Energieeffizienz in der Umwelttechnik

Die Betriebskosten teilen sich wiederum auf in die Kosten für Personal (45%), Energie (18%), Rohstoffe (14%), Material (10%), Leistungen Dritter (8 %) und sonstige Kosten (5%). Mithin wird fast ein Fünftel der Betriebskosten einer Kläranlage für die Energie aufgewendet. Hiervon entfallen wiederum mit etwa 60% deutlich mehr als die Hälfte auf die Gebläse-Station für die biologische Reinigung. Aber nicht nur die Energiekosten, auch die Personalkosten und die Kosten für Leistungen Dritter hängen ganz wesentlich von der Wahl des Druckluft-Erzeugers ab. Aus diesem Grund hat ein Kompressorenhersteller hier den Hebel angesetzt. Er hat die Situation sowohl auf der Betreiber- als auch auf der Anbieterseite sehr sorgfältig analysiert und nach Möglichkeiten gesucht, die Energie-Effizienz in der Umwelttechnik unter Berücksichtigung eines Lebenszeit-Zyklus von mindestens zehn Jahren noch weiter zu verbessern.

Für eine höchstmögliche Objektivität der Vergleichsanalyse wurden nicht nur die eigenen Produkte, sondern alle Druckluft-Erzeugersysteme berücksichtigt, die der Markt aktuell für die Klärwerkstechnik und darüber hinaus auch für die allgemeine Pneumatik anbietet. Deshalb wurden in die Untersuchung Drehkolbengebläse, Schrauben- und Turboverdichter einbezogen, alle Anlagen mit ölfreier Verdichtung. Um das Ergebnis vorweg zu nehmen: für die Wirtschaftlichkeit einer Kläranlage ist die Auswahl des richtigen Verdichter-Systems und der optimalen Verdichter-Anlage von entscheidender Bedeutung – und zwar unter Einbeziehung der Energie-Effizienz bei langfristiger Betrachtung.

Kriterium Einblastiefe

Entscheidend für die Auswahl des optimalen Verdichter-Systems sind die Betriebsdaten der Kläranlage, und hier ganz besonders die benötigte Liefermenge und die Einblastiefe in die Klärbecken:

• In kommunalen Kläranlagen liegt diese Einblastiefe zwischen 3 und 8m WS, so dass Drehkolbengebläse mit einem Maximaldruck von 1,0bar präferiert werden. Schraubenverdichter – und gegebenenfalls auch Turboverdichter – können abhängig von den Betriebsdaten der Kläranlage unter Umständen als Alternativlösungen sinnvoll sein.
• Bei industriellen Kläranlagen können die Beckentiefen auch zwischen 10 und 15mWS betragen. Aufgrund des höheren benötigten Drucks und in Abhängigkeit von der benötigten Luftmenge müssen dann ölfrei verdichtende Schraubenkompressoren eingesetzt werden. Bei größeren Liefermengen als 250m³/min sind Turbokompressoren sinnvoll. Drehkolbengebläse scheiden in diesem Druckbereich wegen ihres zu niedrigen Maximaldruckes als Erzeuger aus.

Bereits bei den Vorüberlegungen für die Auswahl des optimalen Kompressor-Systems muss berücksichtigt werden, dass verschmutzte Belüfter einen bis zu 20% höheren Druck erfordern können. Deshalb muss das Druckluft-System über eine entsprechende Leistungsreserve verfügen, die in jeder Betriebssituation eine stabile Druck-Kennlinie gewährleistet. Um einen möglichst konstanten Sauerstoffgehalt im Klärbecken auch bei stark schwankender Schmutzfracht zu erzielen, muss die Druckluft-Station darüber hinaus in einer großen Lieferbandbreite über Frequenzumrichter bedarfsabhängig regelbar sein. In solchen Fällen bieten Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter mit ihrer variablen Leistungsbandbreite zwischen 25 und 100% ideale Voraussetzungen.

Systemunterschiede

Bei Drehkolbengebläsen erfolgt die Zufuhr von Druckenergie durch zwangsweise Förderung, bei Schraubenverdichtern durch eine zusätzliche innere Verdichtung. In beiden Systemen wird der Volumenstrom bedarfsabhängig über die Antriebsdrehzahl geregelt. Druckschwankungen werden innerhalb des Arbeitsfeldes automatisch angepasst. Die Anpassung an schwankende Ansaugtemperaturen erfolgt ebenfalls über die Antriebsdrehzahl. Beide Systeme arbeiten im Gegensatz zu Turboverdichtern ohne Pumpgrenze, deshalb also besonders betriebssicher, und lassen sich über ihren besonders großen Regelbereich optimal an schwankende Sauerstoff-Bedarfe anpassen. Ihr Leistungsbedarf entwickelt sich bei einem konstanten Gegendruck direkt proportional zur Drehzahl. Die Anlagen passen sich an veränderte Gegendrücke – etwa durch die allmähliche Verschmutzung der Belüftersysteme – ohne Messtechnik vollautomatisch an. Sie müssen natürlich auf den maximalen Gegendruck und außerdem auf die maximale Ansaugtemperatur ausgelegt werden, arbeiten aber bis zu einer erst allmählich eintretenden Verschmutzung der Einleitungssysteme dementsprechend auch wesentlich wirtschaftlicher. Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter sind deshalb optimal für den Einsatz in Kläranlagen geeignet, weil hier die Schmutzfracht des Abwassers und damit der Sauerstoffbedarf stark schwanken und weil der erforderliche Verdichtungsenddruck mit zunehmender Verschmutzung der Belüftersysteme deutlich zunimmt.

Ein Strömungsverdichter (Turboverdichter) verwandelt zugeführte kinetische Energie in potenzielle (Druck-)Energie. Sein Volumenstrom wird an Druck- und/oder Temperaturschwankungen über ein zusätzliches Vorleitgitter angepasst, das über Sensoren und Messeinrichtungen gesteuert wird. Das führt zu einer deutlich höheren Technisierung dieser Verdichter und zu entsprechend hohen Investitionskosten. Darüber hinaus sind Anlagen am Markt, deren Volumenstrom durch Regelung der Drehzahl angepasst werden kann. Turboverdichter müssen auf den maximalen Gegendruck und die maximale Ansaugtemperatur ausgelegt werden. Sie reagieren mit ihrer Leistung außerdem deutlich stärker auf Veränderungen bei der Ansaugtemperatur als Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter. Turboverdichter sind die idealen Druckluft-Erzeuger bei größeren Druckdifferenzen und großen erforderlichen Volumenströmen je Einzelaggregat.
Ein Turboverdichter arbeitet nur bei den maximalen Auslegungswerten mit seinem optimalen Wirkungsgrad, der dann insbesondere bei höheren Druckdifferenzen höher liegt als bei einem vergleichbaren Drehkolbengebläse. Der Schraubenkompressor liegt in seinem Wirkungsgrad etwa gleichauf mit dem Turboverdichter. Im praktischen Betrieb einer Kläranlage liegen die tatsächlichen Werte im Jahresmittel jedoch nicht bei diesen 100%igen Maximalwerten, sondern im Normalfall deutlich darunter zwischen 50 und 70%. Die reduzierten Drücke und/oder Liefermengen (Volumenströme) führen bei einem Turboverdichter sofort zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust.
Darüber hinaus muss bei Turboverdichtern ein Überschreiten der sogenannten Pumpgrenze unbedingt beachtet werden, um Schäden der Anlage zu vermeiden. Ein Turboverdichter „pumpt“, wenn sein Betriebspunkt durch eine reduzierte Fördermenge oder einen erhöhten Enddruck vom stabilen in den instabilen Bereich des Kennfeldes eintritt. Pumpen ist gekennzeichnet durch zyklisches Fördern und Rückströmen des komprimierten Mediums. Dieser Vorgang wird von hohen Vibrationen, Druckstößen und schnellem Temperaturanstieg im Verdichter begleitet und muss deshalb unbedingt vermieden werden. In der Praxis geht der Turboverdichter „auf Störung“ und schaltet ab.

Bauartbedingte Vorteile

Ob die Wahl zu Gunsten von Drehkolbengebläsen, Schraubenkompressoren oder Turbokompressoren fällt, entscheidet letztendlich die langfristige Wirtschaftlichkeit der Anlagen unter Praxis-bedingungen. In kommunalen Kläranlagen mit Einblastiefen bis maximal 8m WS haben sich Drehkolbengebläse und Schraubenkompressoren in der Vergangenheit meistens als die wirtschaftlicheren Druckluft-Erzeuger erwiesen. Turboverdichter werden wegen des kleineren Regelbereiches und ihrer deshalb oft zu hohen Energieaufnahme im Teillastbetrieb nachträglich sogar oft durch Drehkolbengebläse oder Schraubenkompressoren ergänzt. Dann fahren die Turboverdichter gegen Volllast als Grundlast-Maschinen, während die Drehkolbengebläse oder Schraubenverdichter mit ihrem deutlich höheren Regelbereich den Teillast-Bereich übernehmen. Außerdem ist das Investitionsvolumen für die Reserve-Vorhaltung bei einer größeren Anzahl kleinerer Drehkolbengebläse und Schraubenkompressoren günstiger als bei wenigen großen Turboverdichtern. Die Tabelle gibt einen Überblick über die bauartbedingten Vorteile aller drei Verdichter-Bauarten.

Durch folgende Merkmale grenzen sich die einzelnen Bauarten gegeneinander ab:

• Drehkolbengebläse: robuste Maschine; einfach in Betrieb, Wartung und Instandhaltung; geringer Überwachungsaufwand; kein Regelsystem für Druck- bzw. Temperaturschwankungen notwendig; Systemdruck bestimmt die Höhe der Leistungsaufnahme; Volumenstromregelung über Frequenzumformer mit sehr großem Regelbereich; gute Abstufung durch Aufteilung auf mehrere Aggregate; Platzbedarf meist höher als bei Turbokompressoren; günstigste Variante in der Anschaffung;
• Schraubenverdichter: robuste Maschine; einfach in Betrieb und Wartung; höhere Wirkungsgrade durch innere Verdichtung; Instrumentierung und Überwachung erforderlich; kein Regelsystem für Druck- bzw. Temperaturschwankungen notwendig; Systemdruck bestimmt die Höhe der Leistungsaufnahme; Volumenstromregelung über Frequenzumformer mit sehr großem Regelbereich; gegenüber Turbokompressor günstiger in der Anschaffung;
• Turboverdichter: genaue Auslegung über maximalen Druck und maximale Ansaugtemperatur erforderlich; Verdichtung auf Auslegungsdruck erforderlich; nur im Auslegungspunkt energetische Vorteile; Vorleitrad zur Kompensation schwankender Ansaugtemperaturen bzw -drücke; Verstelldiffusor für Volumenstromregelung oder Drehzahlregelung; zur Absicherung der Pumpgrenze aufwendige Instrumentierung und Überwachung erforderlich; empfindlich gegen Verunreinigungen und schnelle Druckschwankungen; höhere Instandhaltungskosten; hohe Investitionskosten.

Entscheidend sind dieLebenszyklus-Kosten

Die auszuwählende Maschinenart zur Druckluft-Versorgung einer Kläranlage und zum Einsatz in der allgemeinen Pneumatik sollte immer maßgeschneidert auf den jeweiligen Einsatzfall ausgerichtet sein, zukünftige Entwicklungen bereits berücksichtigen und sich durch ein Höchstmaß an langfristiger Wirtschaftlichkeit auszeichnen. Mit Hilfe einer detaillierten Kostenermittlung im Vorfeld der Kaufentscheidung kann man viel Geld sparen.

Aus der Übersicht ergibt sich zwar zunächst ein Investitions-Mehraufwand für die Maschinengruppe 2 (Schraubenverdichter) von 176352Euro. Demgegenüber reduziert sich die Kupplungsleistung zu Gunsten der Schraubenverdichter um beachtliche 60kW. Aus dieser Differenz bei der Kupplungsleistung ergibt sich bei einer Laufzeit von 24h/Tag (365 Tage/Jahr) und Stromkosten von 0,10Euro/kWh eine maximal mögliche Energiekosten-Ersparnis von 52560Euro/Jahr. Mithin amortisieren sich die anfänglichen Investitions-Mehrkosten für die Maschinengruppe 2 (Schraubenverdichter)

• bei 66,6%iger Auslastung in rund 4,9Jahren,
• bei 75,0 %iger Auslastung in etwa 4,36Jahren und
• bei maximaler Auslastung bereits in 3,27Jahren.

Bei höheren Druckdifferenzen fällt dieses Bild aufgrund des steigenden Wirkungsgrades zu Gunsten des Schraubenverdichters noch deutlich positiver aus.

Das Berechnungsbeispiel zeigt: Lösungen „von der Stange“ gibt es nicht. Deshalb kann eine Anlage mit höheren Investitionskosten bei langfristiger Betrachtung durchaus das wirtschaftlichere Konzept darstellen. Die wichtigsten Auswahlkriterien im Vorfeld einer Kaufentscheidung sind deshalb die gesamten Lebenszykluskosten (LCC = Life-Cycle-Costs). Dazu zählen die Investitionskosten und der Kapitaldienst, die Installationskosten, die Energiekosten, die Wartungskosten einschließlich der Personalkosten, Reparatur- und Stillstandskosten sowie die Stilllegungs und Entsorgungskosten. Aus diesem Grund gilt: Für die Druckluft-Versorgung einer Kläranlage kann nur eine sorgfältig geplante, in voraus berechnete und vor allem maßgeschneiderte Lösung zu einer langfristig wirtschaftlich und zuverlässig arbeitenden Lösung führen. Ein Argument steht aber unverrückbar fest: Bei kleineren Volumenströmen unterhalb von etwa 9000m³/h und einem Überdruck bis maximal 0,8bar sprechen alle Argumente eindeutig für das Drehkolbengebläse, bei Überdrücken ab 0,7 bis 2,0bar für den Schraubenverdichter.