Frischer Wind in der Belebung • WASSER & ABWASSER

Die Druckluft wird in die Belebungsbecken eingebracht, die über sieben Meter tief sind. (Bild: Kaeser Kompressoren)Die Druckluft wird in die Belebungsbecken eingebracht, die über sieben Meter tief sind. (Bild: Kaeser Kompressoren)
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.