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Kompressoren: Effiziente Belüftung von Kläranlagen

Kompressoren: Effiziente Belüftung von Kläranlagen
Lebenszykluskosten bei der Investition im Blick

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Etwa 70 % der Energie, die eine Kläranlage verbraucht, entfällt auf die Belüftungsanlagen. Daher ist eine energieeffiziente Druckluftversorgung ein geeigneter Weg, die Betriebskosten zu senken. Doch welche Lösung ist die richtige für eine Kommune, einen Papierhersteller, eine Molkerei oder einen Chemiebetrieb? Ein Vergleich der unterschiedlichen Kompressoren gibt eine Hilfestellung.

Klassische Gebläseluftanwendungen für Kläranlagen umfassen den Bereich von etwa 0,3 bis 1,5 bar Betriebsüberdruck. Diese Druckerhöhungen können mit verschiedenen Verdichtungstechnologien erreicht werden. Zur Verfügung stehen Drehkolben-, Schrauben- und Turbogebläse sowie Kombinationen dieser Technologien. Dabei variieren allerdings Effizienz sowie Betriebs- und Investitionskosten. Es lohnt sich daher, genau zu analysieren, welche Lösung über ihren gesamten Lebenszyklus am wirtschaftlichsten ist.

Günstig in der Anschaffung

Drehkolbengebläse basieren auf einer vergleichsweise einfachen Technik und bestechen zunächst durch ihren Preis: Die Investitionskosten liegen deutlich unter denen für ein Schraubengebläse oder einen Turboverdichter. Der höhere Energiebedarf und der höhere Wartungsaufwand der Drehkolbengebläse kehren diesen Vorteil jedoch bereits nach wenigen Jahren ins Gegenteil um. Drehkolbengebläse arbeiten nach dem Prinzip der externen Verdichtung: Die Maschinen sind sogenannte „positive Verdränger“ und bestehen aus einem Paar von zwei- oder dreiflügeligen Rotoren, aufgenommen in einem innen ovalen Gehäuse. Mit der Drehung der Rotoren wird Luft an der Einlassseite eingesogen und an der Auslassseite gegen den Systemdruck hinausgedrückt.

Drehkolbengebläse besitzen einen Keilriemenantrieb, der vergleichsweise wartungsanfällig ist und energetische Verluste durch die mechanische Übertragung mit sich bringt. Darüber hinaus wirken sich Rückströme zwischen den Drehkolben sowie unvollständig gefüllte Förderräume negativ auf die Effizienz aus. Der Ansaugvolumenstrom ist in der Regel nur zu etwa 90 % nutzbar.

Drehkolbengebläse sind mit Betriebsüberdrücken bis etwa 1 bar verfügbar. Aufgrund der geringen Effizienz erscheint ein Einsatz in der Regel jedoch als nicht empfehlenswert, wenn die Anwendung einen Druck von mehr als 400 bis 450 mbar erfordert. Denn das Arbeitsprinzip der externen Verdichtung macht einen Betrieb auf Dauer unwirtschaftlich.

Effizient, zuverlässig und leise

Abhängig von der Druckerhöhung sind Schraubengebläse um rund ein Drittel effizienter als entsprechende Drehkolbengebläse. Das liegt vor allem daran, dass die Maschinen nach dem Prinzip der inneren Verdichtung arbeiten und über einen Direktantrieb verfügen, bei dem Motor und Verdichterelement eine Einheit bilden. Mögliche Druckerhöhungen liegen – wie bei den Schraubengebläsen der ZS-Serie von Atlas Copco – zwischen 0,3 und 1,5 bar.

Das Schraubengebläse ist wie das Drehkolbengebläse eine positive Verdrängermaschine. Es besteht aus Haupt- und Nebenläufern, die sich aufeinander zu bewegen und dadurch das Volumen zwischen Läufern und Gehäuse reduzieren. Jedes Schraubengebläse hat ein festes Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Entladedruck, das auf einer genau festgelegten Geometrie basiert. Die Effizienz einer „Schraube“ ist umso höher, je genauer der innen erzeugte Druck dem erforderlichen Betriebsüberdruck entspricht.

Der Direktantrieb der Schraubengebläse wirkt sich nicht nur positiv auf ihren Wirkungsgrad aus, sondern reduziert darüber hinaus die Störanfälligkeit und den Wartungsaufwand. Letzterer beschränkt sich auf Öl- und Filterwechsel. Außerdem laufen die Schrauben leiser, vibrationsärmer und besonders zuverlässig.

Konstante Luftbedarfe

Für ein Turbogebläse fallen die höchsten Investitionskosten an. Es gibt allerdings – vor allem im Bereich großer Volumenströme – Anwendungsfälle, bei denen ein Turbo effizienter arbeiten kann als ein Schraubengebläse. Das ist immer dann der Fall, wenn der Druckluftbedarf relativ konstant und der Regelbereich entsprechend klein ist. Bei schwankenden Bedarfen und einem großen Regelbereich ist das Schraubengebläse in der Regel die effizientere Lösung.

Anders als bei Drehkolben- oder Schraubengebläsen handelt es sich bei Turbogebläsen um dynamische Verdichter. Turbos besitzen eine oder auch mehrere Verdichtungsstufen. Für Niederdruckanwendungen genügen in der Regel einstufige Systeme. Effiziente Turbogebläse bietet Atlas Copco in seiner ZB-Baureihe an.

Billig nicht unbedingt wirtschaftlich

Die in der Anschaffung günstigste Lösung zieht nicht automatisch die niedrigsten Betriebskosten nach sich. Es empfiehlt sich daher, bereits in der Konzeptionsphase nicht allein die Investitionskosten zu betrachten, sondern die erforderlichen Aufwendungen über den gesamten Lebenszyklus der Maschinen im Blick zu haben.

Allgemeingültige Lösungen für den Niederdruckbereich gibt es nicht. Das heißt, es lässt sich nicht generell sagen, ab wann sich Drehkolbengebläse, Schraubengebläse oder Turbogebläse am besten eignen. Jede Aufgabenstellung muss vor Ort für sich betrachtet und bezüglich Volumenstrom, Betriebsdruck und Bedarfsschwankungen analysiert werden. Eine genaue Bedarfsanalyse können Anwender bei Atlas Copco unter dem Namen Airscan erhalten. Dabei werden der tatsächliche Volumenstrom im Betrieb, die Druckerhöhung sowie die Regelbereiche gemessen. Anschließend wird die Anlage unter Nutzung der modernsten Gebläsetechnologien simuliert. Im Ergebnis erhält der Betreiber von Atlas Copco eine Übersicht, aus der er sein Einsparpotenzial in Kilowattstunden und Euro entnehmen kann.

Auf die Betriebskosten achten

Für jede Verdichtungsaufgabe gibt es mehrere Lösungskonzepte. Diese gilt es bezüglich Kosten, Energieeffizienz und Betriebssicherheit zu vergleichen. Neben den Investitionskosten sollten der spezifische Energieverbrauch der Gebläse und die daraus resultierenden jährlichen Energiekosten sowie der Wartungsaufwand in der Amortisationsrechnung berücksichtigt werden. Daraus ergibt sich die langfristig kostengünstigste und energieeffizienteste Lösung. In vielen Fällen dürfte sich die Investition in Schrauben- oder Turbogebläse lohnen, da die Betriebskosten hier langfristig niedriger ausfallen als bei Drehkolbengebläsen.

Falls der Bedarf stark schwankt, ist es in jedem Fall sinnvoll, mit einem drehzahlgeregelten System zu arbeiten. Die Drehzahlregelung passt die Liefermenge automatisch dem jeweiligen Bedarf an und hilft so, den Energieverbrauch deutlich zu senken. Und wenn große Regelbereiche bei höchster Energieeffizienz gefragt sind, dürfte sich die Installation eines Turbos in Kombination mit einer Schraube anbieten; das senkt die laufenden Kosten drastisch, ohne dass der Anwender auf Flexibilität und Regelbarkeit verzichten muss.

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH, Essen


AutorIN: Lisa-Marie Grzeskowiak

Produktmanagerin für Niederdruckanwendungen,

Atlas Copco


EffizienT: Schrauben- und Turbogebläse

Atlas Copco stellt demnächst seine neuen, ölfrei verdichtenden Schrauben- und Turbogebläse vor. Die Schraubengebläse des Typs ZS 4 VSD+ erzielen mit ihren äußerst sparsamen Permanentmagnetmotoren Wirkungsgrade von bis zu 97 %. Durch die Technologie zur Drehzahlregelung (VSD+, Variable Speed Drive) arbeiten die Gebläse auch bei schwankender Auslastung um bis zu 10 % effizienter als ihre Vorgänger.

Außerdem präsentiert der Hersteller seine direktangetriebenen, drehzahlgeregelten Turbogebläse der Serie ZB 5-6 VSD+. Sie wurden für Druckerhöhungen um 0,3 bis 1,4 entwickelt und zählen zu den effizientesten ölfrei verdichtenden Turbogebläsen. Mit ihrer integrierten Drehzahlregelung passen die Gebläse den erzeugten Volumenstrom stets den Anforderungen des jeweiligen Prozesses an. Dadurch ist eine bedarfsgerechte Luftversorgung bei geringem Energieverbrauch möglich, die Lebenszykluskosten der ZB-Turbos sind entsprechend niedrig. Ihre Vorteile spielen die Turbogebläse besonders dort aus, wo hohe Volumenströme gefordert sind.

Beide Maschinenreihen sind für ihre ölfreie Verdichtung gemäß ISO 8573-1:2010, Klasse 0, zertifiziert. Das bedeutet, es wird kein Öl durch das Gebläse in den Prozess eingetragen, was das Risiko einer Kontamination des Abwassers minimiert.



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