Kerimov, B. , Tscheikner-Gratl, F. , Taormina, R. , Steffelbauer, D. B. (2022): The shape of water distribution systems – describing local structures of water networks via graphlet analysis..

In the Proceedings of the 2nd International Joint Conference on Water Distribution Systems Analysis & Computing and Control in the Water Industry. 18-22 July. Valencia, Spain

DOI
Steffelbauer, D. , Hillebrand, B. , Blokker, E. J. M. (2022): pySIMDEUM – An open-source stochastic water demand end-use model in Python.

In the Proceedings of the 2nd International Joint Conference on Water Distribution Systems Analysis & Computing and Control in the Water Industry. 18-22 July 2022

DOI
Steffelbauer, D. , Piller, O. , Chambon, C. , Abraham, E. (2022): Towards a novel multi-purpose simulation software of water distribution systems in Python.

Proceedings of the 14th International Conference on Hydroinformatics, 4-8 July 2022. Bucharest, Romania

Zusammenfassung

Die Studie untersuchte das Konzept der Sektorkopplung anhand von drei konkreten Fallstudien, in denen die Bereitstellung von erneuerbaren „grünen“ Gasen wie Biomethan aus der Abwasser-/Abfallbehandlung oder Wasserstoff aus erneuerbarem Strom im Fokus stand. Mit diesen nachhaltigen gasförmigen Energieträgern können Sektoren wie Mobilität, Gebäude oder Industrie versorgt werden und so ihre Ziele beim Klimaschutz erreichen. Als Fallstudien wurden ein Klärwerk, eine Biogasanlage für Bioabfall sowie ein Gebäude mit Photovoltaikanlage ausgewählt. Für alle Fallstudien wurden verschiedene Szenarien für eine Sektorkopplung entwickelt, technisch ausgelegt und mit realen Betriebsdaten der Standorte für ein Referenzjahr in einem zeitlich hochaufgelösten Energiebilanzmodell abgebildet. Dabei wurden für alle notwendigen Aggregate Leistungsparameter und Auslegungen anhand von Herstellerangaben verwendet. Auf Basis der Ergebnisse der Energiebilanz wurden die Szenarien über eine Treibhausgasbilanz bewertet, um ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz im Vergleich zu einem Referenzszenario (Status quo) zu ermitteln. Für alle Szenarien wurde parallel eine Schätzung der Jahreskosten vorgenommen, die neben Investitionen und Betriebskosten auch die laufenden Energiekosten und -erlöse enthielt. Zur Festlegung der Kostenfaktoren und möglichen Erlöse wurden alle relevanten rechtlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt, sofern sie für den Betrachtungszeitraum absehbar sind.

Die Analyse der Fallstudien ergab, dass Sektorkopplung heute technisch möglich und auch ökologisch sinnvoll für den Klimaschutz ist. Durch den Ersatz fossiler Brennstoffe in den Zielsektoren kann eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erzielt werden, wenn die grünen Gase nicht mehr zur Stromversorgung, sondern primär für andere Bedarfe wie Mobilität oder Wärmeversorgung genutzt werden. Der stetig steigende Anteil an erneuerbaren Quellen bei der Stromversorgung (Wind, Solar) macht die Nutzung von grünen Gasen zur lokalen Stromerzeugung immer weniger effektiv für den Klimaschutz. Die Umwandlung von Strom in grüne Gase („power-to-gas“) lohnt sich dagegen für den Klimaschutz nur, wenn tatsächlich nur Strom aus erneuerbaren Quellen mit geringen THG-Emissionen genutzt wird. Sonst überwiegen die Nachteile der Energieverluste, die bei der Umwandlung auftreten.

Wirtschaftlich lohnt sich die Sektorkopplung momentan nur für Anlagen mit hohem Energieüberschuss (Biogasanlage) und bei hohen Erlösen für die grünen Gase, u.a. als Kraftstoff im Mobilitätssektor. Der hohe Strompreis und die noch relativ geringen Erlöse bei Netzeinspeisung von grünen Gasen machen das Konzept für Anlagen mit hohem Eigenstrombedarf wie Klärwerke (noch) nicht wirtschaftlich. Auch die Umwandlung von Strom in Gas („power-to-gas“) ist nur bei niedrigen Strompreisen und hohen Erlösen für Wasserstoff bzw. Biomethan wirtschaftlich attraktiv. Die aktuellen Regelungen im Energiemarkt begünstigen momentan hohe Strompreise durch Steuern und Abgaben, während der Gaspreis hauptsächlich durch Angebot und Nachfrage geregelt wird. Für die zukünftige Entwicklung der Sektorkopplung sind daher ökologisch sinnvolle und vor allem verlässliche Regelungen am Energiemarkt von großer Bedeutung, gerade wenn es um die Steuer- und Abgabenlast auf Energieträger oder die nachhaltige Zertifizierung der grünen Gase geht.

Die Sektorkopplung über die Nutzung von Biomethan oder grünem Wasserstoff aus Klärwerken und Biogasanlagen bietet somit ein Potential für den Klimaschutz der Stadt Berlin. Der mögliche Beitrag aus diesen Anlagen in Berlin ist jedoch im Verhältnis zum Endenergiebedarf der Stadt für Kraftstoff bzw. Erdgas gering (<1%). Selbst wenn alle Biogasanlagen in Brandenburg einbezogen werden, beträgt die Energiemenge des Biomethans nur etwa 13% des Erdgasbedarfs bzw. 28% des Kraftstoffbedarfs von Berlin. Dennoch wird eine Umsetzung der Sektorkopplung für die Standorte mit Biogasanfall zukünftig empfohlen, da zur Erreichung der ambitionierten Klimaschutzziele Berlins alle Beiträge wichtig sein werden.

Steffelbauer, D. , Deuerlein, J. , Gilbert, D. , Abraham, E. , Piller, O. (2022): Pressure-Leak Duality for Leak Detection and Localization in Water Distribution Systems.

Journal of Water Resources Planning and Management 2022 Vol. 148 Issue 3 Pages 04021106

DOI
Zusammenfassung

Water utilities are challenged to reduce their water losses through detecting, localizing, and repairing leaks as quickly as possible in their aging distribution systems. In this work, we solve this challenging problem by detecting multiple leaks simultaneously in a water distribution network for the Battle of the Leak Detection and Isolation Methods. The performance of leak detection and localization depends on how well the system roughness and demand are calibrated. In addition, existing leaks affect the diagnosis performance unless they are identified and explicitly represented in the model. To circumvent this chicken-and-egg dilemma, we decompose the problem into multiple levels of decision-making (a hierarchical approach) where we iteratively improve the water distribution network model and so are able to solve the multileak diagnosis problem. First, a combination of time series and cluster analysis is used on smart meter data to build patterns for demand models. Second, point and interval estimates of pipe roughnesses are retrieved using least squares to calibrate the hydraulic model, utilizing the demand models from the first step. Finally, the calibrated primal model is transformed into a dual model that intrinsically combines sensor data and network hydraulics. This dual model automatically converts small pressure deviations caused by leaks into sharp and localized signals in the form of virtual leak flows. Analytical derivations of sensitivities with respect to these virtual leak flows are calculated and used to estimate the leakage impulse responses at candidate nodes. Subsequently, we use the dual network to (1)&nbsp;detect the start time of the leaks, and (2)&nbsp;compute the Pearson correlation of pressure residuals, which allows further localization of leaks. This novel dual modeling approach resulted in the highest true-positive rates for leak isolation among all participating teams in the competition.

https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29WR.1943-5452.0001515

Steffelbauer, D. , Deuerlein, J. , Gilbert, D. , Abraham, E. , Piller, O. (2022): Real-world application of the dual model for model-based leak localization.

Proceedings of the IWA WaterLoss2022 Conference. 19-22 June. Prague, Czech Republic

PDF
Zusammenfassung

Mit der Studie wurde das Ziel verfolgt, das Trinkwassersubstitutionspotenzial inkl. der damit einhergehenden Aufwendungen unter Berücksichtigung sozio-ökonomischer als auch ökologischer Aspekte der Stadt Frankfurt am Main bis zum Jahre 2050 aufzuzeigen und zu bewerten.

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