteil Ange-wandte Systemtechnik AST
Helmholtz-Zentrum fr Umweltfor-schung GmbH (UFZ)
Institut fr Wasserchemie - TU Mnchen Institut fr Mikrosystemtechnik -
Universitt Freiburg
DVGW-Technologiezentrum Wasser Karlsruhe
r-biopharm AG GWK Przisionstechnik GmbH Berliner Wasserbetriebe Trinkwasserversorgung Magdeburg
GmbH
Stadtwerke Marburg GmbH badenova AG & Co. KG Stadtwerke Waldkirch GmbH
Ausblick
Zuknftig besteht fr das EDIT-HOLM-
System eine Vielzahl von Einsatzfeldern:
Wasserversorgern ermglicht ein schnelles
und automatisiertes Hygienemonitoring
nicht nur die Sicherstellung einer hygienisch
einwandfreien Trinkwasserbereitstellung,
sondern auch die Reduzierung prophylak-
tischer Desinfektionsmanahmen (wie z.B.
Chlorsplungen). Unter Feldbedingungen
wird das vergleichsweise kompakte System
ein schnelles und przises Monitoring der
mikrobiologischen Qualitt von Oberfl-
chen-, Grund- und Trinkwasser erlauben
selbst in Gebieten, in denen bislang
zuverlssige quantitative Testverfahren nicht
zur Verfgung standen.
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HAPPI.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
KLEINWASSERKRAFTWERKE: BEWERTUNG UND VERBESSERUNG DER KLIMASCHUTZ POTENTIALE DURCH INTELLIGENTE TECHNOLOGIEN
Herausforderung
In der VR China soll die Verwendung von
Holz und anderen Brennstoffen durch
Kleinwasserkraftwerke signifikant reduziert
werden, um eine klimavertrgliche Ener-
gieinfrastruktur aufzubauen. So
werden allein bis 2014 ber tausend
Kleinanlagen in 24 Provinzen als treibstoff-
substituierender Wasserkraftwerke (Small
Hydropower Substituting Fuel SHSF)
installiert.
Mit der Energienutzung aus Wasserkraft
sind gleichzeitig aber auch groe
Auswirkungen auf Gewsserkologie,
Wasserfhrung, Soziokonomie oder das
aquatische kosystem verbunden, die
bisher nur in geringem Ausma in China
bercksichtigt werden. Oft beeinfluen sich
diese mehrkriteriellen Problemstellungen
gegenseitig.
Forschungsziele
Im deutsch-chinesischen Forschungsprojekt
HAPPI soll ein Bewertungsansatz fr
Planung, Bau und Betrieb von Kleinwas-
serkraftanlagen mit folgenden Aspekten
entwickelt werden:
kologische Auswirkungen: Klima-schutzpotenzial sowie Natur- und Gewsserschutz, wie z.B. nderungen in Flora und Fauna, der Landschaft und der
Fliegewsser sowie der Landnutzung,
konomische Auswirkungen: Kosteneffizienz, Netzinfrastruktur und Verbrauchernhe, Realisierungszeitraum, Standort- und bautechnische Optimie-
rung sowie
soziale Auswirkungen: verbesserte Infra-struktur, Beschftigung, Einfluss auf das Entwicklungspotenzial der lndlichen Besiedlung, Armutsbekmpfung und Umsiedlungen.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Oberflchenwasser und
Maritime Systeme:
Prof. Dr.-Ing. Thomas Rauschenbach
Telefon +49 3677 461-124
Fax +49 3677 461-100
www.iosb-ast.fraunhofer.de
www.happishp.com
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Arbeitspakete
Nachhaltigkeitsbewertung Umwelt Nachhaltigkeitsbewertung Klima Nachhaltigkeitsbewertung
Soziokonomie
Hydrologische Modellierung und CO2-Bilanzierung
Hydraulik und Standortoptimierung Geotechnologie und
konstruktiver Wasserbau
Steuerungs- und Managementstrategien Energiemanagementstrategien Finanzierungsstrategien und
Betreibermodelle
Monitoringsystem Integrierter Planungsleitfaden Automatischer Kaskadenbetrieb Ex-Post Evaluierung der
Nachhaltigkeitsaspekte
Machbarkeitsevaluierung Beteiligungsprozesse und
Capacity-Building
Projektpartner
Fraunhofer IOSB - Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Fraunhofer-Institut fr System- und Innovationsforschung ISI
Universitt Kassel G.U.B. Ingenieur AG Umwelt- und Ingenieurtechnik
Dresden GmbH
Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH
G.M.F. mbH - Gesellschaft fr Me- und Filtertechnik mbH
Ausblick
Neben den kologischen Vorteilen und der
optimierten Nutzen des enormen, bisher
unerschlossenen Energiepotenzials der
Wasserkraft, insbesondere in China, zielt
HAPPI auch auf die Erlangung wirtschaft-
lichen Nutzens durch Know-how-Transfer,
Patente und Export von Ingenieurdienst-
leistungen und Anlagenlieferleistungen.
Folgende Ziele stehen daher in der
Ergebnisverwertung im Vordergrund:
Anwendung von Modellen zur Stand-ortbewertung und den Entwurf von energetisch optimierten Wasserkraftan-lagen aus hydrologischer, hydraulischer, kologischer und konomischer Sicht.
Einsatz von Dimensionierungsverfahren zur optimalen Gestaltung von hyd-raulischen Anlagen des konstruktiven Wasserbaus bei Wasserkraftanlagen in
weitgehend modularer Bauweise.
Durchfhrung gewsserkologischer Gestaltungskonzepte bei Staubau-werken, hydraulischen Kanlen und der Anwendung fischfreundlicher
Kraftwerkstechnik.
Schulungen zur Anwendung der entwickelten Fhrungsinstrumente
fr das Qualittsmanagement und die
Gewhrleistung des Gesundheits- und
Arbeitsschutzes am Bau.
Beratungsleistungen zur Entwicklung von marktfhigen Unternehmensstruk-
turen fr Betrieb und Wirtschaftlichkeit
von Energieversorgungsunternehmen.
Entwicklung und Anwendung von Finanzierungs- und Betreibermodellen,
die auf die rechtlich-gesellschaftlichen
Verhltnisse Chinas ausgerichtet sind.
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HydroDyn.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
WASSERNETZMANAGEMENT MIT HYDRODYN
Problemstellung
Betreiber von Trinkwasserverteilnetzen
stehen vor vielfltigen Problemen. Ihre
Hauptaufgabe ist die sichere und nachhalti-
ge Versorgung der Abnehmer mit qualitativ
hochwertigem Trinkwasser. Hierzu ist ein
komplexes Management des Versorgungs-
systems aus Hochbehltern, Pumpen,
Ventilen und Rohrleitungen notwendig.
Die Verbruche der Abnehmer mssen ab-
geschtzt, der Fllstand der Hochbehlter
sinnvoll gesteuert und die Pumpen sollten
zur Erhhung der Lebensdauer nicht zu
oft geschaltet werden. Auerdem mssen
regelmige Wartungsarbeiten geplant
und durchgefhrt werden, oft sind auch
Planungen fr Netzerweiterungen ntig.
All diese Aufgaben sollen natrlich mg-
lichst kostengnstig durchgefhrt werden
und sind ohne weitgehend automatisch
arbeitende technische Hilfsmittel kaum
noch realisierbar.
Fr den operativen Betrieb steht dem
Betreiber im Allgemeinen ein Prozessleit-
system zur Verfgung, dessen Regeleinstel-
lungen auf langjhrigen Erfahrungswerten
beruhen und einen stabilen, aber nur selten
wirklich kostenoptimalen Betrieb ermgli-
chen. Systeme zur aktiven Leckerkennung
und Leckortung sind selten installiert, so
dass Schden im Leitungssystem hufig zu
spt oder gar nicht erkannt werden.
Das HydroDyn Softwarepaket bietet eine
einzigartig flexible Auswahl an Online-
Werkzeugen zur Betriebsuntersttzung mit
transparenter Integration in bestehende
Systeme. Es hilft somit dem Betreiber seine
Anlage effektiver und sicherer zu steuern.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ihr Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Steffen Dietze
Telefon +49 3677 461-127
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Lsungen mit HydroDyn
Die Software HydroDyn erlaubt die Model-
lierung und Simulation von Wassernetzen
basierend auf einer modifizierten Version
des global etablierten Epanet-Rechenkerns.
Integration: Modelldaten knnen aus
Fremdsystemen bernommen werden.
HydroDyn kann ber eine OPC-Schnittstelle
oder ber Datenbankschnittstellen mit dem
Prozessleitsystem gekoppelt werden. Zur
Untersttzung des Betriebs von Wasserver-
sorgungsunternehmen ist es somit mglich,
HydroDyn auer fr planerische Aufgaben
vor allem prozessbegleitend einzusetzen.
Die folgenden, auf die jeweilige Situation
vor Ort anzupassenden Module stehen
dafr zur Verfgung:
Prozessbegleitende Simulation: Ein
Simulationsmodell luft online in Echtzeit
und basierend auf aktuellen Messwerten
parallel zum realen Prozess mit. Dies
ermglicht Einblicke in den Prozess an
Stellen, fr die keine Messwerte vorhanden
sind. Auerdem knnen ber Differenzen
zwischen simulierten und gemessenen
Werten Probleme im Netz erkannt werden.
Leckerkennung: Mit Hilfe verschiedener
Methoden wie Messwertmonitoring,
Volumen- und Massenbilanzen sowie
Vergleichen zwischen gemessenen und
simulierten Werten lassen sich mgliche
Leckagen erkennen und in ihrer Gre
abschtzen.
Referenzen
Verschiedene Module des Systems werden
in groen Pipelinesystemen im Nahen
Osten implementiert:
Saudi-Arabien Kuwait Vereinigte Arabische Emirate Libyen Mongolei
Leckortung: Basierend auf der vorherge-
henden Leckerkennung wird mit Methoden
wie Negative Pressure Wave und
Druckgradientenberechnung eine Abscht-
zung des Leckortes vorgenommen. Dabei
knnen alle im Netz vorhandenen Sensoren
bercksichtigt werden. Pinpoint-Suchver-
fahren mittels akustischem Korrelator oder
Bodenmikrofonen knnen so zielgerichteter
und zeitsparender erfolgen.
Verbrauchsprognose: Durch mathema-
tische Verfahren wird der wahrscheinliche
Verbrauch der Abnehmer im Netz fr die
nchsten 24 Stunden vorhergesagt.
Prozessoptimierung: Mittels mathemati-
scher Optimierungsverfahren und basierend
auf der hydraulischen Berechnung des
gesamten Netzes sowie der Verbrauchs-
prognose werden stndlich Vorschlge fr
den kostenoptimalen Betrieb des System
aus Hochbehltern, Pumpen und Ventilen
berechnet.
Transparenz: Alle Verfahren knnen so
in das Prozessleitsystem integriert werden,
dass der Einsatz fr den Betreiber vllig
transparent ist. Da die Verfahren den klas-
sischen Leitsystemfunktionen bergeordnet
sind und ausschlielich Handlungsvorschl-
ge generieren, bleiben alle im Leitsystem
realisierten Sicherheitsfunktionen intakt
und es entsteht bei ihrem Einsatz kein ber
den bisherigen Betrieb hinausgehendes
Risiko. Der Betreiber wird im optimalen
Betrieb seines Systems untersttzt.
KMU-MEM.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
ENERGIEEFFIZIENTE ABWASSER-BEHANDLUNG IN MEMBRAN BIO-REAKTOR DURCH ULTRASCHALLREINIGUNG
Aufgabenstellung1
In herkmmlichen Klranlagen wird das
Abwasser in drei Stufen gereinigt. In der
ersten Reinigungsstufe wird das Abwasser
mechanisch in Rechen- und Siebanlagen
gereinigt. In der zweiten Reinigungsstufe
wird das Abwasser dann biologisch gerei-
nigt. In konventionellen Anlagen werden
in einem Absetzbecken die gebundenen
Abwasserinhaltsstoffe als Schlamm vom
Klarwasser getrennt. Das Klarwasser wird in
der Regel in einen Fluss, den sogenannten
Vorfluter, eingeleitet.
In Wasserschutzgebieten ist je nach
Anforderung des Vorfluters eine
dritte Reinigungsstufe erforderlich. Hier
werden konventionell Sandfilter und eine
Desinfektionsstufe eingesetzt. Viren und
Bakterien sollen in der Desinfektionsstufe
abgettet werden. Eine Alternative zu
dieser herkmmlichen Tertirstufe ist die
Membranfiltration.
In Membran-Bio-Reaktoren (MBR)
konnte der Volumenbedarf fr die gesamte
Klranlage erheblich reduziert werden, da
die Membranen direkt in den Bio-Reaktor
eingetaucht werden. Somit knnen das
Nachklrbecken, die Sandfilter und die
Desinfektionsstufe komplett entfallen.
Allerdings tritt bei MBR-Anlagen das Prob-
lem des Bio-Fouling, des Bewuchses der
Membrane mit einer organischen Schicht,
auf. Um diese Schicht zu entfernen,
kann entweder eine Crossflow-Belftung
eingesetzt werden, oder eine chemische
Reinigung whrend des Rcksplvorgangs.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
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Wasserversorgung und
Abwasserbehandlung:
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gefrdert durch
1
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Umsetzung
Um die enormen Energiekosten fr die Abreinigung der Membranen zu optimieren wird versucht, die Crossflow-Belftung mit herkmmlichen grobblasigen Belftern durch den Einsatz von Ultraschallwellen ge-neriert durch Plattenschwinger zu ersetzen.
Die Hauptbestandteile des Projektes sind:
Ermittlung der geeigneten Ultraschall-frequenz
Ermittlung der Reinigungsdauer und Hufigkeit
Erarbeitung eines Steuerungskonzeptes Umsetzung des Steuerungskonzeptes
Das gesamte Steuerungskonzept wird dabei vom Fraunhofer AST entwickelt und praktisch umgesetzt.
Ziel
Ziel ist hierbei die Entwicklung einer prozessadaptiven und somit energie-sparenden Anpassung von Reinigungs-dauer, Intensitt und Frequenz an die jeweilige Verschmutzung. Hierfr mssen geeignete, online messbare Hilfsgren zur Erfassung des aktuellen Verschmut-zungsgrades, der hauptschlich durch die im Wasser befindlichen Partikel sowie durch Bio-Fouling bestimmt wird, ermittelt werden. Durch den Einsatz der intelligenten Steuerung in Zusammenhang mit den neuartigen Reinigungsverfahren sollte der Energieeinsatz von MBR Anlagen erheblich reduziert werden knnen.
Partner
SGS Aqua Technologies GmbH Fraunhofer AST
1
22 berblick ber das Steuerkonzept.
1 Membran Bio-Reaktor
Zentrale Steuereinheit,entweder spezielle Hardware fr Industrieeinsatzoder auch jedes Android-basierte Handy/Tablet
Langzeitdatenspeicherung,Benutzerinterface
Schnittstellen zu Fremdsystemen
12 V Verschiedene Protokolle
Lokale Steuereinheitautonom arbeitsfhig
Lokale Steuereinheitautonom arbeitsfhig
Lokale Steuereinheitautonom arbeitsfhig
SteuerungenMesswerte auslesen
4-20 mADigital
SteuerungenMesswerte auslesen
4-20 mADigital
SteuerungenMesswerte auslesen
4-20 mADigital
Ethernet/UDP
O1 PumpensteuerungO2 UltraschallsteuerungI1 DurchflussmessungI2 Unterdruckmessung (ca. 700 mBar)I3 TrbungsmessungI4 TS-MessungSpter:O3 Pumpe VorlagebehlterI5 Wasserstand Vorlagebehlter
MOSIOP_UV_LED.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
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MOSIOP - MODELLBASIERTE SIMULATION UND OPTIMIERUNG EINES UV-LED BASIERTEN DESINFEKTIONSMODULS
Motivation
Wasser hat eine enorme Bedeutung fr
die menschliche Existenz. Mehr als 660
Millionen Menschen weltweit haben noch
keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser,
was wiederum die Verbreitung von
Krankheiten und Epidemien begnstigen
kann. Die Desinfektion von Trinkwasser und
Bereitstellung von sauberem Trinkwasser fr
alle Menschen stellt deshalb einen Haupt-
bestandteil der UN-Milleniumziele dar.
Aktuell werden aus Kostengrnden noch
klassische Strahler den UVC-LEDs vorge-
zogen, da ein wirtschaftlicher Einsatz dieser
momentan noch nicht realisierbar ist.
Ebenso gibt es bei der Trinkwasser-
desinfektion mittels LEDs noch einige
offene Fragen, die mithilfe dieses Teil-
projektes geklrt werden sollen.
LEDs ermglichen jedoch durch Ihre
spezifischen Eigenschaften auch einige
Mglichkeiten, die wesentliche Nachteile
der bisherigen Technik lsen knnen. Eine
LED bentigt keine Aufwrmphase, das be-
deutet, dass ihre Leistung sofort abgerufen
werden kann. Ein intermittierender Betrieb
ist dadurch mglich. Auch bezglich der
Anordnung von LEDs und den Freiheiten
bei der Kombination verschiedener Emis-
sionswellenlngen, die auf unterschiedliche
Wirkmechanismen abgestimmt werden
knnen, ergeben sich besonders beim
Reaktordesign vielfltige Mglichkeiten.
Durch die zunehmende Leistungsfhigkeit
der LEDs werden perspektivisch auch klei-
nere Reaktoren zur Desinfektion umsetzbar.
Darber hinaus ist durch den geringen
Bedarf an Versorgungsspannung auch der
Betrieb mit mobilen Energiequellen reali-
sierbar, was die Dimensionen der Nutzung
erweitert.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau, Germany
Wasserversorgung und
Abwasserbehandlung:
Dipl.-Ing. Thomas Westerhoff
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1 Simulation des Wasserflusses im Inneren, ohne
Trennwnde
1
2 Anordnung der LEDs auf einem Modul
Umsetzung
Der Institutsteil Angewandte Systemtechnik
(AST) des Fraunhofer IOSB untersucht
zunchst die technischen Aspekte zum
Austausch von Quecksilberdampflampen
durch LEDs und die entsprechenden
Regularien. Weiterhin werden verschiedene
LED-Anordnungen getestet. Unter Berck-
sichtigung der gegebenen Abstrahlcharak-
teristik soll die optimale Anordnung von
LEDs identifiziert werden.
Im Folgenden Verlauf wird sowohl simulativ
als auch experimentell ein Khlkonzept
entwickelt, welches die Alterung der LEDs
soweit mglich verringern soll.
Einen weiteren wichtigen Punkt stellt die
Entwicklung eines druckresistenten und UV-
bestndigen transparenten Gehuses und
einer wasserdichten Modulsteckverbindung
dar.
Den Abschluss bildet die Ausarbeitung
des Funktionsmusters des Moduls und die
Entwicklung der Modulplatine.
Ziel
Das Hauptziel ist zunchst die Entwicklung
eines kaskadierbaren UVC-LED Desinfek-
tionsmoduls.
Aufgrund der Trinkwasserproblematik wird
eine einfache und sichere Handhabung
angestrebt, die den flchendeckenden
Einsatz in betroffenen Lndern ermglicht.
Hierzu werden Grundlagenuntersuchungen
durchgefhrt welche Wissenslcken, die
aktuell im Bereich des effizienten Einsatzes
von UV-LEDs zur Wasserdesinfektion
existieren, schlieen. Die gewonnenen Er-
kenntnisse flieen direkt in die Entwicklung
des Moduls ein und sollen eine Nutzung
des UV-LED Moduls am PoU (Point of
Use) sowie in grotechnischen Anlagen
ermglichen.
Partner
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB
PURION GmbH Xylem Water Services GmbH DVGW - Technologiezentrum Wasser
MoMo-Phase-II.pdf -
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MOMO PHASE II: SBR-PILOTKLRANLAGE & WASSERMONITORING
Aufgabenstellung1
Die Mongolei ist ein Land der Extreme:
Temperaturschwankungen von +40 Grad
bis -40 Grad Celsius ber das Jahr verteilt,
ausgedehnte Wlder mit reichhaltigen
Niederschlgen im Norden und lebens-
feindliche Bedingungen in der Wste
Gobi - zusammengenommen stellen diese
Faktoren eine Herausforderung fr eine
nachhaltige Wasserbewirtschaftung der
Region dar.
Fr MoMo wurde die Mongolei daher als
Modellregion fr die Bearbeitung, Lsung
und Umsetzung eines auf die nachhaltige
Nutzung ausgerichteten, integrierten
Wasserressourcenmanagements (IWRM) in
Zentralasien ausgewhlt.
Das Forschungsprojekt MoMo gliedert sich
in mehrere Phasen: Schwerpunkt der ersten
Phase war die Erarbeitung von Grundlagen
auf Basis wissenschaftlicher Analysen. In
der zweiten Phase liegt der Fokus auf der
prototypischen Umsetzung der in Phase I
generierten Handlungsempfehlungen.
1 Installation von Sensorik fr die
dynamische Netzberechnung mit
HydroDyn
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gefrdert durch
-
Monitoring
Installation von Datenloggern zur Erfassung der Grundwasserressourcen
Aufbau eines Grundwassermessnetzes mit entsprechender Datenbank-anbindung
Analyse der Grund- und Tinkwasser-qualitt in Darkhan, den Gersiedlungen sowie in der regionalen Umgebung
Klranlage Darkhan
Optimaler Betrieb der Klranlage Darkhan
Implementierung innovativer Optimierungsalgorithmen
Analyse der Abwasserqualitt
Sequential Batch Reactor (SBR)
SBR zur Abwasserreinigung Pilothafte Implementierung der
SBR-Anlage
Kooperation mit p2m und der USAG Darkhan
Innovative, dezentrale Technik zur Abwassereinigung
Modellierung und Simulation der Abwassereinungsprozesse
Optimale Steuerung der Anlage hin-sichtlich verschiedener Reinigungsziele und unter Bercksichtigung der ueren Randbedingungen, z.B. niedrige Tempe-raturen und kontinentales Klima
Implementierung, Umsetzung und Pro-grammierung einer vollautomatisierten SPS-Steuerung fr den SBR-Reaktor
Trinkwasserverteilnetz
Modellierung und Simulation der Trinkwasserverteilung in Darkhan
Installation von Sensoren in das Trinkwassernetz
Verbesserte Modellkalibrierung durch eingebaute Messtechnik
Leckortung Analyse und Identifikation
der Schwachstellen im Trinkwasser-
verteilnetz
Behebung der Schwachstellen und Lecks in Zusammenarbeit mit
der USAG Darkhan
Kooperationspartner
Bauhaus Universitt Weimar Bergmann Abwassertechnik CESR - Center for Environmental
Systems Research
geoflux GbR Helmholtz-Zentrum fr Umweltfor-
schung GmbH - UFZ
Leibniz-Institut fr Gewsserkologie und Binnenfischerei
p2m berlin GmbH Passavant-Roediger GmbH Seeconsult GmbH Terrestris GmbH & Co. KG Universitt Heidelberg Vista Geowissenschaftliche
Fernerkundung GmbH
2
MoMo-Phase-III.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
MOMO PHASE III: PRAKTISCHE UMSETZUNG VON IWRM- KONZEPTEN IN DARKHAN
Aufgabenstellung
Darkhan ist mit rund 90.000 Einwohnern
die drittgrte Stadt in der Mongolei und
das Einzugsgebiet um Darkhan-Uul-Aimag
die zweitgrte Industrieregion des
Steppen- und Wstenstaates. Die Stadt
wurde zu Beginn der 1960er Jahre als
Industriestandort nach sozialistischem
Vorbild auf der grnen Wiese errichtet.
Seit 2006 beschftigt sich das Fraunhofer
IOSB-AST im Rahmen der Frdermanahme
Integriertes Wasserressourcenmana-
gement IWRM in der Modellregion
Mongolei mit der Sicherstellung der Trink-
wasserversorgung und Verbesserung der
Abwasserbehandlung in und um Darkhan.
Probleme entstehen dabei vorallem durch
die veraltete technische Infrastruktur und
intensive Industrie- und Bergbauaktivitten
im Einzugsgebiet Kharaa. So konnten
Fraunhofer-Wissenschaftler in der Phase I
und II des Forschungsprojektes mit einem
Monitoringsystem Trinkwasserverluste von
ber fnfzig Prozent im Wasserversor-
gungsnetz von Darkhan nachweisen. Eine
weitere Hrde sind die Siedlungsstrukturen:
Etwa die Hlfte aller Einwohner von Dark-
han lebt in peri-urbanen Siedlungen ohne
Anschluss an ein zentrales Trinkwasser- und
Abwassersystem. Der Schwerpunkt in
Phase III des MoMo-Projektes liegt daher
darauf, die in den vorangegangenen
Projektphasen ermittelten und getesteten
wissenschaftlichen und technischen
Lsungen im volltechnischen Mastab
umzusetzen. Auerdem sollen die Anstze
in vergleichbare Regionen bertragen
und damit ein erweiterter Zugang zum
zentralasischen Markt im Bereich des
Umwelt- und Wassersektors geschaffen
1 Tiefbrunnen fr Grundwasser-
monitoringsysteme
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2 Bau einer dezentralen Klr-
anlage in lndlicher Region
2
-
Grundwasser
Erstellung und Implementierung eines langfristigen Grundwassermonitorings mit lokalen Partnern
Schrittweise bergabe des Grundwasser-Monitorings in die Eigenverantwortlich-keit der mongolischen Partner
Abwasser
Weiterer Ausbau der in MoMo Phase II getesteten WSB-Technologie und bertragung auf zehn bis fnfzehn Mehrfamilienhuser in Darkhan
Zustandserfassung und Belastung der Abwasserkanalisation mittels technischer Simulationswerkzeuge
Beratungsleistungen fr die Sanierung der Zentralklranlage der Stadt Darkhan
Trinkwasser
Sanierung von zwei Leitungsabschnitten 2012 und 2014 haben die Trinkwasser-verluste um fnfzehn Prozent reduziert
Sanierung im Stadtteil Mangirt mit hchster Prioritt, da hier die Trinkwas-serverluste bei ber 70 Prozent liegen
Stromerzeugung mittels Turbine ber eine DN600-Fallleitung
Online-Fernablesung von Wasserzhlern
Projektbegleitende Manahmen
Zulassungen und Standardisierungen der in MoMo Phase II getesteten Verfahren
Pre-Feasibility-Study zur Verbesserung der Trinkwassersituation in Darkhan
Betreibermodelle fr fachliche und bautechnische Umsetzung von WSB-
Anlagen
Austauschprogramme (DAAD) und Capacity Development mit der KRBA
(Kharaa River Basin Management)
Technische Ausbildung, Training und Schulung von Fachkrften
Kooperationspartner in Deutschland
Bergmann Abwassertechnik AG Deutsches Institut fr Entwicklungs-
politik (DIE)
Helmholtz-Zentrum fr Umwelt-forschung GmbH - UFZ
Leibniz-Institut fr Gewsserkologie und Binnenfischerei
p2m berlin GmbH Terrestris GmbH & Co. KG
Kooperationspartner in der Mongolei
Ministry for Construction and Urban Development
Ministry for Environment and Green Development
Ministry for Education, Culture and Sport
Mongolian University of Science and Technology (MUST)
National Water Authority of Mongolia Darkhan-uul Aimag Darkhan Sum and Orkhon Sum Communal water supply of Darkhan city
(USAG)
Fa Gereege Construction Fa Ultrasonic LLC
3
3 Neubau einer Abwasserzubrin-
gerleitung in lndlicher Region
MoMo.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
MOMO: INTEGRIERTES WASSER-RESSOURCENMANAGEMENT INZENTRALASIEN
Aufgabenstellung1
Die Mongolei ist ein Land der Extreme:
Temperaturschwankungen von +40 Grad
bis -40 Grad Celsius ber das Jahr verteilt,
ausgedehnte Wlder mit reichhaltigen
Niederschlgen im Norden und lebens-
feindliche Bedingungen in der Wste
Gobi - zusammengenommen stellen diese
Faktoren eine Herausforderung fr eine
nachhaltige Wasserbewirtschaftung der
Region dar.
Die Mongolei wurde als Modellregion fr
die Bearbeitung, Lsung und Umsetzung
eines auf die nachhaltige Nutzung
ausgerichteten, integrierten Wasserressour-
cenmanagements (IWRM) in Zentralasien
vorgeschlagen. Es wird ein Ansatz verfolgt,
in dem Nutzungs- und Schutzbelange, die
Manahmen und die Umsetzung in einem
interdisziplinren Management integrativ
bearbeitet werden.
Fr das Projekt wurde eine Laufzeit von
3 plus 2 Jahren, aufgeteilt in mehrere
Phasen und in definierte Arbeitsschritte,
veranschlagt.
1 Die oft dezentral anzutreffen-
den Jurtensiedlungen in der Mon-
golei stellen eine Herausforderung
fr eine nachhaltige Trinkwasser-
versorgung dar.
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Ziele
Identifizierung der Schwachstellen und Engpsse des Versorgungsnetzes
Konzepterstellung zur Sanierung von Leitungsnetzen und Infrastrukturen
Planung und optimale Bemessung der Anlagen
Optimiertes Management der Wasserver- und Abwasserentsorgung in lndlichen sowie stdtischen Gebieten
Verringerung der bernutzung von Wasserressourcen und von diffusen Gewsserbelastungen
Effektive Wassernutzung, Wasserpreis-entwicklung
Sicherung kologischer Funktionen und Naturschutz, stdtische Entwicklung und Bevlkerungsexplosion
Aufbau von Forschungs- und Entwick-lungsaktivitten
Bildung und ffentlichkeitsarbeit Wissenstransfer (Einzugsgebiet, Region,
Mongolei, Zentralasien)
Methoden
Mittels der im Fraunhofer AST entwi-
ckelten Simulationsprogramme werden
die Schwachstellen und Engpsse der
Versorgungs- und Entsorgungsnetze
bestimmt und schlielich eine optimale Pla-
nungsaufgabe zur Systemauslegung sowie
optimierte Vorschlge zur Bewirtschaftung
unterbreitet und damit z.B. die immens ho-
hen Sanierungs- und Betriebskosten mini-
miert. Mittels Kostenvergleichsrechnungen
werden Sanierungsalternativen untersucht
und Entscheidungshilfen vorgeschlagen
dahingehend, ob systematische Repara-
turen oder eher Erneuerungen mit den
entsprechend erforderlichen Investitionen
zu einem optimierten Kapitaleinsatz fhren.
Neben der Analyse des derzeitigen Zustan-
des der Anlagen und der anzusetzenden
Sanierungskosten werden in den Anstzen
die verfgbaren Einnahmen (Gebhren),
Nutzungsdauer der Anlagen und die
Belange der Nutzergruppen bercksichtigt.
Sensitivittsanalysen zeigen den Betreibern
der Wasserversorgungsanlagen und den
politischen Entscheidungstrgern
auf, wie sich die gewhlten Anstze
langfristig auf Kosten (Einnahmen und
Ausgaben) und Vermgen (Werteverzehr)
auswirken.
Partner
Ing.-Bro Dr. Pecher und Partner Leibniz Institut fr Gewsserkologie
und Binnenfischerei Berlin
Universitt Kassel TU Ilmenau
2 Das Fehlen flchendeckender
Trinkwassernetze erfordert in der
Modellregion Mongolei so
genannte Wasserkioske
2
POS.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
POS: PROZESSOPTIMIERUNGS-SYSTEM FR KLRANLAGEN
Aufgabenstellung1
Moderne Klranlagen sind komplexe
Gebilde. Ein optimaler Betrieb ist aufgrund
der vielen mglichen Stellgren und
sich widersprechenden Teilziele der
verschiedenen Prozesse nur sehr schwierig
zu erreichen. Deshalb steht das Prozessopti-
mierungssystem dem Anlagenbetreiber
im Fhren seiner Anlage beratend bei.
Das Prozessoptimierungssystem setzt auf
dem Leitsystem der Anlage auf und hilft
dem Betreiber mit modernen Methoden
der modellprdiktiven Regelung beim
Ermitteln der langfristig optimalen Betriebs-
einstellungen. Da es als Beratungssystem
ausgelegt ist, greift es nicht direkt in die
Steuerung der Anlage ein, sondern stellt
nur Entscheidungshilfen fr den optimalen
Betrieb bereit.
Ziele
Aufgrund der groen verfahrens- und
messtechnischen Unterschiede einzelner
Klranlagen ist das Prozessoptimierungs-
system kein monolithisches Programm,
sondern besteht aus einer Reihe von
Modulen, die an die jeweilige Anlage und
speziellen Anforderungen des Betreibers
angepasst werden.
Wesentlich ist dabei die ganzheitliche
Betrachtung der Anlage, die,
abhngig von den rtlichen Voraus-
setzungen, vom Kanalnetz ber die
Belebung bis hin zur Schlammfaulung und
Energiegewinnung reicht. Neben der Pro-
zessoptimierung eignet sich das System zur
Messdatenvisualisierung, zu Veranschauli-
chung der Kostensituation der Anlage und
zur vorausschauenden dynamischen
Simulation bestimmter Betriebszustnde.
1 Neben der Simulation und Pro-
zessoptimierung verfgt POS auch
ber umfangreiche Mglichkeiten
zur Messdatenvisualisierung
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Voraussetzungen
Das POS baut auf einer eigenen Datenbasis
auf in welche die Daten aus dem Leitsystem
der Klranlage bertragen werden. Dabei
werden Schnittstellen wie SQL, ACPLT/KS
und OPC (zuknftig) untersttzt.
Ein wesentlicher Vorteil des POS ist
seine Netzwerkfhigkeit. So kann die
Bedienoberflche auf verschiedenen
Rechnern der Anlage laufen und eine
visuelle Darstellung der Daten ist mittels
eines Webbrowsers ber das Internet
mglich. Die Datenbertragung kann dabei
ber verschlsselte und passwortgeschtzte
Verbindungen erfolgen. Das Prozessopti-
mierungssystem setzt einen modernen,
gut ausgestatteten Rechner voraus. Es wer-
den die meisten Windows (ab NT), Unix,
Linux und Macintosh Systeme untersttzt.
Fr die Visualisierung ber das Internet ist
jeder moderner Webbrowser geeignet.
Weiterhin sind verschiedene Online-Mes-
sungen sowie der Zugang zu den Messda-
ten und Einstellungen der Klranlage ber
das Prozessleitsystem notwendig. An diese
Messdaten werden hohe Anforderungen
hinsichtlich Verfgbarkeit und Zuverlssig-
keit gestellt.
Ergebnis
Basierend auf einem angepassten Modell
bietet das POS die Mglichkeit, Teile
der Anlage oder die gesamte Anlage zu
simulieren. Diese Simulation kann online
oder offline erfolgen. Die Offline-Simulation
erfolgt mit historischen oder knstlich
erzeugten Eingangsdaten. Sie eignet sich
fr die Ausbildung des Betriebspersonals
sowie zum vorherigen Testen neuer
Betriebseinstellungen.
Bei der Online-Simulation wird das
Anlagenmodell parallel zur realen Anlage
mit den gleichen Eingangsdaten simuliert.
Somit ist es mglich, aktuelle Informationen
ber Anlagenteile, von denen keine
Online-Messwerte zur Verfgung stehen,
zu bekommen. Das Simulationssystem
wird als Softwaresensor betrieben. Im
Vordergrund steht der kostenoptimale
Betrieb der gesamten Anlage. Aufgrund
der ganzheitlichen Betrachtung wird
ein optimales Zusammenspiel der einzelnen
Anlagenteile erreicht.
Die Optimierung ist als modell-prdiktive
Regelung ausgelegt. Das bedeutet, dass
aufbauend auf dem Anlagenmodell
ein- oder mehrmals tglich die kostenopti-
malen Einstellungen fr die Anlage berech-
net werden. Als Ergebnis der Optimierung
erhlt der Anlagenbetreiber Vorschlge
fr die optimalen Einstellungen der
Anlagenstellgren.
Projekt-Saudi-Arabien-ABB.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
SHOAIBA PHASE III: TRINKWASSERVERSORGUNG FR SAUDI-ARABIEN
Wasser fr den Wstenstaat
Das Knigreich Saudi-Arabien besitzt eine
schnell wachsende Bevlkerung mit einem
Durchschnittsalter von etwa 21 Jahren (zum
Vergleich dazu Deutschland: 41 Jahre),
fast zwei Drittel der Einwohner ist unter
25 Jahre alt. Wasser ist dabei ein entschei-
dender Faktor fr die Lebensqualitt der
Menschen, aber auch fr wirtschaftliche
Prosperitt, zum Beispiel in einem wachsen-
den Industrie- und Landwirtschaftssektor.
Zusammen fhren beide Einflugren
auch in Zukunft zu einem weiter steigen-
den Wasserbedarf in Saudi-Arabien, der
nicht mehr vollstndig durch die unterir-
dischen Grundwasservorrte abgedeckt
werden kann, zumal grere Flusysteme
oder Seen nahezu vollstndig fehlen. Der
Staat bernimmt daher betrchtliche An-
strengungen, um Meerentsalzungsanlagen
an den Ksten zu installieren und ber
riesige Pipeline-System zu den Verbrauchs-
zentren im Landesinneren zu befrdern. Ein
Beispiel dafr ist das SHOAIBA III Water
Transmission Project. Es umfasst fnf
Pumpstationen, drei Reservoire sowie ein
344 km langes Pipelinenetz, das Wasser aus
den rohlgefeuerten Entsalzungsanlagen zu
den Stdten Dschidda, Taif und Mekka mit
ingesamt rund fnf Millionen Einwohnern
transportieren soll. Im Auftrag der ABB AG
erstellt das Fraunhofer AST fr das Projekt
ein Leckerkennungs- und Simulationssys-
tem, das zusammen mit einer modernen
Leittechnik fr ein hochverfgbares
Wassertransportsystem sorgen soll. Mit
dem durch die Softwarelsung HydroDyn
mglichen Netzprognosen knnen alle
Elemente (Pumpenbetrieb, Befllung der
Reservoire, Auslastung der Entsalzungsan-
lagen) optimal aufeinander abgestimmt,
Wasserluste minimiert und Betriebskosten
reduziert werden.
1 Fossiles Kraftwerk fr die
Entsalzungsanlagen in Dschidda.
Quelle: ALSTOM Pressemitteilung
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Technik
Das Pipelinesystem frdert das Wasser
ber 30 Pumpen vom Meer auf bis zu
1700 m Hhe. Dabei entstehen in den
Rohrleitungen Drcke bis zu 80 Bar, was
einer Tauchtiefe von 800 m entsprechen
wrde. Das Fraunhofer AST stellt eine
prozessbegleitende Simulation fr dieses
System aus Rohrleitungen, Pumpen,
Ventilen und Tanks bereit. Das bedeutet,
dass die vom Fraunhofer AST entwickelte
Simulationssoftware HydroDyn direkt an
das Prozessleitsystem von ABB gekoppelt
ist und einen Online-Vergleich von
simulierten und gemessenen Werten
ermglicht. Dadurch lassen sich mgliche
Fehler im Pipelinesystem erkennen und
der Betrieb kann optimiert werden.
Darber hinaus ermglicht das System eine
simulationsuntersttzte Leckerkennung
und Leckortung, fr die sonst nur schwer
zu berwachenden Rohrleitungen, die
zum Teil in unterirdischen Tunnelsystemen
verlegt sind.
Projektpartner
ABB ist ein fhrender Technologiekonzern
der Energie- und Automationstechnik. Das
Unternehmen ermglicht seinen Kunden in
der Energieversorgung, der Industrie und
im Handel, ihre Produktivitt zu verbessern
und die Umweltbelastung zu reduzieren.
Der ABB-Konzern beschftigt weltweit
etwa 117.000 Mitarbeiter, davon rund
11.000 in Deutschland.
Ausblick
Die eingesetzte Software HydroDyn
mit ihrer engen Ankopplung an das ABB
Leitsystem hilft dem Betreiber, den Betrieb
seines System zu optimieren, fehlerhafte
Zustnde zu erkennen sowie bestimmte
Betriebsszenarios vorab am Computer zu
testen. Weiterhin kann das Betriebspersonal
geschult werden. Auf Grund des weltweit
zunehmenden Wertes der Ressourcen
Wasser und Energie werden Systeme,
welche die Wasserverluste minimieren
sowie den Energieverbrauch optimieren,
in naher Zukunft zur Standardausrstung
in der Wasserversorgung zhlen. Allein
in Saudi-Arabien sind mehrere hnliche
Projekte in Vorbereitung.
1 Pipelinesystem
2 Pipeline-Verlegung in Saudi-
Arabien. Quelle: Pressemitteilung
iLF Beratende Ingenieure
2
Kartenmaterial von OpenStreetMap - Verffentlicht unter CC-BY-SA 2.0
1
TOS.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
TOS: OPTIMIERTE BEWIRT- SCHAFTUNG FR SPEICHER- UND TALSPERRENSYSTEME
Aufgabenstellung1
Talsperren sind kosysteme, welche
empfindlich auf Vernderungen in der
Umwelt reagieren. Entscheidend fr ihren
Zustand sind einerseits Menge und Art der
Stoff- und Energieeintrge in das Gewsser
und andererseits auch Prozesse des Stoff-
und Energieumsatzes im Gewsser selbst.
Die Beeinflussung der Trinkwasserres-
sourcen wchst mit der Intensitt der
Einzugsgebietsbewirtschaftung und der
Nutzung des Gewssers. Die internen
Umsatzprozesse im Gewsser sowie die Zu-
und Ablufe werden aber auch erheblich
durch meteorologische und hydrologische
Einflussgren bestimmt. Die Bedeutung
dieser Einflussgren hat in den letzten
Jahren zugenommen.
Die inzwischen unbestrittenen globalen
Klimanderungen haben witterungsbeding-
te Extremwetterlagen, wie Rekordber-
schwemmungen (Asien und Nordamerika)
und Drreperioden (Afrika, Australien) zur
Folge. Ungewhnliche Wetterlagen fhrten
in der jngsten Vergangenheit auch in
Mitteleuropa zu Situationen, in denen die
kontinuierliche Bereitstellung von Wasser
hchster Qualitt aus Talsperren nur unter
erheblichem Aufwand mglich war. Eine
optimierte Bewirtschaftung der Talsperren
unter Einbeziehung aller Randbedingungen
ist somit unumgnglich.
1 TOS dient zum Entwurf von Be-
wirtschaftungsstrategien und zur
Beherrschung von Hochwasser-
situationen fr Speicher- und
Talsperrensysteme.
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Technik
Der Aufbau eines ganzheitlichen Systems
aus
1. Gewsserschutz,
2. gezielter Bewirtschaftung eines groen
Wasserkrpers und
3. Wasseraufbereitung
ist die Voraussetzung zur Sicherung der
Trinkwassermenge und -qualitt. Die
Systemlsung besteht darin, modellgesttz-
te, optimierte Strategien fr die Steuerung
der Speicher- und Talsperrensysteme zur
tglichen Wassermengen- und -qualitts-
bewirtschaftung sowie in Hochwassersitu-
ationen zu ermitteln. Dafr wird fr den
Betreiber eine individuelle Bedienoberflche
entwickelt. Grundlage fr die Optimierung
sind Einzugsgebiets- und Gewssergte-
modelle sowie Zufluss- und Niederschlags-
vorhersagen. Wichtige Randbedingungen
sind Vorschriften und Vorgaben fr die
Rohwassergte (Trinkwasserverordnung),
Steuervorschriften fr die einzelnen Ver-
bindungsstollen und Trinkwassertalsperren
sowie vorgegebene Wasserabgabemengen.
Ergebnis
Die rechnergesttzte Optimierung hat
besondere Bedeutung bei Mehr-Speicher-
Systemen mit unterschiedlichen Aufgaben,
bei denen Experten auch nherungsweise
kaum optimale Strategien anhand ihrer Er-
fahrungen und mentalen Modellen finden
knnen. Eine getrennte Einzelsteuerung
wre hier im Allgemeinen einer optimalen
Gesamtsteuerung deutlich unterlegen. Als
Online-Beratungssystem fr die optimale
Bewirtschaftung von Talsperrensystemen
wurde das modulare Softwarepaket TOS
entwickelt.
Ausblick
Durch die Informationstechnologie und
Automatisierungstechnik erffnen sich dem
Betreiber von Talsperren neue Mglichkei-
ten fr die Optimierung der berwachung
und der Bewirtschaftung von Gewssern.
Im Verbund mit Gewsserschutzstrategien
und Aufbereitungstechnologien werden auf
dieser Basis auch zuknftig regenerative
Ressourcen wie Talsperren eine erhebliche
Bedeutung fr die Trinkwasserversorgung
einnehmen. Deshalb ist es in Zusammen-
arbeit zwischen dem Fraunhofer AST
und der Thringer Talsperrenverwaltung
vorgesehen, Optimierungsprogramme,
Systemmodelle und Wissensbasen, in
denen grundlegendes Fachwissen abgelegt
ist, ber Schnittstellen sinnvoll zu verknp-
fen, so dass den Fachleuten ein Hchstma
an Informationen ber mgliche Bewirt-
schaftungs- und Sanierungsmanahmen
innerhalb krzester Zeit verfgbar wird.
UV-LEDS in der Medizintechnik.pdf -
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
1
UV-LEDS IN DER MEDIZINTECHNIK
Motivation
Das Fraunhofer IOSB-AST arbeitet seit 2014
im Advanced-UV for Life-Konsortium
zusammen mit verschiedenen Unterneh-
men und Forschungseinrichtungen im
Bereich der Entwicklung von UV-LEDs und
deren Anwendung in unterschiedlichsten
Einsatzfeldern. Neben Technologie-partnern
wie dem Ferdinand-Braun-Institut fr
Hochfrequenztechnik Berlin, die sich mit
der Entwicklung der LEDs beschftigen,
ist es Aufgabe des Fraunhofer IOSB-AST
technische Lsungen fr den Einsatz in An-
wendungen zu erforschen und Lsungen
fr Probleme zu finden.
Hierbei wird besonderes Augenmerk auf
die gezielte Ausnutzung der Vorteile,
die UV-LEDs gegenber klassischen
quecksilberbasierten Strahlungsquellen
bieten, gelegt. Neben der deutlich hheren
mechanischen Stabilitt von LEDs, der
Mglichkeit der Versorgung im Niedrig-
spannungsbereich, sowie der besseren Ge-
staltungs-mglichkeiten bei der Anordnung
der Strahlungsquellen bieten besonders die
relativ frei whlbaren Wellenlngen stark
erweiterte Anwendungsmglichkeiten. Der
Wellenlngenbereich im UVC-Band (240-
280nm) ist uerst effektiv in der Abttung
von Mikroorganismen, da er direkt die DNA
von Bakterien und Viren zerstrt.
So zeigen sich beim Einsatz von UVC-LEDs
mit 265nm Emissionswellenlnge in der
Desinfektion um bis zu zwei Log-Stufen
bessere Desinfektionsleistungen gegenber
klassischen Quecksilber-Niederdruck-
Strahlern bei gleicher Bestrahlungsdosis.
Dieses Potential macht UVC-LEDs im Kampf
gegen multiresistente Erreger im Gesund-
heitswesen zu einer effizienten Waffe,
ohne dass Antibiotika oder chemische
Substanzen zum Einsatz kommen.
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Wasserversorgung und
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1
-
1 Einzelne UV-LED-Sektion
1
2 Anordnung der LEDs auf einem Modul
Technologieanstze
UVC-LEDs knnen in medizinischen Ger-
ten aufgrund ihrer kleinen Abmessungen
und hohen Strahlungsintensitt zur zielge-
richteten Desinfektion von Flssigkeiten,
Oberflchen und schwer zugnglichen
Bereichen eingesetzt werden. Da die LEDs
Punktlichtquellen mit hoher Intensitt sind,
lassen sich durch geschickte Anordnung
komplexe Bestrahlungsgeometrien effizient
erzeugen. Das Fraunhofer IOSB-AST hat
in den vergangenen Jahren im Bereich des
Designs von LED-basierten UVC-Strahlungs-
quellen, der Simulation und Optimierung
des Bestrahlungsfeldes umfangreiche
Erfahrungen gesammelt und bietet diese
Fachkompetenz interessierten Kunden an.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am
Fraunhofer IOSB-AST ist die Entwicklung
geeigneter UVC-LED-Ansteuerelektroniken,
deren Eigenschaften weit ber die
herkmmlicher LED-Ansteuerungen im
Beleuchtungssektor hinausgehen. Da
UVC-Strahlung fr das menschliche Auge
unsichtbar ist, mssen UVC-Lichtquellen
elektronisch berwacht werden. Ebenso ist
sie Sicherstellung der Bestrahlungsdosis zur
Erreichung einer effektiven Desinfektion
wichtig. Weiterhin knnen verschiedene
Wellenlngen kombiniert werden, die auf
unterschiedliche Wirkmechanismen abzie-
len. Daher wurden Mehrkanalquellen (bis
zu 24 einzeln regelbare Kanle) entwickelt.
Auch Hochleistungsansteuerungen finden
sich im Portfolio des Institutes. Diese und
weitere Funktionen sind in den Ansteue-
rungen integriert.
Die Fraunhofer Gesellschaft versteht sich
hierbei jedoch nicht als Hersteller, sondern
als Partner der Industrie im Bereich der
Angewandten Forschung und stellt
Industrieunternehmen ihr Know-How in
gemeinsamen Projekten zur Verfgung.
Zusammenfassend die Vorteile von UV-
LEDs:
Frei konfigurierbare Strahlerdesigns whlbare Wellenlngen fr hhere
Desinfektionswirkung
Keine Aufheizphasen Gute berwachbarkeit und Fernwartung Hohe Lebensdauer Sehr hohe mechanische Stabilitt,
vibrationsfest
Quecksilberfrei
Applikationen
Desinfektion medizinischer Gerte Desinfektion von Flssigkeiten im
klinischen Bereich
Oberflchendesinfektion Luftdesinfektion
2