in einem bundesweit einmaligen Modell gehen die Gemeinden Mainhardt und Wüstenrot bei der Energieversorgung neue Wege und haben dazu die Energieversorgung Mainhardt Wüstenrot GmbH & Co KG gegründet.

Die Energieversorgung Mainhardt Wüstenrot GmbH hat ihren Sitz in Mainhardt. Geschäftsführer sind Bürgermeister Timo Wolf von der Gemeinde Wüstenrot und der Geschäftsührer der Stadtwerke Schwäbisch Hall GmbH, Gebhard Gentner

emw
Hauptstr. 1
74535 Mainhardt

www.emw-energie.de

Effizienzpotenziale in der Frischwasserversorgung und Abwasserentsorgung

Frischwasserversorgung

Das Netz der Frischwasserversorgung der Gemeinde Wüstenrot ist aufgrund der speziellen topographischen Verhältnisse und der Gliederung in mehrere Teilgemeinden stark verzweigt (vgl. Abbildung 1). Netzbetreiber ist die Gemeinde Wüstenrot, die dabei durch den Wasserversorgungsverband NOW unterstützt wird.

Abbildung 1: Netzbild der Frischwasserversorgung der Gemeinde Wüstenrot

Das Frischwassernetz gliedert sich in zwei Subnetze. Ein kleineres Teilnetz versorgt die Gemeindeteile Altlautern und Neulautern aus einer Quelle in Altlautern. Das größere, zweite Subnetz verbindet alle übrigen Gemeindeteile und wird aus einer Reihe von Eigenwasser-Quellen sowie einer Zuspeisung der Sulmwasserversorgungsgruppe, die auf dem Gebiet der Gemeinde Obersulm-Eichelberg liegt, gespeist.

Aufgrund der starken Zergliederung des Versorgungsgebietes enthält das Netz eine große Anzahl von Funktionseinheiten (Quellen, Brunnen, Pumpstationen und Wasserreservoirs) mit überwiegend kleiner Dimension. Ein vereinfachtes Funktionsschema ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Funktionsschema Frischwasserversorgung der Gemeinde Wüstenrot

Der Wasserbedarf der Gemeinde beträgt im Jahr 2014 rund 275.000 m³, davon rund 17.000 m³ im Teilgebiet Neulautern. Der durchschnittliche Bedarf der 6600 Einwohner liegt damit bei ca. 115 l/Tag relativ niedrig, was darauf zurückgeführt werden kann, dass Wüstenrot einen hohen Pendleranteil und relativ wenig Gewerbebetriebe hat. Die Gesamtkapazität der Speicher (ohne das Eingangsreservoir in Eichelberg) beträgt rund 2200 m³ im größeren Teilnetz Wüstenrot und 300 m³ im Teilnetz Neulautern. Dies entspricht in etwa dem 3 fachen bzw. 5 fachen des täglichen Bedarfs.

Energiebedarf und Einsparmöglichkeiten

Die Gemeinde Wüstenrot benötigte im Jahr 2013 in der Frischwasserversorgung rund 420 MWh Strom, das ist ein Anteil von etwa 24% des gesamten Strombedarfs und rund 22% der Stromkosten. Der Strom wird fast vollständig für die Pumpwerke benötigt, der Betriebsstrom der Speicherbehälter ist – mit Ausnahme des Hochbehälters Steinknickle – vernachlässigbar (Abbildung 3). Dabei entfallen fast 60% auf das Pumpwerk der Tiefbrunnen der Eigenversorgung im Tiefenbachtal und das Pumpwerk der Fernwassereinspeisung in Eichelberg, die jeweils mehr als 100 MWh als Sondervertragskunden mit Registrierender Last-Messung (RLM) beziehen.

Abbildung 3: Energiebedarf und Stromkosten der Funktionseinheiten der Frischwasserversorgung Wüstenrot (2013)

In Abbildung 4 sind die verfügbaren Kenndaten der Brunnen- und Förderpumpen aufgeführt. Leider konnten einzelne Werte nicht beschafft werden. Insbesondere fehlen Angaben zu den tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahmen der Pumpen und den tatsächlichen Volumenströmen des geförderten Wassers. Die Analyse muss sich daher vornehmlich auf die Auslegungs- bzw. Nennwerte der einzelnen Komponenten stützen.

Eine Umrüstung der Pumpeinrichtungen zwecks Erhöhung der Energieeffizienz erscheint außerhalb von notwendigen Ersatzmaßnahmen nur für Anlagen sinnvoll, die Stromkosten von mindestens 5000€/a haben, da sonst eine Amortisation des Umbauaufwandes nicht absehbar ist. Zu der Gruppe mit den höheren Stromkosten gehören die Pumpwerke Berg (Oberheimbach), Schmellenhof, Plapphof, Eichelberg (Sulmwasserversorgungsgruppe) und Tiefenbachtal.

Hier wird empfohlen, das Pumpwerk Tiefenbachtal näher zu untersuchen. Es hat den höchsten Strombedarf aller Funktionseinheiten und gibt damit Aussicht auf eine gute Amortisation von Verbesserungsmaßnahmen. Die Förderpumpe, die das Eigenwasser vom Reesbach-Reservoir in den Hochbehälter Stangenberg befördert, liefert ausweislich der vorliegenden Daten eine hydraulische Leistung von rund 2,5 kW, ist aber mit einem Motor mit 7,5 kW Nennleistung ausgerüstet, der überdimensioniert erscheint. Zudem wurden nach der Stromabrechnung eine elektrische Spitzenleistung von 23kW (RLM) und eine mittlere Leistung von mehr als 16kW abgenommen, während die hydraulische Leistung der Tiefbrunnenpumpe und der Förderpumpe nur insgesamt etwa 8,5 kW beträgt. Es ist nicht bekannt, dass noch andere wesentliche stromverbrauchende Anlagen in dem Pumpwerk vorhanden wären. Eine nähere Erhebung der tatsächlichen Effizienzen der Pumpanlagen erscheint sinnvoll.

Beim Tiefbrunnen Plapphof liegt der Volumenstrom im Betrieb um ca. 30% unter dem Auslegungswert. Als Folge ist auch hier das Verhältnis von hydraulischer Leistung zu Motorleistung sehr ungünstig. Deshalb ist auch hier eine nähere Überprüfung angeraten. Beim Pumpwerk Berg/Oberheimbach liegen hydraulische Auslegung und Motorleistung wesentlich günstiger beieinander. Für das Pumpwerk Schmellenhof liegen keine Daten über die elektrischen Leistungswerte vor, so dass dies nicht weiter analysiert werden kann.

Das Pumpwerk Eichelberg an der Übergabestelle des Fernwassers hat zwei sehr unterschiedlich große Pumpen, deren Einsatzregime nicht bekannt ist. Aus den elektrischen Anschlussdaten (17,3 kW bzw, 3,5 kW) und den registrierten Spitzen- und durchschnittlichen Verbrauchswerten (20 kW bzw. 13,7 kW) kann daher nicht sicher auf Effizienzen geschlossen werden.

Abbildung 4: Netzbild der Frischwasserversorgung der Gemeinde Wüstenrot

Energieerzeugungsoptionen

Zur Verbesserung der Energienutzungsbilanz ist grundsätzlich auch die Stromerzeugung durch Frischwasserturbinen in Gefällstrecken möglich. Nach Auskunft der Beteiligten der Gemeinde und des Wasserverbundes NOW sind jedoch die nutzbaren Druckdifferenzen in den Leitungen zu gering. Es gibt nur eine spezifische Fallleitung zwischen Reservoiren vom Hochbehälter Stangenberg zum Reservoir Schmellenhof, alle übrigen Verbindungen, auch die zwischen den großen Reservoiren Stangenberg und Steinknickle, verlaufen durch die Versorgungsnetze. Die Energieerzeugungsoption wurde daher verworfen.

Möglichkeiten eines Lastmanagements

Der Wasserbedarf in der Gemeinde Wüstenrot liegt bei rund 275.000 m³/Jahr bzw. rund 750 m³/Tag, wovon durchschnittlich knapp 50 m³/Tag auf das Teilnetz Neulautern entfallen und die übrigen 700 m³ auf das verbundene Netz der Teilgemeinden Wüstenrot, Neuhütten, Maienfels und Finsterrot. In diesem Netz umfasst die Speicherkapazität mit 2200 m³ etwa 3 durchschnittliche Tagesbedarfe. Man muss jedoch berücksichtigen, dass als maximaler Tagesbedarf ein durch den sog. Tagesspitzenfaktor ausgedrücktes Mehrfaches des durchschnittlichen Bedarfes auftreten kann. Diese Überhöhung ist in Netzen mit relativ kleiner Nutzerzahl besonders hoch, für Gemeinden mit rund 6000 Einwohnern ist der Tagesspitzenfaktor mit fd=2,0 anzusetzen (nach DVGW-Arbeitsblatt W 410). Somit steht noch etwa die Menge eines Tagesbedarfs von 700m³ Frischwasser als Managementreserve zur Verfügung.

Aus dem Tagesbedarf von 700 m³ Frischwasser ergibt sich eine durchschnittliche Abnahme von knapp 30 m³/h. Das tatsächliche Bedarfsprofil in der Gemeinde Wüstenrot ist nicht bekannt. Als Anhaltspunkt kann ein veröffentlichtes, gemessenes Profil eines Versorgungsgebietes mit rund 4000 Einwohnern (aus: Taschenbuch der Wasserversorgung) zugrunde gelegt werden. Damit ergibt sich ein Abgabeprofil wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Angenommene Ganglinien der Frischwasserabnahme in der Gemeinde Wüstenrot auf der Basis des durchschnittlichen Tagesverbrauchs und von Vergleichskurven aus „Mutschmann/Stimmelmayr Taschenbuch der Wasserversorgung“

Bei einem solchen Verlauf werden werktags zwischen 06:00 Uhr und 12:00 Uhr fast 40% des täglichen Bedarfs entnommen, am Wochenende verschiebt sich der morgendliche Anstieg der Abnahme um eine Stunde und das Tagesmaximum ist weniger ausgeprägt. Geht man von einer gleichmäßigen Speisung aus den Eigenquellen und der Fernwasserzufuhr aus, so kommt es am Tag wegen der höheren Abnahme zu einem Sinken des Wasservorrats, der dann in den Nachtstunden wieder aufgefüllt wird (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bilanzlinie des Wasservorrats unter den Annahme gleichmäßiger Zuspeisung und des Abnahmeprofils nach Abbildung 5.

Hiernach würde sich ein Lastmanagement im Sinne der Nutzung erneuerbarer Energien durch eine Erhöhung der Förderleistung insbesondere während der Mittagsstunden und eine Absenkung in den Nachtstunden anbieten. Die Fördermenge könnte dabei auf bis zum Doppelten des Durchschnittswertes erhöht werden. Dies ergibt ein tägliches Variationspotential von etwa 200 m³ Frischwasser, ca. 40 kW elektrische Leistung und knapp 300 kWh Strombedarf.

Die Möglichkeiten für die tatsächliche Realisierung einer solchen Leistungsvariation sind im Frischwassernetz der Gemeinde Wüstenrot jedoch beschränkt. Aus der plausiblen Annahme, dass die Wassergewinnung zu etwa gleichen Teilen aus den Eigenquellen Tiefenbachtal/Reesbach, Plapphof und Oberheimbach sowie der Fernwasserzuspeisung erfolgt, und den verfügbaren Pumpendaten leitet sich ab, dass die Eigenförderung im Durchschnittsbetrieb bereits bei ca. 80% ihrer Leistungsgrenze arbeitet. Außerdem sind die Pufferkapazitäten an den Förderstellen, mit Ausnahme des Pumpwerks Oberheimbach, nur im Bereich von wenigen Stunden. Ein Lastmanagement wäre daher am ehesten bei der Fernwassereinspeisung im Pumpwerk Eichelberg zu realisieren, das mit zwei Pumpen über große Leistungsreserven und ebenso über einen großen Pufferspeicher verfügt. Diese Pumpstation liegt allerdings weder im Gemeindegebiet von Wüstenrot noch im Versorgungsgebiet der emw. Im Teilnetz Neulautern wären Speicher- und Leistungskapazitäten für ein Lastmanagement ausreichend vorhanden, es umfasst jedoch weniger als 10% der gesamten Frischwasserversorgung.

Für eine genauere Analyse des möglichen Lastmanagements im Frischwassernetz der Gemeinde Wüstenrot müssten dynamische Berechnungen durchgeführt werden. Hierzu wäre die Erhebung der tatsächlichen Verläufe der Frischwasserabgaben aus den Speichern und der Leistungsverläufe der Förderpumpen erforderlich.

Abwasserentsorgung

Die Gemeinde hat bereits vier der fünf Kläranlagen auf den Stand der Technik gebracht, die Umrüstung der verbleibenden Anlage ist für das Jahr 2015 vorgesehen, die Fachplanungen hierzu sind bereits abgeschlossen. Da in erster Linie die Sauerstoffbelebung der Klärbecken und die Pumpen für den Stromverbrauch einer Anlage verantwortlich sind, wird beim Umbau, wie bei den vorigen vier Anlagen auch, vor allem hinsichtlich dieser beiden Verbrauchsstellen saniert.

Hinsichtlich der Effizienzsteigerung im Abwasserbereich wurde außerdem eine Versuchsreihe zu solaren Klärschlammtrocknung durchgeführt. Da das Restmaterial aus den Kläranlagen i.d.R. mit ca. 75% Wasseranteil abtransportiert wird, sollte eruiert werden, ob eine (solare) Nachtrocknung des Materials auf ca. 25 – 30% Restwasseranteil signifikante Einsparungen für die Gemeinde bringt bzw. das Material dadurch direkt vor Ort in einer Verbrennungsanlage thermisch verwertet werden kann. Aufgrund der geringen, jährlich anfallenden Mengen brachte der Versuchsaufbau jedoch die Erkenntnis, dass der Betrieb einer solchen Anlage im Gemeindegebiet wirtschaftlich nicht darstellbar ist.

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3D-Stadtmodelle sind ein virtuelles Abbild der realen Welt in digitaler Form und werden zunehmend zur Lösung von raumbezogenen Aufgabenstellungen aus den Bereichen Stadt- und Raumplanung, Umwelt und Energie etc. eingesetzt. Für die Modellierung wird meist der Standard CityGML eingesetzt. CityGML besteht aus mehreren automatisiert prüfbaren Modellspezifikationen, die die Möglichkeit bieten eine Stadt oder Kommune mit ihren unterschiedlichen Ausprägungen geometrisch und topologisch zu modellieren (Gebäude, Transportwesen, Gewässer, Gelände,Vegetation usw.) und somit automatisiert zu analysieren.

Damit bietet der Einsatz von CityGML-basierten 3D Stadtmodellen grundsätzlich die Möglichkeit zu umfangreichen räumlichen Analysen wie z.B. Lärmkartierung, Lückenbebauung und Neubauintegration, Klima-Belüftungsachsen, 3D Visualisierung des Bebauungsplans, PV-Potentialanalyse, Netzanbindung, Sichtachsen- und Lärmanalyse zum Beispiel für die Planung der Positionierung von Windrädern, Wärmebedarfsanalysen und Simulation von Sanierungsszenarien.

Die Vorteile von 3D Stadtmodellen im CityGML-Format wurden auch von den Landesvermessungsämtern erkannt. Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen hat beschlossen, landesweit 3D Gebäudemodelle im LoD 1 (Gebäude als Quader) und LoD2 (Gebäude mit Dachmodellierung) flächendeckend bereit zu stellen.

Ausschnitt 3D-Gebäudemodell Qualitätsstufe , Wüstenrot Dorfkern

Die Gemeinde Wüstenrot dient dem Landesamt für Geoinformation Baden-Württemberg als Pilotstudie für die 3D Gebäudemodellierung. Die Gemeinde Wüstenrot ist somit das erste 3D Gebäudemodell in Baden-Württemberg, das vom Landesamt für Geoinformation erstellt wurde. Modellgrundlage sind eine 3D-Punktwolke aus Laserscanbefliegungen der Jahre 2000-2005 sowie Luftbilder aus dem Jahre 2013. Das Verfahren erfolgt 3-stufig. Stufe 1 und Stufe 2 ist die vollautomatisierte Generierung von 3D Gebäudemodellen – Stufe 3 ist die manuelle Nachbereitung.

Das 3D Stadtmodell der Gemeinde Wüstenrot dient dem Landesamt als Pilotstudie und ist somit das erste 3D Stadtmodell, das vom Landesamt für Geoinformation generiert wird. Das ENVISAGE-Team nutzt das Testmodell bereits für erste Analysen zur Methodenentwicklung eines 3D Planungswerkzeuges.

Dazu wird das Modell am an der HFT Stuttgart (Zentrum für Geodäsie und Geoinformatik und Zentrum für Nachhaltige Energietechnik) mit Fachdaten angereichert und für energetische Analysen verwendet. Es soll dabei eine übertragbare Methodik zur effizienten Erhebung und strukturierten Ablage aller relevanten Daten zur Umsetzung von 3D Planungstools für die Analyse von Energiebedarfsszenarien und die Potentialabschätzung gebäudeintegrierter, erneuerbarer Energiesysteme entwickelt werden.

Die Fachdaten sowie das 3D Gebäudemodell werden sollen in einer strukturierten Datenbank verwaltet werden, deren Datenstruktur im Rahmen des Projektes entwickelt und für die vorgesehenen energietechnischen Analysen optimiert wird. Als Datenbankmanagementsysteme für die 3D-Geodaten werden derzeit die Systeme NovaFactory der Firma M.O.S.S. Computer Grafiksysteme sowie CityServer3D vom Fraunhofer Institut für graphische Datenverarbeitung an der HFT Stuttgart getestet.

Zentrum für Geodäsie und Geoinformatik

Zur lokalen Umsetzung der Energiewende hat sich die Gemeinde Wüstenrot ehrgeizige Ziele gesteckt, die sich nur erreichen lassen, wenn genügend finanzielle Mittel zur Verfügung stehen. Die geplanten Maßnahmen erfordern ein hohes Investitionsvolumen für Erneuerbare-Energien-Anlagen sowie Energieeffizienzmaßnahmen. Die Finanzierungsmöglichkeiten sind jedoch angesichts der anhaltenden Schuldenkrise, erschwertem Finanzierungsbedingungen sowie der bereits sehr hohen Verschuldung der öffentlichen Haushalte und der potenziellen Schuldenbremsen stark eingeschränkt.

Aus diesem Grund entwickelt die HFT im Center for Sustainable Economics and Management (CSEM) unterstützend zu den geplanten energetischen Maßnahmen Finanzierungsmodelle. Sustainable Finance, eine noch junge Disziplin, kann hier neue Ansatzpunkte zur innovativen Finanzierung der Maßnahmen bieten. Untersucht wird, welche Sustainable Finance Instrumente am wirkungsvollsten einen Beitrag zur Umsetzung der Maßnahmen vor Ort leisten können. Für jede einzelne Maßnahme in Wüstenrot wird im Rahmen des Projekts envisage ein geeignetes Finanzierungsinstrument identifiziert, das eine Realisierung der Vorhaben, deren Wirtschaftlichkeit und die Partizipation wesentlicher Akteure vor Ort und außerhalb der Gemeinde ermöglicht.

Um Investoren die Vergleichbarkeit von Investitionsprojekten zu ermöglichen und die Investitionsentscheidung zu vereinfachen, sollen Aussagen zu den entsprechenden Projektrenditen und Amortisationszeiten getroffen werden. Dabei werden Einzelinvestitionen in energetische Sanierungsmaßnahmen ebenso wie Investitionen in erneuerbare Energien untersucht. Aus den zu entwickelnden Verfahren und der Prüfung der Anwendbarkeit innovativer Finanzierungskonzepte soll abschließend ein Planungsleitfaden für Kommunen erarbeitet und die Möglichkeiten der Übertragbarkeit auf andere Kommunen und Vorhaben dargestellt werden.