Drücken die Stromkosten in der Kläranlage

Autor Thorsten Poggenmöller Systemspezialist für Niederdruck, Atlas Copco

Schraubengebläse können biologische Becken in industriellen und kommunalen Kläranlagen kostengünstiger belüften als Drehkolbengebläse. Sie sind zwar teurer in der Anschaffung, verbrauchen aber deutlich weniger Energie. Infrage kommen je nach Anwendung auch magnetgelagerte Turbokompressoren, die dem Nutzer ebenfalls eine hohe Energieeffizienz bieten und bis zu 1500 mbar Überdruck erzeugen können. Der Energiebedarf des ZS-Gebläses von Atlas Copco kann etwa ein Drittel unter demjenigen von herkömmlichen Drehkolbengebläsen liegen; bei den ZB-Turbos kann die Stromrechnung sogar um bis zu 60 % niedriger ausfallen. Der Gesamtenergieverbrauch fällt also deutlich, sobald effizientere Gebläse angeschafft werden. Bei Kläranlagen zur Reinigung kommunaler, gewerblicher und industrieller Abwässer von etwa 100 000 Einwohnergleichwerten wurden in der Vergangenheit im Schnitt Verdichter mit 200 kW Leistung installiert. Neue Gebläse können etwa 20 bis 30 % der Energie einsparen. Dazu addiert sich der reduzierte Wartungsaufwand über die Lebenszeit der Maschinen.

Der niedrige Energiebedarf der ZS-Schraubengebläse im Vergleich zum Drehkolbengebläse beruht auf dem Prinzip der inneren Verdichtung. Hinzu kommt ein Antriebskonzept mit effizienten Motoren, wodurch sich insgesamt bessere Wirkungsgrade ergeben. Das ölfreie Schraubengebläse besteht aus Haupt- und Nebenläufern, die sich aufeinander zu bewegen und dadurch das Volumen zwischen Läufern und Gehäuse reduzieren. Jedes Schraubengebläse hat ein festes, integriertes internes Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Entladedruck, basierend auf einer genau festgelegten Geometrie. Die Effizienz des Schraubengebläses ist umso höher, je genauer der innen erzeugte Druck pi dem erforderlichen Betriebsüberdruck pe entspricht.

Von den energetischen Vorteilen eines Schraubengebläses profitiert beispielsweise die Kläranlage Moosburg. Diese reinigt das Abwasser von etwa 40 000 Einwohnergleichwerten, darunter sind neben den Haushalten auch zahlreiche Gewerbebetriebe und ein industrieller Großeinleiter. Die Betriebsleitung folgte der Analyse eines unabhängigen Ingenieurbüros und ersetzte fünf alte Drehkolbengebläse durch drei ölfreie Schraubengebläse des Typs ZS 37 von Atlas Copco. Die Maschinen weisen jeweils eine Motorleistung von 37 kW auf und entsprechen in ihrer addierten Leistung den fünf alten Gebläsen. Die Kläranlage kommt heute je Straße mit einem Gebläse aus, das dritte ist als Redundanz installiert worden. Jedes einzelne ZS-Schraubengebläse kann 1900 Nm3/h Luft liefern. Benötigt werden nur etwa zwei Drittel des möglichen Volumenstroms. „Wir haben mehr Luft zur Verfügung und sparen trotzdem etwa 150 000 bis 200 000 kWh Strom im Jahr“, bilanziert Betriebsleiter Roland Littmann. Er rechnet damit, dass sich die Anschaffung innerhalb von gut vier Jahren allein durch die eingesparte Energie amortisiert haben wird. Abgesehen von den Energieeinsparungen, bietet die Schraubentechnologie weitere Vorteile hinsichtlich Lärm, Vibrationen und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus haben die ZS-Gebläse Ölwechselintervalle von bis zu 20 000 h und sind damit sehr wartungsfreundlich. „Das Einzige, was bei den ZS-Gebläsen noch regelmäßig zur Wartung anfällt, ist der Öl- und der Filterwechsel“, betont Littmann. Bei den Drehkolbengebläsen gebe es viel mehr Verschleißteile als bei den Schrauben.

Die ZS-Serie hält Lösungen für jeden Bedarf bereit. Darunter die ZS+-Modelle, die als einsatzbereites Komplettpaket mit integrierter Elektroniksteuerung und Umrichter, Gabelstaplertaschen für den unkomplizierten Transport zum Aufstellort, Rückschlagventil, Luftfilter, Abblasventil und Schalldämpfern ausgestattet sind. Durch die kompakte Bauform sind keine Extras erforderlich, und der Installationsaufwand ist minimal. Daneben gibt es die Schraubengebläse auch ohne die genannten Komponenten, falls vor Ort ein zentraler Schaltschrank vorhanden ist oder benötigt wird.

Industrielle und kommunale Kläranlagen sind naturgemäß mit schwankenden Abwassermengen und Schmutzfrachten konfrontiert. Entsprechend variiert auch der Sauerstoffbedarf für die biologischen Abbauprozesse. Die Gebläselufterzeugung ist umso effizienter, je besser sie auf den jeweiligen Verbrauch abgestimmt ist, das heißt, wenn sich der benötigte Volumenstrom durch eine Drehzahlregelung exakt regulieren lässt. Sowohl die Schraubengebläse als auch die Turbos von Atlas Copco sind optional mit integrierter, variabler Drehzahlregelung (VSD – Variable Speed Drive) verfügbar. Die Geräte bringen so Bedarf und Erzeugung in Einklang. ZS-Schraubengebläse erhöhen den Druck um Werte zwischen 300 und 1200 mbar und liefern einen Volumenstrom von 525 bis etwa 9000 m³/h.

Sind höhere Drücke erforderlich, können magnetgelagerte Turbokompressoren der Serie ZB zum Einsatz kommen. Diese erzeugen Drücke von maximal 1500 mbar und können deshalb in Anlagen mit einer großen Beckentiefe sinnvoll sein. So beispielsweise in der Gütersloher Kläranlage Putzhagen, wo 2012 die Druckluftversorgung für die biologische Reinigungsstufe von fünf Schraubenkompressoren eines anderen Herstellers auf drei magnetgelagerte Turboverdichter ZB 130 VSD umgestellt wurde. Seitdem profitieren die Betreiber zum einen von der nahezu wartungsfreien, energieeffizienten Technik. Zum anderen liefern die Turbos mit einer Motorleistung von 130 kW sicher die Drücke, die bei der vergleichsweise großen Beckentiefe von 8,50 m erforderlich sind. Auch die Industriekläranlage im Chempark Leverkusen wurde parallel zum Umbau der Belebungsbecken von 3 auf 8 m Tiefe mit vier Turbos des Typs ZB 160 VSD ausgerüstet.

„Mit den Turbos können wir höhere Drücke erzeugen als vorher mit den Schrauben“, begründet Reinhard Schweinforth, Abwassermeister auf der Kläranlage Putzhagen, den Technologiewechsel. Wenn einmal etwas schief gehe, hatte man bei den alten Schraubenverdichtern keinen Spielraum nach oben. Bei 8,50 m Wassertiefe benötigt die Anlage immer mindestens 1020 mbar. Und wenn dann noch 40 bis 60 mbar hinzukommen, konnte es mit den bisher eingesetzten Schraubenverdichtern schon mal Probleme geben.

Rund 130 000 Einwohnergleichwerte sind derzeit an die Gütersloher Anlage angeschlossen, der Abwasserzulauf beträgt bei einem Anschlussgrad von mehr als 99 % durchschnittlich 6,5 bis 7 Mio. m³/a. In den acht Belebungsbecken mit einem Gesamtvolumen von 27 700 m³ finden sowohl der aerobe Prozess der Nitrifikation (Radius außen) als auch die anaerobe Denitrifikation (Innenkreis) statt. Die für die Nitrifikation benötigte Luft wird von unten über Membranrohrbelüfter in das Becken eingeblasen – ein energieintensiver Prozess, auf den 40 % des Gesamtstromverbrauchs der Anlage entfallen. Insgesamt fallen für die Kläranlage jährlich Stromkosten in Höhe von 450 000 Euro an, obwohl rund 50 % des Gesamtbedarfs mit den anlageneigenen Blockheizkraftwerken selbst produziert werden. Bei der Anschaffung der neuen Kompressoren lautete deshalb die Zielsetzung, dass die Maschinen energieeffizienter und wartungsfreundlicher sein sollten. Mit den Turbos sparen die Anlagenbetreiber im Vergleich zu neuen Schraubenkompressoren etwa 15 000 Euro pro Jahr. Das Einzige, was wartungstechnisch ansteht, ist der Wechsel der Filtermatte im Zuluftfilter.

Halle A3, Stand 333

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