Entwicklung einer prädiktiven Pumpstationssteuerung für eine energieoptimierte und entlastungsreduzierte Abwasserförderung

The functionality of wastewater disposal, as part of the critical infrastructure, is a prerequisite for a functioning society. However, social and climatic change are leading to constantly changing boundary conditions for wastewater disposal. Due to climate change, extreme weather events are occurring more frequently. Heavy rainfall events in particular lead to an overloading of the sewage systems and consequently to a discharge of untreated wastewater into the environment. In addition to the discharge of health-threatening pathogens, this results in a threat to the water ecology. At the same time, rising energy costs and the need to conserve energy resources require a critical look at the energy used to transport wastewater. In order to adapt wastewater disposal to such developments, structural and control modifications can be implemented. However, structural modifications are associated with high logistical and financial costs. An alternative or supplement is the use of load-dependent control systems, which enables optimized operation of existing systems. This paper presents the development of a control method that enables loaddependent, energy-optimized and load-reduced operation of wastewater pumping stations by using prediction models. The control method was designed in such a way that it can be adapted to different wastewater pumping stations. The perspective implementation of the control method in the real infrastructure was favored by considering realistic, operational boundary conditions and safety-relevant requirements from the real infrastructure. The potentials determined in the course of experimental investigations through the use of the developed control method show a significant reduction in the discharge volume and the energy requirement. The experimental investigations were carried out in a real pumping station in the test hall of the Department of Fluid System Dynamics, TU Berlin and under consideration of realistic conditions. These potentials showed that load-dependent control can also contribute to optimizing the operation of existing wastewater infrastructure under realistic conditions. Die Funktionalität der Abwasserbeseitigung stellt, als Teil der kritischen Infrastruktur, eine Voraussetzung für eine funktionierende Gesellschaft dar. Indes führen gesellschaftlicher und klimatischer Wandel zu sich stetig ändernden Randbedingungen für die Abwasserbeseitigung. Durch den Klimawandel kommt es zu einem häufigeren Auftreten von Extremwettereignissen. Insbesondere Starkregenereignisse führen zu einer Überlastung der Kanalisationen und infolgedessen zu einer Entlastung des ungereinigten Abwassers in die Umwelt. Neben dem Austrag gesundheitsgefährdender Krankheitserreger führt dies zu einer Gefährdung der Gewässerökologie. Zugleich erfordern steigende Energiekosten und die Notwendigkeit eines ressourcenschonenden Umgangs mit Energieträgern eine kritische Betrachtung des für den Abwassertransport aufgewendeten Energieverbrauchs. Um die Abwasserbeseitigung an solche Entwicklungen anzupassen, können bauliche und steuerungstechnische Modifikationen vollzogen werden. Bauliche Modifikationen sind indes mit hohem logistischem und finanziellem Aufwand verbunden. Eine Alternative bzw. Ergänzung stellt die Nutzung von lastabhängigen Steuerungen dar, die einen optimierten Betrieb bestehender Systeme ermöglicht. Die vorliegende Ausarbeitung stellt die Entwicklung einer Steuerungsmethode vor, die durch die Nutzung von Vorhersagemodellen einen lastabhängigen, energieoptimierten und entlastungsreduzierten Betrieb von Abwasserpumpstationen ermöglicht. Die Steuerungsmethode wurde so entworfen, dass diese auf unterschiedliche Abwasserpumpstationen adaptiert werden kann. Die perspektivische Implementierung der Steuerungsmethode in die reale Infrastruktur wurde begünstigt, indem realitätsnahe, betriebliche Randbedingungen und sicherheitsrelevante Anforderungen aus der realen Infrastruktur berücksichtigt wurden. Die im Rahmen von experimentellen Untersuchungen ermittelten Potentiale durch die Nutzung der entwickelten Steuerungsmethode weisen eine signifikante Reduzierung des Entlastungsvolumens und des Energiebedarfs auf. Die experimentellen Untersuchungen wurden in einer realen Pumpstation in der Versuchshalle des Fachgebiets Fluidsystemdynamik, TU Berlin und unter Berücksichtigung realitätsnaher Gegebenheiten durchgeführt. Durch die so ermittelten Potentiale konnte gezeigt werden, dass eine lastabhängige Steuerung auch unter realitätsnahen Bedingungen zu einer Betriebsoptimierung bestehender Abwasserinfrastruktur beitragen kann.