ISM Abflusssteuerung

Stellen Sie sich ein Autowerk mit einem Investitionsvolumen von 100 Millionen Dollar vor. Die Tagesspitzenproduktion des Werkes erreicht 1000 Wagen, für gewöhnlich werden jedoch lediglich 50 Autos am Tag gefertigt. Von Zeit zu Zeit führen Engpässe und Ausfälle, die auf eine ungenügende Synchronisierung der Montagearbeiten zurückzuführen sind, zu einem Rückgang der Produktion um 20 %. Manchmal überhäuft sich der Materialnachschub an der Fertigungslinie und an anderer Stelle wiederum stockt die Fertigung auf Grund von Materialknappheit. Wie auch immer, niemand weiss exakt, was im Werk passiert, da es ohne Überwachung betrieben wird.
Stellen Sie sich nun ein Abwassersystem vor, das ein vergleichbares Investment von 100 Millionen Dollar darstellt. Das System wurde für den 5-jährlichen Spitzenabfluss bei Regenwetter bemessen, der normale Trockenwetterabfluss beträgt jedoch nur 5 % der Bemessungsgröße. Die Kläranlage ist auf den zweifachen Trockenwetterzufluss ausgelegt. Schon bei kleinen Niederschlagsereignissen kommt es zur Entlastung von unbehandeltem Abwasser und einer Belastung der Gewässer durch 20 % der jährlichen Gesamtschmutzfracht des Entwässerungsgebietes. Gelegentlich kommt es zu Überflutungen in einem Teil des Abwassersystems während an anderer Stelle die Kapazitäten nicht genutzt und oberhalb liegende Regenbecken nicht voll gefüllt werden.
Das Autowerk würde auf Grund der uneffektiven Betriebsweise und des Mangels an Wettbewerbsfähigkeit bald schließen müssen. Das uneffektive Abwassersystem jedoch, das die gleiche Kapitalinvestition darstellt, wird nach wie vor in weiten Teilen der Welt als die Standard-Ingenieurpraxis angesehen.

Während der letzten drei Dekaden wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, die die Implementierung von Abflusssteuerung in Abwassersystemen und die Abschätzung der potentiellen Vorteile in Bezug auf verbesserte Leistung und Effizienz behandelten.
Abflusssteuerung bezeichnet den zielgerichteten Eingriff in die Systemprozesse durch Stellglieder auf Grundlage von Online-Datenmessungen (Wasserstand, Abfluss, Schmutzkonzentrationen, etc.).
Typischerweise beinhaltet dieser Vorgang das Aktivieren von Pumpen, Schiebern, Wehren, etc., um nachteilige Effekte (z.B. Überstau, Regenüberläufe, unnötige Verschlechterung der Kläranlagenabfluss- und Gewässerqualität) nur dann zuzulassen, wenn das System seine Kapazitäten voll nutzt und dann auch nur dort, wo der geringste Schaden entsteht. Bei traditionell statischen Systemen kann dies nur in dem seltenen Fall erreicht werden, da das Entwässerungssystem seine Bemessungslast aufnimmt. Wenn zum Beispiel der Abfluss eines Regenbeckens durch eine Drosselblende begrenzt wird, stellt sich der maximale Abfluss nur bei Beckenvollfüllung ein. Während der übrigen Zeit ist die Abflussrate geringer als der Maximalwert und die Entleerung dauert entsprechend länger. Zusätzlicher Speicherraum kann in einem großen Kanal z.B. durch ein festes Wehr aktiviert werden. Die Überfallöffnung muss jedoch groß genug sein, um den Bemessungsabfluss passieren lassen zu können. Somit kann in den meisten Situationen ein Großteil des verfügbaren Speichers nicht genutzt werden. Es ist ersichtlich, dass einige der Mängel statischer Systeme durch den Einsatz beweglicher Stellglieder zum Einhalten von voreingestellten Abflüssen oder Wasserständen ausgeglichen werden können. Viele dieser Steuerungsobjekte nutzen Prozessmessungen, die direkt am Stellglied vorgenommen werden (z.B. durch Schwimmkörper oder Gegengewichte, etc.). Bei solch einem System spricht man von lokaler Steuerung. Sind Stellglieder lokal gesteuert, werden diese nicht aus der Ferne durch eine Steuerwarte beeinflusst, auch wenn Betriebsdaten dort zentral erfasst werden. Lokale Steuerung ist eine gute Lösung, wenn das System nur ein zu steuerndes Objekt beinhaltet (z.B. den Zufluss ausgleichendes Becken vor einer Kläranlage).
Wenn das System komplexer ist oder der Betrieb mehrerer Stellglieder koordiniert erfolgen soll, wird eine globale Steuerung (auch Verbundsteuerung) angewendet. Hier werden alle Steuerungsobjekte in Bezug auf Prozessmessungen aus dem Gesamtsystem betrieben.
(Schilling, Smart Sewer Systems: Improved Performance by Real Time Control, European Water Pollution Control, Vol 4, No. 5, 1994)

Einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik der Abflusssteuerung urbaner Abwassersysteme geben Schütze, Campisano, Colas, Schilling and Vanrolleghem mit "Real-time control of urban wastewater systems - where do we stand today?" (9th International Conference on Urban Drainage, Portland, USA, 2002).
Es werden Steuermöglichkeiten nicht nur für Kanalnetze, sondern auch für Kläranlagen und als Vorflut dienende Gewässer betrachtet. Der Artikel stellt übersichtlich Definitionen der in der Fachliteratur häufig verwendeten Begriffe dar. Einige grundsätzliche Konzepte des integrierten Ansatzes werden skizziert.

Einen Überblick über umgesetzte Projekte der Abflusssteuerung in Deutschland gibt Erbe in "Kanalnetzsteuerung - Überblick über umgesetzte Projekte und Erfahrungen aus der Praxis" (Innovationen in der Abwasserableitung und Abwassersteuerung, Dresdner Berichte Band 19, Dresden, 2002).

Die Planungshilfe Abflusssteuerung (PASST) der ATV-DVWK Arbeitsgruppe ES 2.4 stellt die Thematik der Abflusssteuerung in einfacher, anschaulicher und einer an moderne, interaktive Kommunikationstechniken angelehnten Form dar.
Ihr Ziel ist es, Planer und insbesondere auch Betreiber und Vertreter von Genehmigungs- und Aufsichtsbehörden anzusprechen, um diesen Themenbereich zukünftig bei der grundsätzlichen Bearbeitung abwassertechnischer Fragestellungen stärker als bislang zu berücksichtigen.