Wärmerückgewinnung als Teil des Gebläsesystems

Auf mehr als 30.000 Euro Einsparun­gen im Jahr bez­if­fert das Pro­jek­t­team aus Mitar­beit­ern des Ruhrver­ban­des den Ein­bau ein­er Wärmerück­gewin­nung in die Gebläseluftver­sorgung der Kläran­lage Essen-Kupfer­dreh. Die siebenköp­fige Gruppe hat damit beim betrieblichen Vorschlagswe­sen des Ver­ban­des einen her­aus­ra­gen­den Beitrag erar­beit­et. Indem die bei der Gebläselufterzeu­gung entste­hende Abwärme durch einen Rohrbün­del­wärmetausch­er genutzt wird, lassen sich damit jet­zt die Betrieb­s­ge­bäude heizen und das Brauch­wass­er auf Tem­per­atur brin­gen. Die Pro­jek­tierung der Wärmerück­gewin­nung ver­lief in enger Zusam­me­nar­beit mit AERZEN, weil in Essen-Kupfer­dreh vier Delta Blow­er Drehkol­benge­bläse für die Luftver­sorgung der Biolo­gie einge­set­zt und der Spezial­ist für Gebläsetech­nik über entsprechende Exper­tisen bei der Rück­gewin­nung mit Rohrbün­del­wärmetausch­er verfügt. 

Vor der Umrüs­tung betrugt der durch­schnit­tliche jährliche Ver­brauch an Erdgas für die Heizung etwa 310.000 kWh – was let­ztlich Kosten in Höhe von rund 20.000 Euro verur­sachte. Der nach­haltigere Umgang mit primären Energi­eträgern ist aber eine Seite der Medaille. Um den Stel­len­wert der Wärmerück­gewin­nung in sein­er ganzen Dimen­sion zu erschließen, lohnt sich auch der Gang in den Gebläsekeller. Darin war es bis zum Ein­bau des Rohrbün­del­wärmetausch­ers mit ein­er Raumtem­per­atur um die 35 Grad Cel­sius selb­st im Win­ter kusche­lig warm. Die hier einge­baut­en vier Aggre­gate vom AERZEN-Typ Delta Blow­er GM 90S (max. 5400 m³/h, 1000 mbar, 200kW) büßen zwar angesichts dieser Tem­per­atur kurz vor der Fieber­marke nichts ihre Betrieb­szu­ver­läs­sigkeit ein, wohl aber Wirkungs­grad. Dieser Effizien­zver­lust resul­tiert aus der gerin­geren Dichte der Ansaugluft. „Je höher das Raumther­mome­ter steigt, je mehr müssen die Aggre­gate arbeit­en, um die gle­iche Menge Sauer­stoff in die Bele­bungs­beck­en zu bekom­men“, erk­lärt Dipl.-Ing. Ste­fan Staske, Betrieb­s­grup­pen­leit­er im Region­al­bere­ich West des Ruhrverbandes.

Sinkender Stromverbrauch durch kühlere Luft

Welch­er Rückschluss lässt sich daraus ziehen? Zum einen ver­sorgt der Rohrbün­del­wärmetausch­er nach Auskun­ft von Ste­fan Staske den Puffer­spe­ich­er für Warmwass­er und Heizung mit reich­lich Wärmeen­ergie. Zum anderen entzieht er dem Maschi­nen­raum Wärme. Und weil damit 1:1 die Ansaugluft küh­ler wird, steigt die Dichte – und die Delta Blow­er brin­gen bei gle­ich­er Motor­leis­tung mehr Normku­bik­me­ter in die Bele­bung. Das Pro­jek­t­team hat im Vor­feld ermit­telt, dass mit der in der Gebläseluftleitung einge­baut­en Rück­gewin­nung ein Tem­per­atur-Delta von 15 Grad Cel­sius die Folge ist. Auf­grund der damit ein­herge­hen­den Effizien­zsteigerung durch die höhere Luft­dichte betra­gen die Stromeinsparun­gen rund 15.000 Euro im Jahr, weil die Delta-Blow­er weniger leis­ten müssen.

Die hohen Tem­per­a­turen bei der Ver­sorgung der Biolo­gie mit Sauer­stoff resul­tieren aus dem Joule-Thom­son-Effekt. Hier­bei lässt sich beobacht­en, dass sich die verdichtete Luft erwärmt, weil die Moleküle durch den höheren Druck enger zusam­men­rück­en. Ein Plus von 100 Mil­libar zieht ein Tem­per­atur­delta von +10 Grad Cel­sius nach sich. In Essen-Kupfer­dreh erzeu­gen die Delta Blow­er einen Dif­feren­z­druck von 700 Mil­libar, was fol­glich ein Delta T von 70 Grad bedeutet. Bei ein­er angenomme­nen Raumtem­per­atur von 20 Grad ver­lässt die Gebläseluft die Aggre­gate damit mit 90 Grad Cel­sius. „Etwa 95 Prozent der einge­set­zten elek­trischen Energie wird bei der Druck­luft in Wärme umset­zt und nur fünf Prozent fließen in die eigentliche Luftver­sorgung“, bringt es Michael Kamitz vom AERZEN Ver­trieb­s­büro West in Vel­bert auf den Punkt. Der Joule-Thom­son-Effekt lässt sich physikalisch nicht eli­m­inieren. Fol­glich sind Maß­nah­men gefragt, die Ver­luste zu begren­zen, indem die erzeugte Wärmeen­ergie für andere Prozess­bere­iche Ver­wen­dung findet.

Gebläsehersteller aus Projektpartner

AERZEN nimmt hier als Spezial­ist für Gebläsetech­nik eine immer wichtigere Rolle ein, gemein­sam mit den Betreibern von Abwasser­an­la­gen oder Unternehmen in anderen Indus­triezweigen passende Rück­gewin­nungslö­sun­gen im Sys­tem mit den Gebläseein­heit­en zu konzip­ieren. In der Prax­is bewähren sich Rohrbün­del­wärmetausch­er auf­grund ihrer hohen Effek­tiv­ität als Folge des sehr guten Wärmeüber­gangs von der Luft ins Wass­er. Zudem sind sie leicht nachrüst­bar, weil sich die Ein­heit­en im Durchmess­er über­aus flex­i­bel an die Rohrleitun­gen anpassen. Der Wärmetausch­er in Essen-Kupfer­dreh passt mit seinem Durchmess­er von 500 mm per­fekt zur vorhan­de­nen DN 500 Leitung.

Amor­ti­sa­tion­szeit­en von knapp zwei Jahren und eine ver­gle­ich­sweise sim­ple Instal­la­tion: Nach Erfahrun­gen von Michael Kamitz herrscht in der Abwasser­branche aber immer noch ein gewiss­er Respekt davor, einen Wärmetausch­er nachzurüsten. Der Diplom-Inge­nieur sieht dafür drei wesentliche Punk­te. Erstens herrscht eine gewisse Skep­sis, einen Wasserkreis­lauf in eine Ver­sorgungsluftleitung zu brin­gen. Zweit­ens gibt es Befürch­tun­gen, dass der vom Wärmetausch­er erzeugte Gegen­druck in der Leitung wiederum den Stromver­brauch der Gebläse nach oben treibt, weil diese auf­grund des Wider­standes mehr arbeit­en müssen. Der dritte Aspekt geht der Frage nach, inwieweit sich die Wärmerück­gewin­nung gespiegelt auf die ganz konkreten Betrieb­s­be­din­gun­gen vor Ort über­haupt lohnen und wenn ja, mit welchen Einsparpotenzialen.

Ganzheitliche Systembetrachtung

In allen drei Punk­ten sind Gebläsetech­nikher­steller für Klär­w­erks­be­treiber wichtige Engi­neer­ing­part­ner, weil sie auf­grund ihrer Erfahrung die Sys­teme per­fekt berech­nen und Gesamt­pakete ausle­gen kön­nen. „Wir wis­sen, welche Wärmetausch­er lan­glebig sind und welche am besten funk­tion­ieren. Wir wis­sen eben­falls, bei welchen Pro­duk­ten die Druck­ver­luste am ger­ing­sten sind“, erk­lärt Michael Kamitz. Hinzu kommt, dass AERZEN auf­grund der gesam­melten Erfahrung Know-how weit­er gibt, wie so ein Sys­tem im laufend­en Betrieb ein­er Kläran­lage am schnell­sten und sich­er­sten einzubauen ist. Län­geren Anla­gen­still­stand kann sich keine Kläran­lage erlauben. Knapp 77.000 Ein­wohn­er­w­erte sind es, die nach Auskun­ft von Ste­fan Staske aktuell an die Kläran­lage Essen-Kupfer­dreh angeschlossen sind.

Diese Zusam­me­nar­beit mün­det zum Beispiel im Detail, das aus der Druck­leitung her­aus­ge­tren­nte Rohrstück eben nicht im Schrott zu entsor­gen, son­dern stattdessen rechts und links mit einem Flan­sch zu verse­hen. Muss der Wärmetausch­er später ein­mal für Wartun­gen oder Repara­turen aus­ge­baut wer­den, lässt sich die Lücke in der Leitung dann mit genau diesem Stück schließen. Zur part­ner­schaftlichen Zusam­me­nar­beit gehört eben­falls, die zu erwartenden Wärmeerträge zu berech­nen, damit Investi­tion­sentschei­dun­gen mit Return on Invest­ment Zeit­en hin­ter­legt wer­den kön­nen. Ger­ade bei flache Bele­bungs­beck­en tritt die Frage auf, ob sich die Rück­gewin­nung über­haupt lohnt, weil das Druck­delta im Ver­gle­ich zu tiefen Beck­en deut­lich geringer aus­fällt – und fol­glich auch der Tem­per­at­u­ranstieg in der Gebläseluft.

Fazit

Die Kläran­lage in Essen-Kupfer­dreh zeigt, mit welch ein­fachen Maß­nah­men heute die Ver­lust­wärme aus der Druck­lufterzeu­gung zu erschließen ist. Die Mitar­beit­er­beteili­gung an solchen Pro­jek­ten in Form des betrieblichen Verbesserungswe­sens leis­tet an dieser Stelle einen wertvollen Beitrag für mehr Nach­haltigkeit in der Abwasserreinigung.