Uraniumfiltratie en centrale ontharding voor zuiver drinkwater
Overleven zonder water is maar een paar dagen mogelijk. Bij de watervoorzieningsvereniging Trollmühle in Windesheim zorgen VLT®-oplossingen van Danfoss voor een betrouwbare werking van de systemen.
Water is een van de belangrijkste stoffen voor de mens. Afhankelijk van de leeftijd en constitutie bestaat het menselijk lichaam uit 70 tot 85 procent water. Overleven zonder water is slechts enkele dagen mogelijk. Daarom is een betrouwbare levering van goed drinkwater zo belangrijk. Bij Waterschap Trollmühle in Windesheim, dat circa 42.000 mensen van het beste drinkwater voorziet, zorgen de VLT® oplossingen van Danfoss voor een betrouwbare werking van de installaties die uranium en hardheidsvormers uit het water filteren en zo de hoogste kwaliteit garanderen. In Windesheim wordt een van de grootste installaties in heel Duitsland voor de verwijdering van uranium en waterontharding door gedeeltelijke ontzilting gebruikt.
Waterschap Trollmühle bestaat al sinds 1910 en exploiteert nu ongeveer 550 km waterleidingen. In 24 gemeenten en ongeveer 15.000 huishoudens in totaal voorziet ze de 42.000 inwoners jaarlijks van 2,2 miljoen kubieke meter drinkwater. Rond het belangrijkste pompstation in Windesheim, waar ook het water wordt gezuiverd, liggen in totaal 21 diepe putten en 2 voorzieningen voor het opvangen van bronwater. Hieruit kan Trollmühle tijdens piekperioden meer dan 10.000 m³ per dag afnemen en bewerken, wat met name in tijden van enorme droogte en duidelijke hitteperioden zoals in 2018 tot 2020, telkens nodig was. De klimaatverandering heeft door de lange perioden van droogte en de steeds frequentere, warmere, langere hitteperioden sowieso steeds meer invloed op het watertransport, dat daardoor verder toeneemt. Hoewel het waterverbruik in de particuliere huishoudens in de loop der jaren duidelijk is gedaald in het kader van duurzaamheid, door het gebruik van waterbesparende apparaten en kranen. Om ook in de toekomst de bevolking en industriële afnemers van voldoende water te kunnen blijven te kunnen voorzien, boort Trollmühle momenteel nieuwe bronnen aan. Dit betekent echter ook een toename van het energieverbruik, waarbij tot 80% van de totale watervoorziening wordt vervangen door elektrische aandrijvingen in de vorm van verschillende pompen. Trollmühle is echter goed uitgerust met moderne technologie en investeert op basis van zijn sinds 2013 geïntroduceerde energiemanagementsysteem DIN EN ISO 50001 nog steeds in een duurzame watervoorziening met uiterst efficiënte motortechnologieën om het energieverbruik te verminderen en het rendement te optimaliseren.
Als het water is gezuiverd, moet het via het wijd vertakte leidingnet worden verdeeld onder de verbruikers in de 24 gemeenten. Trollmühle exploiteert daarvoor pompstations, die het water naar behoefte over in totaal 18 hoge en ondergrondse reservoirs verdelen, met een totaal volume van ca. 17.400 kubieke meter. Het belangrijkste reservoir op het bedrijfsterrein in Windesheim zelf heeft een inhoud van in totaal 3.000 kubieke meter.
De waterkwaliteit in het stroomgebied varieert sterk
Het grote aantal bronnen en het brede verspreidingsgebied brengen twee uitdagingen met zich mee: De waterkwaliteit van de bronnen met betrekking tot de waterhardheid is zeer verschillend door de geologische aard van de bodemgesteldheid. De totale hardheid schommelt tussen 5 en 34 dH en het nitraatgehalte ligt tussen 5 en 50 mg/l, waarbij de wettelijke grenswaarde voor nitraat 50 mg/l bedraagt. Een andere geologische eigenschap maakt het nog ingewikkelder. Het water heeft in een van de belangrijkste en meest rijke bronnen, de diepe bron Karlshof, het hoogste uraniumgehalte van maximaal 30 μg/l. Andere bronnen liggen in een bereik van 3 tot 20 μg/l. Na menging in het hoofdpompstation van Windesheim kwam het water dus op een totale waarde van 13 μg/l voor uranium, wat al op het moment van de planning boven de destijds aanbevolen en sinds 1 november 2011 wettelijk vastgelegde grenswaarde van 10 μg/l ligt. Een andere wens van de waterleverancier op verzoek van de bevolking: Het water moet van 24° dH naar slechts 12°dH worden gebracht, wat gedeeltelijke ontzilting voor ontharding noodzakelijk maakt.
Tweefasige drinkwaterzuivering
Om de wettelijk voorgeschreven grenswaarden met betrekking tot de uraniumbelasting van het water aan te houden en de hardheid van het drinkwater te verminderen, gebruiken de waterspecialisten van Trollmühle een tweefasige procedure
In de eerste stap verwijdert een Uranex-installatie, die ten tijde van de inbedrijfstelling wereldwijd de grootste in zijn soort was, gericht het uranium uit het water. Het ionenuitwisselingsproces verlaagt daarbij de uraniumconcentratie tot onder 2μg/l, zonder de overige samenstelling van het water te veranderen. Het water stroomt door het absorptiefilter van boven naar beneden en verlaat het filter onder de bodem van de sproeier. De bewaking van de verschildruk garandeert een stabiele werking.
Vervolgens vindt de ontharding plaats door gedeeltelijke ontzilting met de Carix-installatie. Het ongezuiverde water stroomt door de ionenuitwisselingsfilters, waarin op kunstharsen nitraat, sulfaat, chloride, calcium, magnesium en carbonaat in ruil voor koolzuur worden geadsorbeerd. Het koolzuur dat nog in het water zit, wordt vervolgens in de *Reinwasserriesler, in tegenstroom met gefilterde lucht onttrokken. (*een systeem waarbij het schone water in een pijp wordt besprenkeld, en in de pijp een luchtstroom is naar de bovenkant, voor het instellen van de volgens de drinkwaterverordening vereiste pH-waarde) De regeneratie van de carix-ionenvervangingsfilters gebeurt door middel van CO2, die voor 95% uit het proceswater wordt teruggewonnen.
Om een maximale veiligheid voor de zuiverheid van het water te garanderen, zorgt uv-straling voor een extra ontkieming zonder chemicaliën. Het water, dat dan volledig voldoet aan de strenge kwaliteitseisen van de drinkwaterverordening, wordt vervolgens door middel van de pompen in de hoge reservoirs en van daaruit onder de klanten verdeeld. In totaal 2,2 miljoen kubieke meter per jaar.
Pompregeling voor een betrouwbare en duurzame werking met de VLT® AQUA Drive
Drinkwaterbehandeling en -distributie zijn zeer energie-intensieve processen en van de gebruikte energie gaat tot 80% in de elektrische aandrijvingen naar pompen en ventilatoren. Daarom zet Waterschap Trollmühle in op de modernste technologieën om het verbruik zo laag mogelijk te houden. Zo worden permanentmagneetmotoren en synchroon reluctantiemotoren gebruikt als zeer efficiënte motoren voor de pompen. De exploitant van bronnen en zuiveringsinstallatie vervangt ook de dompelpompen die in de loop der jaren zijn geïnstalleerd, door nieuwe, zuinigere motoren. Deze investeringskosten, in combinatie met de VLT® frequentieregelaars die hiervoor nodig zijn, zijn in veel gevallen al binnen 2 jaar rendabel dankzij de energiebesparingen. Met bedrijfstijden van de huidige pompen van 20 tot 30 jaar kunnen de kosten op deze manier aanzienlijk worden gereduceerd.
Om de pompen in het systeem vlot en betrouwbaar te laten werken, vertrouwt Trollmühle op de VLT® AQUA Drives van Danfoss. Ze passen het toerental van alle pompen aan op de gewenste snelheid, reduceren hierdoor de energiekosten door een hoger rendement en optimaliseren de werking. De Danfoss frequentieregelaar is specifiek ontworpen voor pomptoepassingen en biedt een aantal speciale functies. Daarnaast zorgt het voor een optimaal energiegebruik met een rendement van doorgaans 98 procent en meer. Daar dragen ook een slaapmodus en een automatische energieoptimalisatie aan bij. De soepele aanloop en beperkte starts verminderen de slijtage en het energieverbruik van het systeem.
De VLT® AQUA Drive kan worden bestuurd via zowel analoge stuursignalen als veldbusinterfaces. In het hoofdleidingnetwerk van het Waterschap zijn de frequentieregelaars door middel van Profibus in het geleidingssysteem geïntegreerd om de bewaking en besturing van de regelaars te garanderen. Redundante systemen garanderen dat de bevolking altijd betrouwbaar wordt voorzien.
Het grafische bedieningspaneel, dat in de kastdeur is geïnstalleerd via een montageset, maakt snelle lokale bediening mogelijk, biedt een overzicht van alle essentiële kenmerkende parameters van de pompen en frequentieregelaars. Bovendien vergemakkelijkt het in geval van fouten de diagnose via ingebouwde scope-functies en een intuïtieve bediening.
Werking via net of generator – de verschillen
Frequentieregelaars zijn niet neutraal ten opzichte van het voedingsnet. Ze veroorzaken harmonischen in het elektriciteitsnet in de vorm van harmonischen die door de frequentieregelaar worden teruggevoerd naar het voedingsnet, wat de kwaliteit van het net negatief kan beïnvloeden. Pas in combinatie met de netimpedantie van het voedingsnet ontstaan spanningsvervormingen. Aan de inductie van de energievoorziening veroorzaken de harmonische stromen een spanningsdaling, die bij de gegeven spanning wordt opgeteld en de spanning vertekent. Daarbij zijn de hier toegepaste transformator- resp. generatorvoedingen vanwege hun verschillende netimpedanties zeer verschillend.
De bekabeling (doorsnede en lengte) draagt ook bij aan de netimpedantie.
Bij een stabiel net zijn harmonischen in het elektriciteitsnet gewoonlijk minder zorgelijk, maar als de netvoedingen door aangesloten systemen sterk worden gebruikt, zal de netkwaliteit sterker worden belast.
Actief filter voor generatorwerking
Omdat de spanningsvervormingen afhankelijk zijn van de netinductie, ontstaan bij dezelfde capaciteitsafname resp. constante verbruikers bij een grote inductie hogere vervormingen dan bij een lagere netinductie Daarom moet de generatorwerking als een kritische bedrijfsstatus worden beschouwd, omdat de niet-lineaire verbruikers, bij gelijkblijvende stroomopname, vanwege de hogere reactantie in vergelijking met de trafovoeding hogere spanningsvervormingen veroorzaken. Als we dan ook naar de reële situatie kijken, waarbij de generatoren meestal kleiner zijn ontworpen dan de normale lijnvoeding door een vast net met transformatoren, dan is het meteen duidelijk dat de exploitanten maatregelen moesten nemen om de harmonischen te beperken en een veilige werking te garanderen. Voor een veilige basisvoorziening in geval van calamiteiten of bij grote netuitval zijn in de watervoorziening Trollmühle en in een toekomstig grotere bron namelijk vaste noodstroomvoorzieningen in de vorm van generatoren voorzien of geïnstalleerd. Andere installaties, zoals pompinstallaties en bronnen, zijn via een eigen netwerk verbonden, waar mobiele generatoren zo snel mogelijk worden ingezet om de werking van de bronnen en pompen in extreme gevallen te garanderen. In alle gevallen neemt daarmee echter de impedantie van het voedingsnet sterk toe, zoals hierboven reeds uitgelegd, en zijn er dan passende tegenmaatregelen nodig om terugwerkende krachten te beperken.
Het Waterschap koos in het pompstation Trollmühle voor een actief filter van Danfoss Drives voor gebruik bij generatorwerking om de netbelasting tot een minimum te reduceren. Het actieve filter met een maximale uitgangsstroom van 190 A maakt in het vermogensbereik gebruik van aangepaste halfgeleiders in combinatie met moderne microprocessortechnologie. Hij levert een complementaire stroom aan de stroom van de harmonische trilling, wat weer een sinusvormige stroom oplevert. Hierbij stelt het filter zich automatisch in op elke belastingssituatie.
Het filter biedt een hoge energie-efficiëntie, gebruiksvriendelijke interfaces, back channelkoeling en hoge beschermingsklassen voor behuizingen. Een ander voordeel is de plaats van aansluiting op het te compenseren net.
Harmonischen in het elektriciteitsnet, motorstromen en lagerbescherming
Als alternatief kan Danfoss passieve filters leveren. Enerzijds in de vorm van VLT® AHF filters, geplaatst vóór de ingang vanaf individuele frequentiegeregelde aandrijvingen van omzetters, om hun terugwerkende krachten te reduceren. U bereikt een THDi van 5 tot 10%. Ze zijn een relatief goedkoop en robuust alternatief voor een actief filter.
Juist voor afgelegen stations, zoals bronnen of pompstations, waar afzonderlijke grote pompen onbemand hun dienst vervullen en die buiten steden of gemeenten midden in het terrein staan, biedt Danfoss nu ook passieve Low Harmonic-oplossingen van 11 tot 90 kW. Dit zijn complete oplossingen, zoals passieve filtering, de frequentieregelaar en het sinusfilter aan de uitgang combineren, samen met common-mode smoorspoelen voor normatief gebruik voor niet-afgeschermde motorkabels tot 300 meter, in een relatief compacte behuizing. Voor grotere vermogens van 110 - 560 kW zijn er ook compacte oplossingen direct af-fabriek verkrijgbaar. Ze zorgen voor een stabiele voeding en een sinusvormige motorstroom, zoals die bijvoorbeeld bij dompelpompen nodig is, en garanderen een ongestoorde werking.
Voor oudere motoren of speciale bescherming tegen lagerstromen biedt Danfoss Common Mode Filters aan. Ze beschermen tegen lagerstromen en voorkomen daarmee slijtage en het defect gaan van lagers. Ze worden gebruikt op de aansluitklemmen van de motorkabels. Bij nieuw geïnstalleerde pompen voorkomen ze lagerschade in de motoren.
Veilige investeringen in technologie en duurzaamheid
In het kader van de opkomende discussie over duurzaam gebruik van waardevolle hulpbronnen zoals water of energie, vertrouwt Trollmühle sinds zijn bestaan op moderne techniek. En investeert net zo goed in de modernisering van bestaande installaties als in een energie-efficiënte en duurzame uitrusting in nieuw te plannen installaties, zoals nieuwe bronnen, pompstations of zuiveringsinstallaties. Zo is de corporatie enkele jaren geleden begonnen met de modernisering van pompinstallaties. Daar worden zeer efficiënte permanentmagneet- en synchroon reluctantiemotoren toegepast. Deze kunnen uitsluitend met een intelligente regelaar worden bediend en zijn niet geschikt voor direct online starten (DOL). Danfoss kan alle motortypen regelen met zijn VLT® AQUA Drive frequentieregelaars. Dit altijd op het optimale werkpunt, want de frequentieregelaars kunnen de aangesloten motor binnen enkele seconden analyseren met behulp van de geïntegreerde automatische motoraanpassing (AMA). Dit betekent dat de frequentieregelaar beschikt over de benodigde statistische gegevens om de magnetisering en andere parameters optimaal af te stemmen op de motor, inclusief de aangesloten gedeeltelijk lange motorkabels, en de motor op het optimale werkpunt te laten werken.
Omdat deze nieuwe motortypen pas in de afgelopen jaren op de markt zijn gekomen, niet in de laatste plaats vanwege de energierichtlijnen van de EU, waren de AQUA Drives die aanvankelijk waren ingebouwd, nog niet in staat om deze motoren geheel zuiver aan te sturen. In plaats van nieuwe drives was een firmware-update van de frequentieregelaars voldoende om ze geschikt te maken voor de nieuwe motoren. Voor dergelijke toepassingen biedt Danfoss DrivePro® Lifecycle Services aan, een serviceconcept dat optimaal aansluit op de behoeften van de klant, zodat de juiste service gedurende de gehele levensduur beschikbaar is. Of het nu gaat om inbedrijfstelling, onderhoud, Remote Monitoring door een expert of een complete retrofit van de apparatuur: de specialisten van Danfoss staan altijd klaar om u te helpen met deskundig advies. Zodat installaties altijd betrouwbaar en duurzaam de beste prestaties leveren.
Conclusie
Al meer dan 100 jaar voorziet Waterschap Trollmühle haar klanten betrouwbaar van de juiste hoeveelheid drinkwater van de hoogste kwaliteit. In alle nieuwe installaties die de afgelopen jaren zijn gebouwd, is ook de aandrijftechniek van Danfoss actief. Technisch geavanceerde installaties en uitgebreide kennis van de technici en specialisten garanderen het beste water. En dat zal ook in de toekomst zo blijven.
Stefan Denzer
Key Account Manager
Water & Fluid Handling
Danfoss Drives
63073 Offenbach/Main