In Kehdingen an der Elbe forscht das Team von Schöpfwerk 4.0. © Unterhaltungsverband Kehdingen
In Kehdingen an der Elbe forscht das Team von Schöpfwerk 4.0.

Wasserpegel konstant halten
Pumpprozesse vernetzen und energieeffizient steuern

20.12.2022 | Aktualisiert am: 15.11.2024

Schöpfwerke regulieren die Wassermengen von Kanälen, Flüssen und Oberflächenwasser. Damit stellen sie beispielsweise sicher, dass Agrarflächen bewirtschaftet werden können. Im Forschungsprojekt Schöpfwerk 4.0 arbeitet ein Team daran, den Pumpenbetrieb effizienter und flexibler zu gestalten.

Ebbe und Flut in Meeresregionen, anhaltende Trockenheit, stärkere Niederschläge und Hochwasser — die Gewässerpegel unterliegen stetigen Veränderungen. Zwar wird in Dürrezeiten Wasser etwa für die Bewässerung von Feldern benötigt, steigen Pegelstände aber plötzlich zu sehr an, drohen Felder zu verwässern und Keller feucht zu werden. Daher kontrollieren und regeln Unterhaltungs- und Wasserverbände den Wasserpegel von Kanälen und Flüssen. Sogenannte Pump- beziehungsweise Schöpfwerke heben das überschüssige Wasser aus dem Hinterland in Sammelbecken und schließlich in die natürlichen Gewässer. Allein in Niedersachsen werden dabei jährlich rund 40 Millionen Kilowattstunden Energie benötigt, was der Strommenge entspricht, die 13.000 Haushalte im selben Zeitraum verbrauchen.

Was macht ein Schöpfwerk?

Schöpfwerke halten den Wasserspiegel der tiefliegenden Oberflächengewässer auf einem bestimmten Pegel, helfen bei der Bewässerung höher gelegener Flächen oder entwässern Wirtschaftsflächen. Die Pumpen im Schöpfwerk befördern dazu das Wasser auf ein höheres Niveau. So entsteht ein Gefälle, durch das das Wasser in ein natürliches Gewässer wie einen Fluss oder das Meer ablaufen kann. Insbesondere in den Norddeutschen Deichregionen gibt es viele Schöpfwerke, da das Hinterland hier tiefer liegt und die regelmäßig auflaufende Flut einen natürlichen Ablauf des aufkommenden Niederschlagwassers verhindert. Teilweise sind hierbei Schöpfwerkverbünde nötig, in denen mehrere Einzelschöpfwerke das Wasser kaskadenartig hochpumpen, da die Höhendifferenz für ein einzelnes Schöpfwerk zu groß ist. In Deutschland gibt es zahlreiche Schöpfwerke, die an größeren Flüssen und an den Küsten liegen. Der Projektpartner Unterhaltungsverband Kehdingen betreibt beispielsweise 160 Schöpfwerke an und im Umland der Elbe. Mit jährlich rund 3,3 Millionen Kilowattstunden Strom macht er acht Prozent des Strombedarfs von Niedersachsens Unterhaltungsverbänden aus.

Deshalb arbeitet ein Forschungsteam der Leuphana Universität Lüneburg, dem Unterhaltungsverband Kehdingen sowie der Firma Vetterkind im Forschungsprojektes Schöpfwerk 4.0 daran, den Energieverbrauch von Schöpfwerken zu senken.

Niedersachsens Schöpfwerke könnten bis zu 11 Millionen Kilowattstunden Strom einsparen

Das Ziel der Forschenden ist es, die Pumpprozesse energie- und kostenoptimal sowie bedarfsgerecht zu steuern. Dabei vernetzen sie die einzelnen Schöpfwerke mit einer zentralen Leitstelle und beachten sowohl externe Parameter wie etwa Wetterprognosen als auch individuelle Pumpenkennlinien. Je nach Gewässersituation und Unterhaltungsverband sind hierbei Energieeinsparungen von bis zu 20 Prozent — entsprechend 11 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr — für die Schöpfwerke in Niedersachsen möglich. Hierbei hängt das Potenzial sowohl von der derzeitigen manuellen Planung und Steuerung als auch von der zugrundeliegenden Technologie ab. Ein weiteres Ziel ist es, den Energieverbrauch zu flexibilisieren, um mit netzdienlichem Verhalten den Anteil an erneuerbaren Energien zu erhöhen. Dies kann wiederum gegenläufige Auswirkungen auf das Energieeinsparpotenzial haben.

Mündungsschöpfwerke leiten das Wasser aus dem Kanal eines tiefliegenden Gebiets in ein natürliches, tideabhängiges Gewässer ab.
Polderschöpfwerke mit Niederschlagssensor leiten gesammeltes Niederschlagswasser von den Flächen im Inneren eines Gebiets in einen zentralen Kanal ab.
Digitalisierung der Schöpfwerke: Über Schaltschränke werden die Pumpen vernetzt und gesteuert.

Erneuerbare Energien vs. Energieeffizienz

Werden im Schöpfwerk mehr erneuerbare Energien genutzt — insbesondere in Phasen, in denen davon viel zur Verfügung steht — kann das besonders positive Kostenvorteile und CO2-Einsparungen hervorrufen. Dabei ist es durchaus sinnvoll, das Ziel der Energieeffizienz weicher zu betrachten. Das kann bedeuten, sich etwa weniger stark darauf zu konzentriert, den Energieverbrauch in der Gesamtbetrachtung zu reduzieren, sondern eher die vorhandenen klimafreundlichen Energieressourcen effizient zu nutzen. Ein Beispiel: Die Pegelunterschiede sind etwa durch Flut hoch. Wenn der Strom zum selben Zeitpunkt günstig ist, da viel überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen im Netz verfügbar ist, ist es sinnvoll, die Pumpen im Schöpfwerk mit dieser Energie (auch ineffizienter) arbeiten zu lassen. Der Gesamtenergieverbrauch steigt, doch sowohl Kosten als auch CO2-Emmissionen werden reduziert.

Vernetzen und intelligent regeln: Pumpen zukünftig vorausschauend betreiben

Pumpe mit betriebsbedingter Verockerung © Unterhaltungsverband Kehdingen
Pumpe mit betriebsbedingter Verockerung. Die Ablagerungen führen dazu, dass die Pumpe nach und nach verstopft und die Leistung abnimmt, mit der sie das Wasser pumpt.

Um die Energieeffizienz der Werke zu steigern, haben die Forschenden in Schöpfwerk 4.0 den bisherigen Pumpenbetrieb analysiert. Auf Basis der erfassten Daten erstellen sie geeignete Prognosemodelle und Pumpenpläne, die auch externe Situationen miteinbeziehen. Diese Modelle erproben sie anschließend exemplarisch in der Steuerung des Schöpfwerkverbunds Schölisch-Götzdorf des Projektpartners Unterhaltungsverband Kehdingen. Mithilfe einer vernetzten und intelligenten Regelung, wollen die Forschenden einen vorausschauenden und energieeffizienten Pumpenbetrieb ermöglichen. So können sie den Betrieb der einzelnen Schöpfwerke in die Planung miteinbeziehen und verhindern, dass kostenintensive Kapazitätsengpässe entstehen. Zudem hat das Forschungsteam bereits die technischen Pumpenkennlinien mit den realen Kennlinien verglichen und Diskrepanzen durch so genannte Verockerung — also pumpeninterne Verstopfungen, die einen Leistungsabfall zur Folge haben — und weitere Effekte festgestellt. Diese realen und abweichenden Kennlinien können nun in der Praxis berücksichtigt werden.

Was ist Demand-Side-Management?

Mithilfe von Demand-Side-Management, kurz: DSM, kann die Stromnachfrage gezielt gesteuert werden, indem Kunden — hier etwa die Unterhaltungsverbände — ihren Verbrauch flexibel an das verfügbare Angebot anpassen. Der Netzbetreiber kann diese sogenannte Systemdienstleistung in Anspruch nehmen, um Schwankungen im Stromnetz auszugleichen und die Stabilität des Netzes zu verbessern. Insbesondere bei mehr Strom aus erneuerbaren Energien gewinnt DSM an Bedeutung. Denn die Menge des Stroms wird oftmals von Umwelteinflüssen wie etwa von Wind und Sonne beeinflusst. Lässt sich der Strombedarf durch DSM zeitlich flexibel steuern und dadurch Strom viel näher am Erzeugungsort einsetzen, wird weniger zusätzliche Speicherleistung benötigt und auch der Netzausbau kann reduziert werden.

Flexibler Energieverbrauch reduziert den CO2-Fußabdruck zusätzlich

Weiterhin will das Team von Schöpfwerk 4.0 eine bedarfsgerechte Steuerung ermöglichen und damit das Thema Demand-Side-Management angehen. Denn Unterhaltungsverbände sind viel flexibler als produzierende Unternehmen, was den konkreten Zeitpunkt des Energiebedarfs angeht. Die Pumpen im Schöpfwerk können vergleichsweise kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden, solange sich der Wasserpegel in einem bestimmten Bereich befindet. Somit können die vorrausschauenden Pumpenpläne den Energiebedarf auch deutlich flexibilisieren und das Stromnetz entlasten. Das bedeutet, wenn viel Strom aus erneuerbaren Quellen wie etwa Windenergie verfügbar ist, können die Schöpfwerke diese direkt beim Energieversorger abrufen. Der Anteil an fossilen Energieträgern im genutzten Energiemix ist damit geringer. Das Team von Schöpfwerk 4.0 geht davon aus, dass sich der CO2-Fußabdruck der Schöpfwerke um rund 280.000 bis 480.000 Kilogramm reduziert, wenn 20 bis 30 Prozent der benötigten Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. (ln)

Schöpfwerk 4.0 im Video

(Video: 09/2021)

Im Video geben Jens Heger, Professor an der Leuphana Universität Lüneburg, Robert Nicolai, Geschäftsführer des Unterhaltungsverbands Kehdingen, Holger Flathmann, technischer Leiter bei Vetterkind und Marvin Hempel, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Leuphana Universtität Lüneburg , Einblicke in ihr Forschungsprojekt Schöpfwerk 4.0.