Projekt 17127/01

Druckunabhängiges CO2-Sensorsystem für wässrige Systeme mit hoher Ionenaktivität zum Einsatz in kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen

Projektträger

ISZ Ingenieur-Systemgruppe Zahn GmbH
76199 Karlsruhe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ausgehend von den sowohl direkt als auch indirekt durch CO2 bedingte Korrosion bundesweit entstehenden enormen ökologischen und ökonomischen Schäden, soll in diesem Vorhaben ein druckunabhängiger CO2-Sensor für wässrige Systeme mit hoher Ionenaktivität zum Einsatz in kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen entwickelt werden. Basis für diesen Sensor ist ein neuartiges chemisches Analyseverfahren.
Durch die mit diesem Sensor erstmalig möglich werdende kontinuierliche Bestimmung des CO2-Gehaltes soll eine Dauermessung und Regelung des CO2-Gehalts durch den Wasserversorger ermöglicht werden. Damit soll eine Minderung der CO2 bedingten Korrosionsanfälligkeit des Rohrleitungssystems erreicht werden und somit die durch Korrosion und den damit verbundenen Ersatz von Rohrleitungssystemen entstehenden ökologischen und ökonomischen Schäden gemindert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der Planungsphase werden auf Grundlage der von Vorversuchen bereits bestehenden Erfahrungen Konzepte bezüglich der drei Hauptkomponenten des Sensors (Sensor-Membran, Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie Auswertesoftware) erarbeitet und verfeinert.Aufgabe der Entwicklungsphase ist es, die erarbeiteten Konzepte soweit umzusetzen, dass in der anschließenden Realisierungsphase ein funktionsfähiges und den Anforderungen gerecht werdendes Sensorsystem aufgebaut werden kann. Bei der Entwicklung der Sensor-Membran wird vor allem eine Optimierung bezüglich Zusammensetzung, Absorptionsverhalten, Ansprechverhalten und Kennlinie erfolgen. Hauptaufgabe bezüglich der Auswerteelektronik wird die Entwicklung einer mikroprozessor-gesteuerten Elektronikeinheit sein zur stabilen Messung und Auswertung des Absorptionsgrades der Sensor-Membran. Ziel der Softwareentwicklung ist die vollautomatische Umsetzung der bei der Absorptionsmessung gewonnenen Rohdaten mittels geeigneter Algorithmen in absolute CO2-Konzentrationswerte.
Die darauffolgende Testphase mit nachfolgender Auswertephase dient der Untersuchung des Sensorsystems bezüglich der geforderten Eigenschaften und Querempfindlichkeiten im Labor.
In der abschließenden Feldtestphase wird des Sensorsystem in zwei Wasserwerken der Stadt Karlsruhe, von denen eines mit einer Pilotanlage zur kontinuierlichen Regelung des CO2-Gehalts auf Basis des entwickelten Sensorsystems ausgestattet sein wird, eingebaut und betrieben. Zur Beurteilung der Wirk-samkeit der kontinuierlichen CO2-Regelung gegen Korrosion wird letztendlich je ein Rohrstück aus den beiden Versuchswasserwerken entnommen und diesbezüglich mit verschiedenen Methoden untersucht werden.


Ergebnisse und Diskussion

Der aus theoretischen Überlegungen erwartete Zusammenhang zwischen CO2-Gehalt im Wasser und Korrosion der Rohrleitungen wurde durch Untersuchungen im Wasserwerk Sulzbach empirisch nachgewiesen und dokumentiert.
Mit dem CO2-Sensor steht erstmals ein Messinstrument zur Verfügung, mit dem in Echtzeit und am Ort des Geschehens der CO2-Gehalt des Wasser gemessen werden kann. Zeitaufwändige Labor Untersuchungen können somit in Zukunft entfallen bzw. sind nur noch für detaillierte Untersuchungen wie z. B. den Sensorabgleich erforderlich. Die Probleme der Verfälschung von Probenwerten bedingt durch Probennahme, Transport und Lagerung entfallen damit.
Am Beispiel Trinkwasser wurde gezeigt, dass das zentrale Ziel die Erreichung und Einhaltung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts (KKG) mit dem CO2-Sensor nachgewiesen und überwacht werden kann. Ursächlich verbunden mit dem KKG ist die Korrosion im Verteiler Netz. Eine Einhaltung des KKG gewährleistet eine Minimierung der Korrosionsschäden im Verteiler Netz. Die ökonomischen Auswirkungen sind enorm, da gerade Schäden am Verteiler Netz einen großen ökonomischen Schaden bedeuten. Weiter konnte gezeigt werden, dass ein Einsatz des CO2-Sensors zur Überwachung und Steuerung der Aufbereitungsanlagen für Trinkwasser in erheblichen Maße die Betriebssicherheit erhöhen und die Minimierung des Ressourcen Einsatzes ermöglichen. Eine Anwendung des CO2-Sensors in der Trinkwasser Forschung liegt auf der Hand. Die Einsatz Möglichkeiten sind vielfältig. Sie reichen von der Erstellung von Modell-Wässern bis zur hydro-geologischen Analyse von Brunnen.
Der Zusammenhang des Parameters CO2-Konzentration mit dem Parameter Basenkapazität sollte näher untersucht werden, insbesondere mit Hinblick auf eine Neufassung von DIN 50930.
Aufgrund der universellen Bedeutung von CO2 im Stoffkreislauf der belebten Natur eröffnen sich weitere Möglichkeiten der Anwendung des CO2-Sensorsystems. Speziell für die Aufbereitung von Abwässern werden biologische Prozesse genutzt. Die Kontrolle und Steuerung dieser Prozesse birgt noch ein großes Potential für die Anwendung eines CO2-Sensors.
Auch eine Anwendung auf die im Stoffkreislauf nachfolgenden Stationen (Vorfluter, Flüsse, Seen) erscheint zur Erfassung der Wassergüte unter ökologischen Gesichtspunkten sinnvoll.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Claudia Mehl: Ein optochemischer Sensor zur quantitativen Analyse von CO2 in wässrigen Lösungen, Dissertation an der Fakultät für Chemieingenieurwesen, Universität Karlsruhe, 2002
Dietrich Maier: Einsatz einer neuen CO2-Sonde bei der Bestimmung von O2/CO2-Tiefenprofilen im Bodensee, Publikation in Vorbereitung.


Fazit

Die Entwicklung eines druckunabhängigen CO2-Sensorsystems zum Einsatz in kommunalen Wasser Aufbereitungsanlagen konnte im Rahmen des DBU Projektes AZ 17127 sehr weit voran getrieben werden. Es wurden insgesamt 3 Prototypen aufgebaut und unter realen Einsatz Bedingungen in verschiedenen kommunalen Wasserwerken getestet. Die praktische Nutzbarkeit des CO2-Sensors konnte damit gezeigt werden. Auch der Einsatz über längere Zeiträume wurde erfolgreich getestet. Die Anwendung der Messergebnisse zur Überwachung und Steuerung von Trinkwasser Aufbereitungsanlagen wurden dargelegt. Dies sind die Überwachung des Trinkwassers auf Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht zur Vermeidung von Korrosionsschäden im Rohrleitungsnetz, die Überwachung von Anlagenteilen und einzel-nen Prozessen sowie die Steuerung von Prozessen.
Die Auswirkungen in ökonomischer Hinsicht sind besonders hervor zu heben im Bereich der Vermei-dung von Korrosion an Rohrleitungen des Verteiler Netzes. Als direkte Anwendung wird in allernächster Zeit ein CO2-Sensorsystems in der Wassergüte Messstation der Stadtwerke Karlsruhe aufgebaut werden. Eine regelmäßige Überwachung der CO2-Konzentration im Karlsruher Trinkwasser wird damit realisiert.
Weitere Sensoren für die Anwendung durch die Stadtwerke Karlsruhe werden derzeit aufgebaut.
Da der CO2-Sensor erstmals eine in-situ und quasi-instantane Messung des Parameters CO2-Konzentration zu ökonomisch vertretbaren Kosten ermöglicht, wird als Folge die Bedeutung dieses Parameters in der Wasser Chemie in Zukunft wachsen. Hier sehen die Autoren Bedarf für weitere Arbeiten, insbe-sondere für die Abklärung der Zusammenhänge mit den klassischen Parametern der Wasserchemie.
Eine Nutzung der Vorteile des CO2-Sensorsystems in weiteren Anwendungsfeldern kann in ihrer vollen Tragweite noch gar nicht abgeschätzt werden. An dieser Stelle besteht grundlegender Bedarf für weitere Arbeiten.
Ingesamt kann abschließend gesagt werden, dass durch den Einsatz des CO2-Sensors die aus ökologi-scher Sicht knappe Ressource Trinkwasser besser genutzt werden kann und der ökonomische Aufwand zu ihrer Nutzung minimiert werden kann.