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.