Projekt 37831/02

Entwicklung einer autonomen Anlage zum nachhaltigen Sedimentmanagement an Stauanlagen mit integrierter Minderung von Treibhausgasemissionen – MinGAS

Projektdurchführung

SedimentWorks GmbH
Weberstr. 8 - 10
59368 Werne

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Durch Stauanlagen wird die Sedimentdurchgängigkeit von Gewässern eingeschränkt. Dies führt zu Stauraumverladungen und daraus folgend zu Nutzungseinschränkungen. Weiterhin werden in dem abgelagerten Sediment durch anaeroben Abbau von Organik vermehrt Methangas produziert. Dieses emittiert in die Atmosphäre und trägt zum Klimawandel bei.
Im Rahmen des Projektes MinGAS wurde eine in Vorgängerprojekten entwickelte Modellanlage zur Sedimentverlagerung mit integrierter Methanernte weiter automatisiert und energetisch optimiert. Ziel des Projektes war eine Erhöhung des bestehenden Automatisierungsgrades und die Integration von erneuerbaren Energien und deren Speicherung in die Anlage, damit ein möglichst autarker Betrieb erreicht wird. Weiterhin wurde ein Konzept zur Modularisierung der Anlage entworfen, um einen flexiblen Einsatz auf verschiedenen Stauseen zu ermöglichen. Durch die Modellanlage können die Methanemissionen aus Stauseen verringert und das Problem der Stauraumverlandung gelöst werden.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Ansteuerungsmodalitäten der Frequenzumrichter wurden auf das Modbus-Protokoll umgestellt. Die Gasspeicherung wurde durch den Einbau eines direkt elektrisch ansteuerbaren und explosionssicheren Drei-Wege-Ventils automatisiert und durch die Beschaffung dichterer und stabilerer Gasbags verbessert. Durch den Einsatz erneuerbarer Energietechnologien, hier Photovoltaikanlagen, und einen intelligenten Energie- und Betriebsmanagementansatz, wurde der externe Energiebedarf minimiert. Außerdem wurde eine Batterie beschafft, die das Speichern von überschüssiger Energie ermöglicht und für eine spätere Benutzung zur Verfügung stellt. Weiterhin wurde ein Modularisierungskonzept ausgearbeitet, um eine flexible Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen und eine breite Anwendbarkeit sicherzustellen. Während des Praxistests im August 2023 wurde die Anlage mit den zuvor durchgeführten Umbauarbeiten auf der Wupper-Vorsperre erfolgreich getestet. Die Pilotanlage wurde erfolgreich im Handbetrieb über das beschaffte Panel betrieben.


Ergebnisse und Diskussion

Durch die Automatisierung einzelner Module, wie der Sediment-Methan-Aufnahmeeinheit, der Gasmessstrecke, sowie der Gasspeicherung und dem Einsatz neuer Messtechnik wurde sowohl eine kontinuierliche Sedimententfernung als auch eine Erfassung und Separierung des freigesetzten Methans ermöglicht. Eine Kopplung der Automatisierung an die Messdaten war nicht möglich, dies bedarf in Zukunft einer weiteren Ausarbeitung. Weiterhin konnte der Personalaufwand, zum Betrieb der Pilotanlage, deutlich reduziert werden. Die Automatisierung ermöglicht ein teilweise autonomes Verfahren, das nicht nur effizient ist, sondern auch die Betriebssicherheit erhöht.
Die bereits im Vorgänger-Projekt entwickelte Aufteilung der Anlage in eine Uferstation und der Plattform auf dem Gewässer, konnte in diesem Projekt erfolgreich getestet und verbessert werden. Außerdem können witterungs-, sowie wasserempfindliche Anlagenkomponenten sicher in der Uferstation gelagert werden. Auf der Plattform selbst wird, durch die Verringerung einzelner Anlagenkomponenten, das Gewicht reduziert, was zusätzlichen Spielraum für die Implementierung weiterer Automatisierungskomponenten schafft. Zusätzlich wird durch die Aufteilung die Arbeitssicherheit erhöht, da das Personal nicht präsent sein muss auf der Plattform.
Durch den Umbau der Verfahrung von einer Winde auf vier Seilwinden ist ein Umspannen der Seile nicht mehr notwendig, wodurch Zeit und Personal gespart wird. Weiterhin kann ein größerer Bereich des Staugewässers bearbeitet werden.
Der Einsatz von Solarmodulen ermöglicht zusammen mit dem Potential, das aufgefangene Gas zu nutzen, einen Strommix aus erneuerbaren und fossilen Energien, wodurch die Anlage im Hinblick auf die Energieversorgung zunehmend autonomer wird. Der gezielte Ausbau der Kapazitäten für erneuerbare Energien trägt darüber hinaus zur Reduktion der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bei und steigert den Autarkiegrad der Anlage. In Zukunft sind eine größere Solaranlage, sowie weitere erneuerbare Energiequellen denkbar, um eine vollständige Autarkie der Anlage zu erreichen.
Die Integration von energieoptimierten Betriebsweisen führt zu einer gesteigerten Energieeffizienz. Dies wird u. a. durch den Einsatz von drehzahlveränderlichen Antrieben erreicht, wodurch der Arbeitspunkt der angetriebenen Maschine in energieeffizientere Bereiche verschoben werden kann. Weiterhin markiert die Implementierung des Modbus-Protokolls zur Ansteuerung der Frequenzumrichter einen wesentlichen Schritt hin zu einer verbesserten Systemsteuerung und Transparenz. Eine Quantifizierung dieser ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich. Durch Anpassungen in der Koordinationssteuerung konnten unterschiedliche Betriebsmodi realisiert werden, die eine effiziente Verteilung des Energiebedarfs ermöglichen. Die Erkenntnis, dass die Positionierung mit den bestehenden Winkelmessern nicht ausreichend präzise ist, führte zu einer Recherche alternativer Verfahren mit dem Ergebnis, dass ein GNSS-System am geeignetsten ist. Zukünftig muss dieses in Verbindung mit der Positionierung der Plattform getestet werden.
Das erarbeitete Konzept der Modularisierung bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Anlage an unterschiedliche Einsatzbedingungen und ermöglicht eine effiziente Durchführung der Sedimentabtragung. Dieses Konzept soll in weiteren Forschungsprojekten angepasst und in der Praxis getestet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

• Präsentation der Projektergebnisse bei dem Wupperverband (11.03.2024)
• Poster-Präsentation auf der LET2024: 19th IWA Leading Edge Conference on Water and Wastewater Technologies (24.06 - 28.06.2024)
• Zeitungsbericht: Welt am Sonntag, 19.11.2023: Fasel, A.: Von Grund auf erneuern
• Fachzeitschriftartikel: Brand eins, November 2023: Dahlmann, F.: Der Seesauger, S. 125
• Fernsehbeitrag: Servus TV P. M. Wissen Beitrag vom 02.11.2023: Was können wir gegen Methan in Stauseen tun?



Fazit

Zusammenfassend hat das Forschungsprojekt wichtige Erkenntnisse und Entwicklungen in der automatisierten Sedimentabtragung und Gasaufnahme erbracht. Durch die Analyse und Weiterentwicklung der verschiedenen Komponenten sowie durch die Implementierung innovativer Ansätze in der Energieeffizienz und Automatisierungstechnik wurde ein bedeutender Beitrag zur Forschung in diesem Bereich geleistet. Zukünftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind jedoch erforderlich, um die Technologie zur Marktreife zu führen und ihre breite Anwendbarkeit zu gewährleisten. Dazu zählen im Wesentlichen, neben der Umsetzung des entwickelten Modularisierungskonzeptes, die Kopplung der Automatisierung an die Messdaten zur Optimierung des Gesamtanlagenbetriebes, der weitere Ausbau eines regenerativen Energiemixes zur zukünftigen Energieautarkie, sowie die Optimierung des Positionierungsverfahrens mittels GNSS-Empfänger.