Wasser sparen

Elisabeth Burghart, Caren Hellmuth

Die Ressource Wasser wird immer knapper. Privathaushalte verbrauchen ungefähr 10% des heutigen Nutzwassers, 70% werden zur Bewässerung in der Agrarwirtschaft verwendet. Für die Industrie verbleiben die restlichen 20%. In Zukunft könnte sich jedoch der Anteil für die Landwirtschaft voraussichtlich sogar auf bis zu 93% erhöhen. Das bedeutet, die Industrie wird vor neue Herausforderungen gestellt, denn vor allem die Unternehmen der Prozessindustrie brauchen Wasser in ausreichender Menge und Qualität. Über drei Viertel der gesamten Frischwassermenge werden in Deutschland von den Wirtschaftsbereichen Chemie (3,4 Mrd. m³), Bergbau (0,9 Mrd. m³), Metallerzeugung (0,8 Mrd. m³) und Papiergewerbe (0,6 Mrd. m³) eingesetzt. Das Wasser dient zum Beispiel zum Heizen oder Kühlen, zum Reinigen der Produktionsgüter oder Rohrleitungen oder ist Transportmittel.

Aufgabe eines Prozesswassersystems ist es, die einzelnen Prozesseinheiten des Produktionsprozesses mit Wasser in der benötigten Qualität zu versorgen und dieses dann wieder zu entsorgen. Dabei kann der Wasserbedarf sowohl mit Frischwasser, Flusswasser oder Produktionswasser als auch mit aufbereitetem oder wiederverwendetem Wasser gedeckt werden. Das von einem Versorger oder einem Fluss in die Anlage eingebrachte Wasser durchläuft bestimmte Prozesse. Dabei geht ein erheblicher Teil beim Kühlen durch Entstehung von Wasserdampf verloren. Verbrauchtes oder verschmutztes Wasser gelangt in eine Senke, wo es am Ende der Kette dann bei einem Abwasserentsorger gereinigt wird. Im optimalen Fall wird nur so viel Frischwasser zugeführt, wie im Prozess, zum Beispiel durch die Kühlung, verloren geht, und am Ende landet kein Wasser in einer Senke. Dies könnte dadurch ermöglicht werden, dass das Wasser in einem geschlossenen Wirkungskreis durch Rückführung in den Prozess immer wieder verwendet wird. Dies ist realisierbar, wenn im Prozesswassersystem an geeigneten Stellen Zwischenaufbereitungen installiert werden. Doch hier stellt sich die Frage, ob dies verfahrenstechnisch möglich oder gar sinnvoll ist. Eine unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten optimale Lösung lässt sich nur dann ermitteln, wenn den einzelnen Prozessschritten Kosten zugeordnet werden können und gleichzeitig berücksichtigt wird, welche Kontaminanten noch zu entfernen sind. Aufgrund der Komplexität verfahrentechnischer Prozesse ist die ganzheitliche Optimierung einer Anlage oft sehr schwierig. Deshalb wurde in den letzten Jahren versucht, die Prozesse mit mathematischen Modellierungsmethoden zu optimieren.

Eine Lösung für das geschilderte Problem ist das Wado (Water Design Optimization) von Siemens I&S. Die Softwarelösung modelliert die Prozesswasseranlage und zeigt die Wechselwirkung zwischen einzelnen Einheiten auf. Das System analysiert die Kombinationen aller Nutzungs- und Aufbereitungsmöglichkeiten, unterstützt die Auswahl der geeigneten Aufbereitungseinheiten und ermittelt aus allen Verschaltungsvarianten die kostengünstigste Alternative. Um derartige Berechnungen durchführen zu können, muss das Prozesswassersystem in Gleichungen erfasst werden. Die Prozesse werden dabei durch charakteristische Parameter wie die maximal zulässigen Konzentrationen am Eintritt der Prozesseinheit, oder die Art und Weise, in der der betrachtete Prozess das Wasser zusätzlich kontaminiert, beschrieben. Die Lösung Wado ist besonders interessant für Unternehmen, die aufgrund ihres Standortes von Wasserknappheit betroffen sind oder ihre Produktion ausbauen möchten und ihr Prozesswassersystem der neuen Gelegenheit anpassen müssen. Bei der Planung von Neuanlagen wird mit Wado das optimale Prozesswassersystem für die Anlage sichergestellt

Die Hauptaufgabe bei der Optimierung eines Prozesswassersystems liegt in der Identifikation von Wiederverwendungsmöglichkeiten des Wassers, der Auswahl geeigneter Aufbereitungsverfahren, der Bestimmung der effektivsten Verbindungsstruktur und der Bestimmung der optimalen Betriebsparameter für das Prozesswassersystem. Am Beispiel des Prozesswassersystems einer Raffinerie (Abb. 1) können die Möglichkeiten von Wado demonstriert werden. Die Daten für die Anforderungen an das Prozesswassersystem entstammen einer Veröffentlichung (Huang, C.H.; Chang, C.T.; Ling, H.C.; Chang, C.C.: A Mathematical Programming Model for Water Usage and Treatment Network Design; Ind. Eng. Chem. Res., 1999, Vol. 38, p. 2666-2679) und wurden für den Einsatz von Wado zugrunde gelegt. Wie Abbildung 2 zeigt, gibt es drei Quellen, die Wasser in mehr und weniger guter Qualität liefern. In dem Beispiel werden sieben Prozesseinheiten mit Wasser in unterschiedlicher Qualität und Menge versorgt: Rohölentsalzung, Entfernung von Ammoniaksalzen, Wasser zum Heizen, Dampferzeugung, Kühlturm, H2S-Wäscher und allgemeiner Verbrauch. Die drei Senken nehmen das austretende, verschmutzte Wasser auf, das anschließend entweder in einer eigenen oder in einer öffentlichen Abwasseranlage entsorgt wird. In der Ausgangssituation werden die wassernutzenden Prozesse also direkt aus der Frisch- oder Reinwasserquelle mit Wasser versorgt. Das Wasser wird danach aufbereitet und in die Senke geleitet.

Mit Wado wurde zunächst untersucht, welche technisch sinnvollen Möglichkeiten zur Zwischenaufbereitung von Prozesswässern existieren. Für die entsprechenden Ströme wurden geeignete Aufbereitungseinheiten ausgewählt und optional in der mathematischen Optimierung zur Verfügung gestellt. Die von Wado errechnete Lösung liefert einen kostenoptimalen Strukturvorschlag des Prozesswassersystems (Abb. 3). Dabei ist gewährleistet, dass die eigentliche Produktion, der Hauptprozess nicht beeinflusst wird. Anhand einer nachgeschalteten Simulation wird die neue Prozesswasser-Struktur validiert.

Im Vergleich zur Ausgangslösung konnte mit der erzeugten Lösung der Bedarf an Reinwasser von 130 t/h auf 50,6 t/h und der Bedarf an Frischwasser von 635,5 t/h auf 363,4 t/h gesenkt werden. Unter der Annahme, dass Kosten von 0,85 Euro/t Reinwasser und 0,25 Euro/t Frischwasser anfallen, entspricht die Reduktion des Wasserbedarfs 135,51 Euro/h und bei 8600 Betriebsstunden pro Jahr einer Einsparung von 1,16 Mio Euro/a. Noch stärkeren Einfluss hat die Kreislaufführung bei den Abwasserkosten. Werden hier zum Beispiel 2 Euro/t Abwassergebühren zugrunde gelegt, ergeben sich Einsparungen von 6,15 Mio. Euro/a. Die erforderlichen Investitions- und Betriebskosten, die sich aus dem Neubau der zusätzlichen Aufbereitungseinheiten ergeben sowie die Entsorgungskosten für entstehende Sekundärströme (Schlämme etc.) werden mit 2,4 Mio. Euro/a abgeschätzt. Für die mit Wado ermittelte Lösung ergibt sich damit eine Gesamtersparnis von 4,91 Mio. Euro/a.

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