Solarbetriebenes Wasseraufbereitungs- und -verteilungssystem in Ecuador mittels digitalem Zwilling vorteilhaft realisiert

3D-Modellierung von Bentley Systems ermöglicht Einsparungen von 1,2 Mio. US-Dollar und erhebliche Verringerung des CO₂-Fußabdrucks

Autorin: Neda Simeonova *

Amagua C.E.M. ist für die Trinkwasserversorgung und Abwasserentsorgung der Parroquia La Puntilla im Bezirk Samborondón in Ecuador zuständig. Das Unternehmen ist bestrebt, eine qualitativ hochwertige und effiziente Wasserversorgung und Abwasserentsorgung einzurichten und bietet darüber hinaus ein ergänzendes präventives Systemmanagement sowie Beratung beim Entwurf des Netzes, beim Bau und bei der Wartung von Einrichtungen in Wohngebieten an. Um den Betrieb zu optimieren und eine zuverlässige Wasserversorgung zu gewährleisten, entschied sich Amagua für den Bau eines integrierten Systems zur Gewinnung, zum Transport und zur Aufbereitung von Wasser. „Um einen autonomen Betrieb zu gewährleisten, benötigten wir ein integriertes Sammlungs-, Leitungs- und Aufbereitungssystem, das […] einen Gesamtdurchfluss von 880 Litern pro Sekunde (l/s) liefern kann“, so Leonidas Dávila, Ingenieur und Projektleiter bei Amagua.

Das Projekt wurde in zwei Phasen unterteilt, wobei in der ersten Phase ein Durchfluss von 440 l/s und in der zweiten Phase weitere 440 l/s erzielt wurde. Es umfasste den Entwurf eines Wasserreservoirs, einer Versorgungsleitung und einer Aufbereitungsanlage. Um das Projekt autark zu machen und den CO₂-Fußabdruck möglichst gering zu halten, plante Amagua den Einsatz von Solarmodulen für die Stromversorgung des Netzes und das Pumpen des Wassers zu den Verteilertanks. Die von den Paneelen gesammelte Solarenergie soll die Oberflächenpumpen antreiben, die das Wasser aus einem Fluss oder einem Brunnen entnehmen, und es in den Rohwassertank und das Versorgungssystem pumpen, wodurch die Abhängigkeit des Netzes von konventionellen Energiequellen wie Strom aus dem Netz oder aus fossilen Brennstoffen verringert und möglicherweise sogar gänzlich entfällt.

Umgang mit hügeligem Gelände und Transienten in Leitungen

Solarmodule sind zwar vorteilhaft für die Verringerung der Umweltbelastung und die Unterstützung einer nachhaltigeren und wirtschaftlicheren Wasserversorgung, doch musste Amagua mehrere Faktoren berücksichtigen, um den Pumpen- und Netzbetrieb zu optimieren. „Für den optimalen Betrieb des Pumpensystems ist es wichtig, die geeignete Kapazität und Größe der Solarpaneele sowie die Effizienz und Kapazität der Energiespeicherung in Batterien zu berücksichtigen“, so Leonidas Dávila. Neben den Spezifikationen für die Paneele und den energetischen Aspekten musste Amagua auch das teilweise hügelige Gelände und die unregelmäßige Topografie berücksichtigen sowie Probleme mit Transienten in der 4,2 Kilometer langen Leitung in dem hoch gelegenen Gebiet vermeiden.

Mithilfe von MicroStation und OpenFlows Water konnte der Entwurf optimiert und die Bauzeit um 97 Tage verkürzt werden.

Um potenzielle Probleme, die den Druck und den Durchfluss beeinträchtigen und den Betrieb gefährden könnten, zu erkennen und abzuschwächen sowie um sicherzustellen, dass die Solarpaneele die notwendige Energie für eine zuverlässige Wasserversorgung erzeugen können, musste Amagua verschiedene Modellierungsszenarien durchspielen. Das Unternehmen benötigte eine integrierte Lösung für 3D-Entwurf und hydraulische Modellierung und Analyse, um das Optioneering zu optimieren, die effektivste Netzauslegung zu bestimmen und die Nutzung von Solarenergie zu überprüfen.

Nutzung der Bentley-Anwendungen für 3D-Entwurf und hydraulische Modellierung und Analyse

„Zur Optimierung der Projektdurchführung wurde der Einsatz von MicroStation und OpenFlows Water vorgeschlagen“, sagte Leonidas Dávila. Amagua entschied sich für MicroStation, um die gesamte Architektur des Systems in 2D und 3D zu entwerfen, und für OpenFlows Water, um die Leitungsführung des Netzes zu modellieren und zu analysieren und die Kosten für den Energieverbrauch auf der Grundlage von Strom und erneuerbaren Energien einzuschätzen. Die fortschrittlichen Algorithmen und 3D-Visualisierungsfunktionen der Bentley-Anwendungen ermöglichten es Amagua, digitale Simulationen zahlreicher Szenarien durchzuführen, die Optimierung sowohl des bestehenden als auch des zukünftigen Versorgungsnetzes zu überprüfen und die Verwendung von Solarpaneelen als effizienteste Quelle für erneuerbare Energie zu validieren. „Dank des nützlichen Energiekostenmoduls von OpenFlows Water waren wir in der Lage, die Energiekosten bei der Nutzung fossiler Brennstoffe und bei der Nutzung von Solarzellen zu modellieren, sowie deren Beitrag zum CO₂-Fußabdruck“, so Leonidas Dávila. Die digitalen Modelle werden auch während der Bau- und Betriebsphase des Projekts verwendet.

Digitale Simulation sorgt für Einsparungen und fördert Nachhaltigkeit

Durch den Einsatz der hochentwickelten Bentley-Anwendungen für 3D-Entwurf und hydraulische Modellierung und Analyse konnte Amagua die Modellierungszeit um 80 % reduzieren. Die Arbeit in einer vernetzten digitalen Plattform verbesserte die Effizienz der Prozesse zur Datenzusammenführung und zum Datenaustausch um 75 % bzw. 80 %. Dank präziser Modellierung und Simulation verkürzte Amagua die Planungsphase um 15 Tage und identifizierte und vermied 3.530 Kollisionen in der Entwurfsphase, was einem Einsparpotenzial von 50.000 US-Dollar entspricht. Die integrierte Technologielösung verkürzte den Bauzeitplan um 97 Tage und führte zu Einsparungen von 1,2 Mio. US-Dollar, während gleichzeitig ein optimaler Entwurf erstellt wurde, mit dem 40.000 Tonnen Beton weniger verbraucht wurden.

Zusätzlich zu den Zeit-, Kosten- und Materialeinsparungen unterstützten die digitalen Simulationen den Einsatz von Solarpaneelen, die durch die Verringerung des Energieverbrauchs und des CO₂-Fußabdrucks des Projekts erhebliche Verbesserungen für Umwelt und Nachhaltigkeit mit sich brachten. Mit den Solarpaneelen konnten die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und 6.905 Tonnen Kohlenstoffemissionen vermieden werden. „Das Ergebnis ist, dass wir den Energieverbrauch für fossile Brennstoffe pro Jahr um 95 % senken konnten“, so Leonidas Dávila. Im Vergleich zu konventionellen Pumpsystemen sind die solarbetriebenen Pumpen einfacher zu warten und eignen sich besonders für ländliche oder abgelegene Gebiete, in denen die elektrische Infrastruktur begrenzt sein kann, da sie einen autonomen und zuverlässigen Zugang zu Trinkwasser bieten und die Lebensqualität der Gemeinden verbessern. „Der Einsatz von Wasserpumpensystemen mit Solarpaneelen bietet erhebliche ökologische, wirtschaftliche und soziale Vorteile“, so Leonidas Dávila.

Die Anwendungen von Bentley Systems reduzierten die Modellierungszeit bei Amagua um 80 % und sparten Materialkosten.

Die Arbeit in einer gemeinsamen digitalen Plattform mit parametrischer Funktionalität straffte die Arbeitsabläufe und begünstigte die Wiederholbarkeit von Entwurf und Bau, wodurch 13.600 Stunden und mehr als 3,7 Mio. GBP an Gesamtkosten eingespart werden konnten, einschließlich beeindruckender Einsparungen von 632.800 GBP allein durch die Wiederverwendung standardisierter Entwurfskomponenten. „Diese Einsparungen bedeuten, dass Mott MacDonald Bentley mehr P-Schemata mit weniger Ressourcen umsetzen kann, wovon nicht nur Mott MacDonald Bentley, sondern auch die Kunden, die Umwelt und die lokalen Gemeinden profitieren, weil der Zustand von mehr Wasserläufen in Großbritannien schneller verbessert wird“, so Khurana. In Anbetracht der Tatsache, dass der gesamte Wassersektor mit Problemen hinsichtlich der Erschwinglichkeit und des Ressourcenmangels zu kämpfen hat, konnte Mott MacDonald Bentley nicht nur Kosteneinsparungen und Rentabilität aufzeigen, sondern auch dazu beitragen, die Lücke bei den Fachkompetenzen der Branche zu schließen.

* Die Autorin …

… Neda Simeonova ist Senior Product Marketing Manager, Water Infrastructure, bei Bentley Systems. Sie ist seit über 18 Jahren in der Wasser-, Abwasser- und Regenwasserinfrastrukturbranche tätig, u. a. als ehemalige Redaktionsleiterin der Zeitschriften Water & Wastes Digest, Storm Water Solutions und Water Quality Products, wo ihr Schwerpunkt auf Branchentrends, technologischen Fortschritten und Wasserrichtlinien lag. Sie ist unter neda.simeonova@bentley.com erreichbar. .