Frischer Wind in der Belebung

Energieef­fiziente Abwasser­auf­bere­itung wird immer wichtiger. Die Kläran­lage in Lüneb­urg wollte darüber hin­aus auch eine Lösung, die bei Wet­ter­schwankun­gen sta­bil Luft erzeugt und die sich ele­gant steuern lässt. Ein Schraubenge­bläse brachte neben ein­er deut­lichen Energiekosteneinsparung die gewün­scht­en Ergebnisse.

Leis­tungsstarke Schraubenge­bläse sind die neuen Meilen­steine der Verdichtertech­nik zur Belüf­tung in der Wasser­auf­bere­itung. Mit einem Leis­tungs­bere­ich von 132 bis 250 kW, einem Vol­u­men­strom von 2400 bis 9800 m³/h und Dif­feren­z­drück­en bis zu 1100 mbar zählen sie weltweit zu den stärk­sten Ver­drängerverdichtern in diesem Bere­ich und bilden nun eine echte Alter­na­tive zu den üblicher­weise einge­set­zten Turboverdichtern.

Die Kläran­lage der nieder­säch­sis­chen Hans­es­tadt Lüneb­urg ist für eine Größe von rund 325.000 Ein­wohn­er­w­erten aus­gelegt. Sie hat mehrere Klär­beck­en und verteilt die für die biol­o­gis­che Abwasser­auf­bere­itung erforder­liche Luft mit­tels Blenden­reg­ulier­schieber auf die bis zu 7 m tiefen Beck­en. Bish­er waren dort vier klas­sis­che Tur­boverdichter mit je 200 kW für die Druck­lufterzeu­gung der Bele­bung instal­liert. Der Betreiber suchte allerd­ings nach ein­er Lösung, die Lufterzeu­gung direk­ter, dynamis­ch­er und bre­it­bandi­ger steuern zu kön­nen und unab­hängig von extremen Wet­ter­la­gen einen kon­stan­teren Luftein­trag zu erzie­len. Da sowohl der von den Verdichtern erzeugte Luft­massen­strom als auch die Leis­tungsauf­nahme messtech­nisch erfasst und doku­men­tiert wer­den, war der Effekt des neu instal­lierten Schraubenge­bläs­es schon nach kurz­er Zeit deut­lich erkennbar.

Schraube versus Turbo

Das Schraubenge­bläse (in diesem Fall eine HBS von Kaeser Kom­pres­soren) gehört zur Fam­i­lie der zwei­welli­gen Rota­tions- bzw. Ver­drängerverdichter das nun auch in dieser Leis­tungsklasse ver­füg­bar ist. Bei diesen Maschi­nen sind Drehzahlen von 3000 bis 12000 1/min an der Welle des Antrieb­sro­tors üblich. Der gewün­schte Luftvol­u­men­strom wird mit­tels Fre­quen­zum­rich­tung am Motor und damit Drehzahlver­stel­lung eingestellt. Bei dem Schraubenge­bläse ist der Motor mit dem Gebläse­block direkt gekup­pelt, Motor und Fre­quen­zum­richter weisen einen Sys­temwirkungs­grad bess­er als IES 2 (IEC 61800–9‑2) auf.

Der Wirkungs­grades über dem Vol­u­men­strom ist im Bere­ich 40 bis 100 Prozent nahezu kon­stant, der Vol­u­men­strom­regel­bere­ich mit 1:4 sehr bre­it und rel­a­tiv unab­hängig vom Druck. Gegenüber Drehkol­benge­bläsen wird ein Energievorteil von bis zu 30 Prozent erzielt.

Tur­boverdichter sind im Stamm­baum der dynamis­chen Verdichter ange­siedelt. Im Bere­ich der Wasser­auf­bere­itung in der Regel als ein­stu­fige Radi­alverdichter. Mit ver­stell­baren Leitschaufeln am Luftein­tritt und im Dif­fu­sor wird der gewün­schte Luftvol­u­men­strom ein­geregelt. Rotor­drehzahlen von 20000 bis 40000 1/min erzeugt ein Getriebe am Motor, bei anderen Bauar­ten ein fre­quen­zges­teuert­er High-Speed-Motor. Der Ver­lauf des Wirkungs­grades über dem Vol­u­men­strom ist im Bere­ich 65 bis 80 Prozent nor­maler­weise am höch­sten, der Regel­bere­ich mit etwas über 1:2 stärk­er druckabhängig.

Perfekt in die Station eingepasst

In der Kläran­lage in Lüneb­urg wurde das Schraubenge­bläse im ein­jähri­gen Ver­suchs­be­trieb einem max­i­malen Nutzung­stest unter­zo­gen. Da die über­ge­ord­nete Leit­tech­nik auf die Ans­teuerung der Tur­boverdichter mit Leitschaufelver­stel­lung angepasst war, bedurfte es ein­er Adap­tion der Soft­ware um das Schraubenge­bläse per Drehzahlvor­gabe anzus­teuern. Erre­icht das Gebläse bes­timmte Drehzahlgren­zen, wird entwed­er ein Tur­bo hinzu geschal­tet oder abgeschal­tet, um inef­fiziente Über­lap­pun­gen zu ver­mei­den. Ein direk­ter Leis­tungsver­gle­ich ergibt sich durch die Tat­sache, dass das Gebläse exakt den bish­eri­gen Betrieb eines Tur­bos mit 4000 — 9000 m³/h erset­zt, nahezu 24 Stun­den im Ein­satz davon 12 Stun­den im Alleinbetrieb.

Rundum zufrieden

Dem ver­ant­wortlichem Elek­tromeis­ter Chris­t­ian Wil­len­bock­el zufolge, hat das neue Schraubenge­bläse „alle bish­eri­gen Prob­leme gelöst“. Vor­rang vor möglichen Energieeinsparun­gen hat­te zunächst die Her­aus­forderung den Luftein­trag genauer und kon­stan­ter zu gestal­ten. Dank des wesentlich dynamis­cheren Regelver­hal­tens und der Tat­sache, dass bei Ver­drängerverdichtern der gener­ierte Vol­u­men­strom wesentlich weniger stark mit wech­sel­nden Ansaug­drück­en und ‑tem­per­a­turen schwankt, wurde dieses Ziel erre­icht. Selb­st bei Extremwet­ter­la­gen kon­nten dem Elek­tromeis­ter zufolge die gewün­scht­en Prozess­werte nun genau gehal­ten wer­den. Auch der deut­lich gerin­gere Ein­fluss von Druckschwankun­gen auf das Regelver­hal­ten der Mas­chine machte sich nach kurz­er Zeit pos­i­tiv bemerk­bar, was auch die Ans­teuerung vere­in­fachte. Neben der Verbesserung der Prozess­führung kon­nte dank laufend­er Luft­masse­s­trom- und Leis­tungsmes­sung darüber hin­aus eine deut­liche Energieeinsparung bilanziert wer­den. Das im Ver­bund mit den Tur­bos laufende Schraubenge­bläse machte sich ener­getisch bei der Gesamtleis­tungsauf­nahme dadurch bemerk­bar, dass im Jahr rund 250.000 kWh einges­part wer­den kön­nen, was je nach Jahres­ge­samtbe­darf in etwa 10 bis 15 Prozent entspricht. Dies deckt sich mit den im Vor­feld prog­nos­tizierten Energieeinsparun­gen recht genau, denn dank der Angabe des nutzbaren Vol­u­men­stroms und Gesamtleis­tungsauf­nahme des Schraubenge­bläs­es inner­halb der engen Tol­er­anzen der ISO 1217 Annex E sind diese messtech­nisch belastbar.

Fazit

Ob nun Schraubenge­bläse oder Tur­boverdichter oder bei­des in Kom­bi­na­tion die beste Lösung sind, lässt sich anhand der Häu­figkeitsverteilung des Luft­be­barfs entschei­den. Eben­so rel­e­vant ist der reale Betrieb­s­druck, welch­er ins­beson­dere beim Tur­bo großen Ein­fluss auf dessen Regel­bere­ich und Abdeck­ung des Luftbe­darfs ausübt.

Es ist sin­nvoll sich bei der Lösungs­find­ung für ein Sta­tion­skonzept nicht im Vor­feld auf einzelne Maschi­nen oder Tech­nolo­gien festzule­gen, son­dern offen her­an zu gehen. Pri­or­ität im Vor­feld hat die Unter­suchung des Luftbe­darf­spro­fils (Häu­figkeitsverteilung) und des realen Bedarfs­drucks. Es geht darum, den Betrieb des späteren Maschi­nen­ver­bunds schließlich als Ganzes zu betra­cht­en. Bera­tend ste­hen hier am besten Fir­men zur Seite, die die Vorzüge bei­der Tech­nolo­gien, also die der Ver­dränger- und dynamis­chen Verdichter objek­tiv darstellen, ver­gle­ichen und pro­jek­t­spez­i­fisch bilanzieren können.

Die Kläran­lage Lüneb­urg hat durch ihre Offen­heit in Bezug auf Tech­nolo­gie genau ins Schwarze getrof­fen und deckt den zeitlich am häu­fig­sten gefahre­nen Luftbe­darf effizient und gut regel­bar ab.