Das Abwasseramt der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong engagiert sich für die Eindämmung des globalen Klimawandels. In einigen seiner Anlagen wurden im Laufe der Jahre energiesparende und erneuerbare Energieanlagen installiert. Mit dem offiziellen Start von Hongkongs „Hafenreinigungsplan Phase II A“ hat das Abwasseramt in der Kläranlage Stonecutters Island (der Kläranlage mit der größten Abwasserbehandlungskapazität in Hongkong) ein hydraulisches Turbinenstromerzeugungssystem installiert. Dieses nutzt die hydraulische Energie des fließenden Abwassers zum Antrieb des Turbinengenerators und erzeugt so Strom für die Anlagen der Anlage. Dieses Dokument stellt das System vor und beleuchtet die Herausforderungen bei der Umsetzung relevanter Projekte, die Überlegungen und Merkmale bei der Systemplanung und -konstruktion sowie die Betriebsleistung des Systems. Das System hilft nicht nur, Stromkosten zu sparen, sondern nutzt auch Wasser, um die CO2-Emissionen zu reduzieren.
1 Projektvorstellung
Phase A des Hafenreinigungsplans ist ein groß angelegtes Projekt der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong zur Verbesserung der Wasserqualität im Victoria Harbour. Im Dezember 2015 wurde es offiziell in vollem Umfang in Betrieb genommen. Zu den Arbeiten gehört der Bau eines tiefen Abwassertunnels mit einer Gesamtlänge von ca. 21 km und einer Tiefe von 163 m. Er soll das im Norden und Südwesten der Insel anfallende Abwasser zur Kläranlage Stonecutters Island transportieren und die Behandlungskapazität der Anlage auf 245 × 105 m3/Tag steigern und so die Abwasserqualität für ca. 5,7 Millionen Bürger verbessern. Aus Platzgründen verwendet die Kläranlage Stonecutters Island 46 doppelstöckige Absetzbecken für eine chemisch verstärkte Erstbehandlung des Abwassers, und jeweils zwei Absetzbecken teilen sich einen vertikalen Schacht (also insgesamt 23 Schächte), um das gereinigte Abwasser zur endgültigen Desinfektion in die unterirdische Drainageleitung und anschließend in die Tiefsee zu leiten.
2 Relevante frühe Forschung und Entwicklung
Angesichts der großen Abwassermengen, die die Kläranlage Stonecutters Island täglich behandelt, und des einzigartigen doppelschichtigen Aufbaus ihres Absetzbeckens kann sie beim Ablassen des gereinigten Abwassers eine gewisse Menge hydraulischer Energie bereitstellen, um den Turbinengenerator zur Stromerzeugung anzutreiben. Das Team der Abteilung für Abwasserentsorgung führte daraufhin 2008 eine entsprechende Machbarkeitsstudie durch und führte eine Reihe von Feldversuchen durch. Die Ergebnisse dieser Vorstudien bestätigen die Machbarkeit der Installation von Turbinengeneratoren.
Installationsort: im Schacht des Absetzbeckens; Effektiver Wasserdruck: 4,5 bis 6 m (die konkrete Auslegung hängt von den tatsächlichen zukünftigen Betriebsbedingungen und der genauen Position der Turbine ab); Durchflussbereich: 1,1 bis 1,25 m3/s; Maximale Ausgangsleistung: 45 bis 50 kW; Ausrüstung und Materialien: Da das gereinigte Abwasser immer noch eine gewisse Korrosivität aufweist, müssen die ausgewählten Materialien und die zugehörige Ausrüstung über einen angemessenen Schutz und eine angemessene Korrosionsbeständigkeit verfügen.
In diesem Zusammenhang hat die Abteilung für Entwässerungsdienste im Rahmen des Erweiterungsprojekts „Hafenreinigungsprojekt Phase II A“ Platz für zwei Sätze von Absetzbecken in der Kläranlage reserviert, um dort ein Turbinenstromerzeugungssystem zu installieren.
3 Überlegungen und Funktionen zum Systemdesign
3.1 Erzeugte Leistung und effektiver Wasserdruck
Die Beziehung zwischen der durch hydrodynamische Energie erzeugten elektrischen Leistung und dem effektiven Wasserdruck ist wie folgt: erzeugte elektrische Leistung (kW) = [Dichte des gereinigten Abwassers ρ (kg/m3) × Wasserdurchflussrate Q (m3/s) × Effektiver Wasserdruck H (m) × Erdbeschleunigungskonstante g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Gesamtsystemeffizienz (%). Der effektive Wasserdruck ist die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Wasserstand des Schachts und dem Wasserstand des benachbarten Schachts im fließenden Gewässer.
Anders ausgedrückt: Je höher die Fließgeschwindigkeit und der effektive Wasserdruck, desto mehr Leistung wird erzeugt. Um mehr Leistung zu erzeugen, besteht eines der Konstruktionsziele darin, das Turbinensystem mit der höchsten Fließgeschwindigkeit und dem höchsten effektiven Wasserdruck auszustatten.
3.2 Kernpunkte des Systemdesigns
Zunächst darf das neu installierte Turbinensystem den normalen Betrieb der Kläranlage konstruktionstechnisch so wenig wie möglich beeinträchtigen. So muss das System beispielsweise über geeignete Schutzvorrichtungen verfügen, um zu verhindern, dass das vorgelagerte Absetzbecken aufgrund fehlerhafter Anlagensteuerung mit dem gereinigten Abwasser überläuft. Die während der Konstruktion festgelegten Betriebsparameter: Durchflussrate 1,06 bis 1,50 m³/s, effektiver Wasserdruckbereich 24 bis 52 kPa.
Da das durch den Absetzbecken gereinigte Abwasser noch immer korrosive Substanzen wie Schwefelwasserstoff und Salz enthält, müssen alle Materialien der Turbinensystemkomponenten, die mit dem gereinigten Abwasser in Berührung kommen, korrosionsbeständig sein (wie beispielsweise Duplex-Edelstahlmaterialien, die häufig für Abwasseraufbereitungsanlagen verwendet werden), um die Haltbarkeit des Systems zu verbessern und den Wartungsaufwand zu reduzieren.
Da die Stromerzeugung der Abwasserturbine aus verschiedenen Gründen nicht vollständig stabil ist, wird das gesamte Stromerzeugungssystem parallel an das Stromnetz angeschlossen, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Der Netzanschluss erfolgt gemäß den technischen Richtlinien des Energieversorgers und der Abteilung für elektrische und mechanische Dienste der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong.
Bei der Rohrverlegung wird neben den bestehenden Standortbeschränkungen auch der Bedarf an Systemwartung und -reparatur berücksichtigt. In diesem Zusammenhang wurde der im Forschungs- und Entwicklungsprojekt vorgeschlagene ursprüngliche Plan, die Hydraulikturbine im Absetzbeckenschacht zu installieren, geändert. Stattdessen wird das gereinigte Abwasser durch eine Verengung aus dem Schacht herausgeführt und der Hydraulikturbine zugeführt. Dies reduziert den Wartungsaufwand erheblich und verringert den Zeitaufwand sowie die Auswirkungen auf den normalen Betrieb der Kläranlage.
Da das Absetzbecken gelegentlich für Wartungsarbeiten außer Betrieb genommen werden muss, ist die Turbinenverengung mit zwei Schächten von vier doppelstöckigen Absetzbecken verbunden. Selbst wenn zwei Absetzbecken ihren Betrieb einstellen, können die anderen beiden Absetzbecken weiterhin gereinigtes Abwasser liefern, das Turbinensystem antreiben und Strom erzeugen. Zusätzlich ist in der Nähe des Schachts des Absetzbeckens Nr. 47/49 ein Platz für die Installation eines zweiten hydraulischen Turbinenkraftwerks vorgesehen. So können bei normalem Betrieb der vier Absetzbecken die beiden Turbinenkraftwerke gleichzeitig Strom erzeugen und ihre maximale Leistung erreichen.
3.3 Auswahl der hydraulischen Turbine und des Generators
Die hydraulische Turbine ist das Herzstück des gesamten Stromerzeugungssystems. Turbinen lassen sich je nach Funktionsprinzip grundsätzlich in zwei Kategorien unterteilen: Impulsturbinen und Reaktionsturbinen. Bei der Impulsturbine wird die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit durch mehrere Düsen auf die Turbinenschaufeln geschossen und treibt dann den Generator zur Energieerzeugung an. Bei der Reaktionsturbine hingegen wird die Flüssigkeit durch die Turbinenschaufeln geleitet und nutzt den Wasserdruck, um den Generator zur Energieerzeugung anzutreiben. Da das gereinigte Abwasser beim Fließen einen niedrigen Wasserdruck aufweisen kann, wurde bei dieser Konstruktion die Kaplan-Turbine, eine der geeigneteren Reaktionsturbinen, gewählt, da diese Turbine bei niedrigem Wasserdruck einen hohen Wirkungsgrad aufweist und relativ flach ist, was sie besser für den begrenzten Platz vor Ort geeignet macht.
Als Generator kommt ein Permanentmagnet-Synchrongenerator mit konstanter Drehzahl und hydraulischer Turbine zum Einsatz. Dieser Generator erzeugt eine stabilere Spannung und Frequenz als ein Asynchrongenerator. Dadurch verbessert er die Stromversorgungsqualität, vereinfacht den Parallelbetrieb und erfordert weniger Wartung.
4 Konstruktions- und Betriebsmerkmale
4.1 Netzparallele Anordnung
Der Netzanschluss erfolgt gemäß den technischen Richtlinien des Energieversorgungsunternehmens und der Abteilung für elektrische und mechanische Dienste der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong. Gemäß diesen Richtlinien muss das System zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien mit einem Inselnetzschutz ausgestattet sein. Dieser Schutz trennt das jeweilige System automatisch vom Verteilungssystem, wenn das Stromnetz aus irgendeinem Grund die Stromversorgung einstellt. So kann das System nicht mehr in das Verteilungssystem einspeisen und die Sicherheit des am Netz oder Verteilungssystem arbeitenden Elektrotechnikpersonals gewährleisten.
Im Hinblick auf den synchronen Betrieb der Stromversorgung können das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien und das Verteilungssystem nur synchronisiert werden, wenn die Spannungsintensität, der Phasenwinkel oder die Frequenzdifferenz innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden.
4.2 Kontrolle und Schutz
Das hydraulische Turbinen-Stromerzeugungssystem kann automatisch oder manuell gesteuert werden. Im Automatikbetrieb können die Schächte der Absetzbecken 47/49 oder 51/53 als hydraulische Energiequelle genutzt werden. Das Steuerungssystem aktiviert entsprechend den vorgegebenen Daten verschiedene Regelventile, um das am besten geeignete Absetzbecken auszuwählen und so die Stromerzeugung durch die hydraulische Turbine zu optimieren. Darüber hinaus passt das Regelventil den Abwasserpegel im Vorlauf automatisch an, sodass das Absetzbecken nicht mit gereinigtem Abwasser überläuft und so die Stromerzeugung auf ein Höchstniveau gesteigert wird. Das Turbinengeneratorsystem kann im Hauptkontrollraum oder vor Ort geregelt werden.
Aus Schutz- und Kontrollgründen wird das hydraulische Turbinenstromerzeugungssystem automatisch seinen Betrieb stoppen und das gereinigte Abwasser durch das Bypass-Rohr ableiten, wenn der Stromversorgungskasten oder das Steuerventil des Turbinensystems ausfällt oder der Wasserstand den maximal zulässigen Wasserstand überschreitet. So wird verhindert, dass das gereinigte Abwasser aufgrund eines Systemausfalls in den vorgelagerten Absetzbehälter überläuft.
5 Durchführung des Systembetriebs
Dieses hydraulische Turbinen-Stromerzeugungssystem wurde Ende 2018 in Betrieb genommen und erzeugt durchschnittlich mehr als 10.000 kWh pro Monat. Der effektive Wasserdruck, der das hydraulische Turbinen-Stromerzeugungssystem antreiben kann, ändert sich mit der Zeit aufgrund der unterschiedlichen Abwassermengen, die täglich von der Kläranlage gesammelt und behandelt werden. Um die vom Turbinensystem erzeugte Leistung zu maximieren, hat die Abteilung für Abwasserentsorgung ein Steuerungssystem entwickelt, das das Betriebsdrehmoment der Turbine automatisch an die tägliche Abwassermenge anpasst und so die Effizienz der Stromerzeugung verbessert. Abbildung 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Stromerzeugungssystem und der Wassermenge. Wenn die Wassermenge den eingestellten Wert überschreitet, wird das System automatisch aktiviert und erzeugt Strom.
6 Herausforderungen und Lösungen
Die Abteilung für Entwässerungsdienste ist bei der Durchführung relevanter Projekte auf viele Herausforderungen gestoßen und hat entsprechende Pläne als Reaktion auf diese Herausforderungen formuliert.
7 Fazit
Trotz verschiedener Herausforderungen wurde dieses Wasserturbinen-Stromerzeugungssystem Ende 2018 erfolgreich in Betrieb genommen. Die durchschnittliche monatliche Stromleistung des Systems beträgt mehr als 10.000 kWh, was dem durchschnittlichen monatlichen Stromverbrauch von etwa 25 Hongkonger Haushalten entspricht (der durchschnittliche monatliche Stromverbrauch eines Hongkonger Haushalts lag 2018 bei etwa 390 kWh). Das Abwasseramt hat sich zum Ziel gesetzt, „erstklassige Abwasser- und Regenwasseraufbereitungs- und Entwässerungsdienste bereitzustellen, um die nachhaltige Entwicklung Hongkongs zu fördern“ und gleichzeitig Umweltschutz- und Klimaschutzprojekte zu unterstützen. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien nutzt das Abwasseramt Biogas, Solarenergie und die Energie aus dem Fluss gereinigten Abwassers zur Erzeugung erneuerbarer Energie. In den letzten Jahren hat das Abwasseramt durchschnittlich etwa 27 Millionen kWh jährlich aus erneuerbaren Energien erzeugt, was dem Energiebedarf von etwa 9 % des Abwasseramts entspricht. Das Abwasseramt wird seine Bemühungen fortsetzen, die Nutzung erneuerbarer Energien zu stärken und zu fördern.
Veröffentlichungszeit: 22. November 2022
