Die Abteilung für Entwässerungsdienste der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong engagiert sich für den Klimaschutz. Im Laufe der Jahre wurden in einigen ihrer Anlagen energiesparende und erneuerbare Energieanlagen installiert. Mit dem offiziellen Start des „Hafenreinigungsplans Phase II A“ in Hongkong installierte die Abteilung für Entwässerungsdienste ein Wasserturbinenkraftwerk in der Kläranlage Stonecutters Island (der Kläranlage mit der größten Abwasserbehandlungskapazität in Hongkong). Dieses nutzt die hydraulische Energie des fließenden Abwassers, um den Turbinengenerator anzutreiben und so Strom für die Anlagen der Kläranlage zu erzeugen. Dieser Artikel stellt das System vor, einschließlich der Herausforderungen bei der Umsetzung der entsprechenden Projekte, der Überlegungen und Merkmale des Systemdesigns und -baus sowie der Betriebsleistung des Systems. Das System trägt nicht nur zur Senkung der Stromkosten bei, sondern reduziert durch die Nutzung von Wasser auch die CO₂-Emissionen.
1. Projektvorstellung
Die zweite Phase A des „Hafenreinigungsplans“ ist ein groß angelegtes Projekt der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong zur Verbesserung der Wasserqualität des Victoria-Hafens. Es wurde im Dezember 2015 offiziell in Betrieb genommen. Zu den Maßnahmen gehört der Bau eines tiefen Abwassertunnels mit einer Gesamtlänge von ca. 21 km und einer Tiefe von 163 m. Dieser transportiert das im Norden und Südwesten der Insel anfallende Abwasser zur Kläranlage Stonecutters Island und erhöht deren Behandlungskapazität auf 245.000 m³/Tag. Dadurch wird die Abwasserentsorgung für rund 5,7 Millionen Einwohner sichergestellt. Aufgrund begrenzter Fläche nutzt die Kläranlage Stonecutters Island 46 Doppelstock-Absetzbecken für die chemisch verstärkte Vorbehandlung des Abwassers. Jeweils zwei Absetzbecken teilen sich einen Schacht (insgesamt 23 Schächte), um das gereinigte Abwasser zur abschließenden Desinfektion in ein unterirdisches Abwasserrohr und anschließend ins Meer zu leiten.
2 Relevante frühe Forschung und Entwicklung
Angesichts der großen Abwassermengen, die die Kläranlage Stonecutters Island täglich aufbereitet, und der einzigartigen Doppelschichtkonstruktion ihres Absetzbeckens kann beim Abfluss des gereinigten Abwassers eine gewisse hydraulische Energie zur Verfügung gestellt werden, um den Turbinengenerator zur Stromerzeugung anzutreiben. Das Team der Abteilung für Entwässerungsdienste führte daraufhin im Jahr 2008 eine Machbarkeitsstudie durch und absolvierte eine Reihe von Feldversuchen. Die Ergebnisse dieser Vorstudien bestätigen die Machbarkeit der Installation von Turbinengeneratoren.
Einbauort: im Schacht des Absetzbeckens; Effektiver Wasserdruck: 4,5–6 m (die genaue Auslegung hängt von den zukünftigen Betriebsbedingungen und der exakten Position der Turbine ab); Durchflussbereich: 1,1–1,25 m³/s; Maximale Ausgangsleistung: 45–50 kW; Ausrüstung und Materialien: Da das gereinigte Abwasser noch eine gewisse Korrosivität aufweist, müssen die ausgewählten Materialien und die zugehörige Ausrüstung einen ausreichenden Schutz und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
In diesem Zusammenhang hat die Abteilung für Entwässerungsdienste im Klärwerk Platz für zwei Sätze von Absetzbecken reserviert, um im Rahmen des Erweiterungsprojekts „Hafenreinigungsprojekt Phase II A“ ein Turbinenstromerzeugungssystem zu installieren.
3 Systemdesignüberlegungen und -merkmale
3.1 Erzeugte Leistung und effektiver Wasserdruck
Der Zusammenhang 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) × Gravitationskonstante g (9,807 m/s²)] ÷ 1000
× Gesamtsystemwirkungsgrad (%). Der effektive Wasserdruck ist die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Wasserstand des Schachts und dem Wasserstand des benachbarten Schachts im durchfließenden Wasser.
Anders ausgedrückt: Je höher die Strömungsgeschwindigkeit und der effektive Wasserdruck, desto größer die erzeugte Leistung. Um also mehr Leistung zu erzeugen, ist eines der Konstruktionsziele, dem Turbinensystem eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit und einen möglichst hohen effektiven Wasserdruck zu ermöglichen.
3.2 Wichtige Aspekte des Systemdesigns
Zunächst einmal darf die neu installierte Turbinenanlage den normalen Betrieb der Kläranlage so wenig wie möglich beeinträchtigen. Beispielsweise muss die Anlage über geeignete Schutzeinrichtungen verfügen, um ein Überlaufen des vorgelagerten Absetzbeckens mit gereinigtem Abwasser aufgrund fehlerhafter Systemsteuerung zu verhindern. Die im Rahmen der Planung festgelegten Betriebsparameter sind: Durchflussmenge 1,06–1,50 m³/s, effektiver Wasserdruckbereich 24–52 kPa.
Da das im Absetzbecken gereinigte Abwasser noch korrosive Substanzen wie Schwefelwasserstoff und Salze enthält, müssen alle mit dem gereinigten Abwasser in Berührung kommenden Komponenten des Turbinensystems korrosionsbeständig sein (wie beispielsweise Duplex-Edelstahl, der häufig für Abwasserbehandlungsanlagen verwendet wird), um die Langlebigkeit des Systems zu verbessern und den Wartungsaufwand zu reduzieren.
Im Hinblick auf die Auslegung des Stromversorgungssystems ist die Stromerzeugung der Abwasserturbine aus verschiedenen Gründen nicht vollständig stabil. Daher wird das gesamte System parallel an das Stromnetz angeschlossen, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Der Netzanschluss erfolgt gemäß den technischen Richtlinien für Netzanschlüsse des Energieversorgungsunternehmens und der Abteilung für Elektrotechnik und Maschinenbau der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong.
Hinsichtlich der Rohrleitungsführung wurden neben den bestehenden Standortbeschränkungen auch die Anforderungen an die Systemwartung und -reparatur berücksichtigt. Daher wurde der ursprünglich im F&E-Projekt vorgeschlagene Plan, die Wasserturbine im Schacht des Absetzbeckens zu installieren, geändert. Stattdessen wird das gereinigte Abwasser über eine Drossel aus dem Schacht zur Wasserturbine geleitet. Dies reduziert den Wartungsaufwand und -zeitpunkt erheblich und minimiert die Auswirkungen auf den laufenden Betrieb der Kläranlage.
Da das Absetzbecken gelegentlich für Wartungsarbeiten außer Betrieb genommen werden muss, ist der Turbineneinlauf mit zwei Schächten von vier Doppeldeck-Absetzbecken verbunden. Selbst wenn zwei Absetzbecken außer Betrieb sind, können die beiden anderen weiterhin gereinigtes Abwasser liefern, das Turbinensystem antreiben und Strom erzeugen. Zusätzlich wurde in der Nähe des Schachts des Absetzbeckens 47/49 ein Platz für die zukünftige Installation eines zweiten Wasserturbinenkraftwerks reserviert. Dadurch können bei normalem Betrieb der vier Absetzbecken beide Turbinenkraftwerke gleichzeitig Strom erzeugen und ihre maximale Leistung erreichen.
3.3 Auswahl der Wasserturbine und des Generators
Die hydraulische Turbine ist die Schlüsselkomponente des gesamten Stromerzeugungssystems. Turbinen lassen sich im Allgemeinen nach ihrem Funktionsprinzip in zwei Kategorien einteilen: Impuls- und Reaktionsturbinen. Bei Impulsturbinen wird das Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch mehrere Düsen auf die Turbinenschaufeln gepresst und treibt so den Generator zur Energieerzeugung an. Reaktionsturbinen hingegen nutzen den Wasserdruck, um den Generator anzutreiben und Energie zu erzeugen. Da gereinigtes Abwasser beim Durchfluss einen niedrigen Wasserdruck aufweist, wurde für diese Konstruktion die Kaplan-Turbine, eine der geeignetsten Reaktionsturbinen, gewählt. Diese Turbine zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigem Wasserdruck und eine relativ geringe Bauhöhe aus, wodurch sie sich besser für die beengten Platzverhältnisse vor Ort eignet.
Als Generator wurde ein Permanentmagnet-Synchrongenerator mit konstanter Drehzahl und angeschlossener Wasserturbine gewählt. Dieser Generator liefert eine stabilere Spannung und Frequenz als ein Asynchrongenerator und verbessert somit die Stromversorgungsqualität, vereinfacht das Parallelnetz und reduziert den Wartungsaufwand.
4 Konstruktions- und Betriebsmerkmale
4.1 Parallele Gitteranordnung
Der Netzanschluss erfolgt gemäß den technischen Richtlinien für Netzanschlüsse des Energieversorgungsunternehmens und der Abteilung für Elektrotechnik und Maschinenbau der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong. Laut diesen Richtlinien muss die Anlage zur Erzeugung erneuerbarer Energien mit einer Inselnetzschutzfunktion ausgestattet sein. Diese trennt die Anlage automatisch vom Verteilnetz, sobald die Stromversorgung aus irgendeinem Grund ausfällt. Dadurch wird verhindert, dass die Anlage weiterhin Strom in das Verteilnetz einspeist, und die Sicherheit des Elektrotechnikpersonals, das am Netz oder Verteilnetz arbeitet, gewährleistet.
Im Hinblick auf den synchronen Betrieb der Stromversorgung können das System zur Erzeugung erneuerbarer Energien und das Verteilungssystem nur dann synchronisiert werden, wenn die Spannungsstärke, der Phasenwinkel oder die Frequenzdifferenz innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden.
4.2 Kontrolle und Schutz
Das hydraulische Turbinenkraftwerk kann automatisch oder manuell gesteuert werden. Im Automatikbetrieb dienen die Wellen der Absetzbecken 47/49 oder 51/53 als hydraulische Energiequelle. Das Steuerungssystem wählt anhand der Standarddaten das jeweils geeignetste Absetzbecken aus, um die Stromerzeugung zu optimieren. Zusätzlich passt das Steuerventil automatisch den Abwasserstand im Zulauf an, um ein Überlaufen des Absetzbeckens mit gereinigtem Abwasser zu verhindern und so die Stromerzeugung zu maximieren. Die Steuerung des Turbinenkraftwerks kann im Hauptleitstand oder vor Ort erfolgen.
Im Hinblick auf Schutz und Steuerung wird bei einem Ausfall des Stromversorgungskastens oder des Steuerventils des Turbinensystems oder bei Überschreitung des maximal zulässigen Wasserstands das hydraulische Turbinenkraftwerk den Betrieb automatisch einstellen und das gereinigte Abwasser über das Bypassrohr ableiten, um ein Überlaufen des vorgelagerten Absetzbeckens mit gereinigtem Abwasser aufgrund eines Systemausfalls zu verhindern.
5. Leistung des Systembetriebs
Dieses Wasserturbinenkraftwerk wurde Ende 2018 in Betrieb genommen und erzeugt monatlich durchschnittlich über 10.000 kWh. Der effektive Wasserdruck, der das Kraftwerk antreibt, variiert aufgrund der täglich schwankenden Abwassermenge, die von der Kläranlage gesammelt und behandelt wird. Um die Stromerzeugung zu maximieren, hat die Abteilung für Abwasserwirtschaft ein Steuerungssystem entwickelt, das das Turbinendrehmoment automatisch an den täglichen Abwasserdurchfluss anpasst und so die Stromerzeugungseffizienz steigert. Abbildung 7 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kraftwerk und dem Wasserdurchfluss. Sobald der Wasserdurchfluss einen festgelegten Wert überschreitet, schaltet sich das System automatisch zur Stromerzeugung ein.
6 Herausforderungen und Lösungen
Die Abteilung für Entwässerungsdienste ist bei der Durchführung entsprechender Projekte auf viele Herausforderungen gestoßen und hat als Reaktion auf diese Herausforderungen entsprechende Pläne entwickelt.
7. Schlussfolgerung
Trotz diverser Herausforderungen wurde diese Wasserkraftanlage mit Turbinen Ende 2018 erfolgreich in Betrieb genommen. Die durchschnittliche monatliche Stromerzeugung der Anlage beträgt über 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). Die Abteilung für Entwässerungsdienste hat sich zum Ziel gesetzt, „erstklassige Abwasser- und Regenwasserbehandlung sowie Entwässerungsdienste bereitzustellen, um die nachhaltige Entwicklung Hongkongs zu fördern“ und gleichzeitig Umweltschutz- und Klimaschutzprojekte voranzutreiben. Zur Nutzung erneuerbarer Energien setzt die Abteilung für Entwässerungsdienste Biogas, Solarenergie und die Energie aus gereinigtem Abwasser ein. In den letzten Jahren produzierte die Abteilung für Entwässerungsdienste durchschnittlich jährlich rund 27 Millionen kWh erneuerbare Energie, was etwa 9 % ihres Energiebedarfs deckt. Die Abteilung für Entwässerungsdienste wird ihre Bemühungen zur Stärkung und Förderung der Nutzung erneuerbarer Energien fortsetzen.
Veröffentlichungsdatum: 22. November 2022
