Computergestützte Optimierung der höher gelegenen Druckzonen der Stadtwerke Düsseldorf AG

Dipl.-Ing. Thorsten Arkenau

Diplomprüfung: 07/2002

Seit 1975 zurückgehende Trinkwasserverbrauchszahlen, nicht vorhersehbare Neuerschließungen von Bauland sowie kaum schwankende Bevölkerungszahlen sowohl in den letzten 20 Jahren als auch in mittelfristigen Zukunftsprognosen haben dazu geführt, dass sich Verbrauchsprognosen nicht in dem Maße entwickelt haben wie vermutet. Daher sahen sich die Stadtwerke Düsseldorf AG dazu veranlasst, das Trinkwasserverteilungsnetz der höhergelegenen Druckzonen des Versorgungsgebietes zu untersuchen mit dem Ziel, Über- als auch Unterdimensionierungen im Verteilungsnetz zu erkennen und zu beseitigen.
Zu diesem Zweck wurde das Verteilungsnetz mit Hilfe eines EDV-gestützten Berechnungsprogramms hydraulisch optimiert. Dabei wurden die geltenden technischen Regeln des DVGW berücksichtigt und angewandt.
Das Verteilungsnetz der zu berechnenden neun Druckzonen wurde optimiert, indem die Nennweiten aller Stränge den neuen Verhältnissen angepasst wurden; nicht benötigte Stränge wurden außer Betrieb genommen. Mögliche Spitzenlastfälle wie Löschwasserentnahmen oder der Ausfall von wichtigen Haupt- und Versorgungsleitungen wurden für jedes Gebiet herausgearbeitet und für das neue Netz simuliert. Es war oberste Priorität ein Netz zu erstellen, welches die Versorgung mit Trinkwasser in allen vorstellbaren und realistischen Situationen aufrecht erhalten kann.
Drei Ziele wurden im Laufe der Optimierungen angestrebt. Die große Anzahl der im Moment verwendeten Nennweiten sollte durch Einsatz ausschließlich standardisierter Nennweiten verringert werden. Ebenfalls sollte die Fließgeschwindigkeit so erhöht werden, dass die in einigen Bereichen auftretende Stagnation möglichst flächendeckend beseitig würde. Als drittes sollte das Verteilungsnetz durch Simulation realistischer Notfallszenarien auf Schwachpunkte überprüft werden, und diese beseitigt werden.
Das Zukunftsnetz kann alle Ziele erfüllen.
In dem vorgeschlagenen Zukunftsnetz wird die Anzahl der Nennweiten von 21 auf 12 reduziert, wobei ein Spektrum von DN 50 bis DN 500 abgedeckt wird. Dadurch kann man in Zukunft durch die Verwendung von Standardnennweiten eine Kostenreduzierung bei der Beschaffung und Lagerung von Ersatzteilen erwarten.
Die in einigen Teilen sehr niedrigen Fließgeschwindigkeiten sind soweit möglich erfolgreich angehoben worden. Dadurch kann in Zukunft die Trinkwasserqualität besonders in den Außenbereichen durch kürzere Fließzeiten angehoben werden.
Kritische Schwachpunkte, die in Notfällen zu Versorgungsschwierigkeiten führen konnten, wurden durch Nennweitenaufweitungen beseitigt.

Dabei wurden folgende Resultate erzielt:

• Insgesamt wurden 249 km Rohrleitungen in den höhergelegenen Druckzonen berechnet
• 72,6 km von ihnen wurden in ihrer Nennweite verändert, 4,1 km stillgelegt
• Das gesamte Leitungsvolumen in diesen Druckzonen ist von 6881,3 m³ auf 6109,6 m³ um 11,2 % verringert worden
• Die Ergebnisse wurden in die Datenbank, welche schon für die Druckzone Stadt entwickelt worden war, integriert

Die Datenbank dient der Dokumentation und einfachen Abrufbarkeit der Veränderungen an jedem Strang. Alle für den Anwender wichtigen technischen Daten sind darin enthalten:

• Straßenname/Strangname
• Strangnummer
• Druckzone
• Ist-Material
• Ist-Nennweite
• Leitungslänge
• Zukunfts-Nennweite

Ebenfalls wurden für die Stränge im Rahmen einer Grobkalkulation die Kosten für die Verlegung des Stranges berechnet und in die Datenbank integriert. Dabei wurden die Kosten für eine Neuverlegung in der neuen Nennweite denen der Neuverlegung in der alten Nennweite gegenübergestellt. Zusätzlich wurden die Kosten für die Anwendung von alternativen Verlegeverfahren ermittelt und mit denen der Neuverlegung verglichen.

Es konnte ermittelt werden, dass durch die Verlegung der optimierten statt der jetzigen Nennweiten die Kosten von 24,2 Mio. € auf 20,4 Mio. € reduziert werden können. Darin enthalten sind bereits die Kosten für die Außerbetriebnahme nicht mehr benötigter Leitungen. Dies entspricht einer Einsparung von 3,8 Mio. € oder auch 15,7 %. Durch die Verwendung alternativer Verfahren könnten diese Einsparungen je nach bevorzugtem Verfahren nahezu verdoppelt werden.

Basierend darauf wurde eine Instandhaltungsstrategie für die höhergelegenen Druckzonen beschrieben. In dieser Strategie enthaltene Leitungen werden im Rahmen des Sanierungsprogrammes ausgetauscht; es handelt sich dabei um Leitungen mit erhöhten Schadensraten.
Auch die optimierten Stränge werden nur in einem solchen Fall in das Sanierungsprogramm aufgenommen; es sollen dann die neuen Nennweiten eingesetzt werden.
Bei Annahme der Fortführung der jährlichen Erneuerungsraten wäre es im Gebiet der höhergelegenen Druckzonen möglich, pro Jahr Erneuerungen von ca. 2,4 km Länge durchzuführen. Das Zukunftsnetz wäre dann in etwa 30 Jahren umgesetzt.

Auf Grund der Heterogenität des Verteilungsnetzes innerhalb der höhergelegenen Druckzonen ist es legitim, dieses Versorgungsgebiet im Vergleich mit dem Rest der Bundesrepublik Deutschland als Durchschnittsnetz zu betrachten, auch weil der Rückgang des Wasserverbrauches in Düsseldorf nahezu exakt dem Bundesdurchschnitt entspricht. Es konnte festgestellt werden, dass auch in einem Verteilungsnetz mit überwiegendem Anteil von Versorgungsleitungen trotz der Auflagen bezüglich der Spitzenverbrauchsfälle Überkapazitäten bestehen, die nicht unerhebliche Einsparungspotentiale bedeuten. Dies könnte besonders in Zeiten knapper Haushaltskassen für ein Wasserversorgungsunternehmen deutliche Budgetentlastungen bedeuten.

Diese Diplomarbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Stadtwerke Düsseldorf AG erstellt.