Turbo raus, Effizienz rein

Schraubengebläse für die Abwasserreinigung

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27.11.2017 Kleine Stadt, große Kläranlage: Schwedt in der Uckermark, Produktionsstandort des Papierherstellers Leipa Georg Leinfelder, zählt mit rund 30.000 Einwohnern zu Brandenburgs Mittelzentren. Mit der Anlage zur Abwasserreinigung im Werk Schwedt Nord der Leipa-Papierfabriken ließen sich theoretisch die Abwässer der rund zehnmal so großen Stadt Augsburg reinigen, denn die Anlage besitzt einen sogenannten Einwohnerwert von rund 300.000.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Als im Werk Schwedt Nord des Papierherstellers Leipa Georg Leinfelder die Erneuerung der Druckluftversorgung für die Belebungsbecken der Abwasserreinigungsanlage anstand, wollte der Produzent eigentlich wie gehabt mit Turboverdichtern arbeiten.
  • Doch während der Planung überzeugten die ölfrei verdichtenden Schraubengebläse aufgrund ihrer größeren Flexibilität und des besseren Preis-Leistungs-Verhältnisses. Auch in puncto Energieverbrauch können die Schrauben mit der hocheffizienten Turboverdichter-Technologie mithalten.

Nach der geplanten Erweiterung hätte die Anlage einen Einwohnerwert von 500.000. Bild: Leipa

Nach der geplanten Erweiterung hätte die Anlage einen Einwohnerwert von 500.000. Bild: Leipa

„Papierhersteller haben verfahrensbedingt einen hohen Wasserbedarf und produzieren auch entsprechend große Mengen an Abwasser“, erklärt Ulf Riege, Leiter der Mechanischen Instandhaltung bei Leipa. „Doch haben sich die Prozesse bei uns in Schwedt über die Jahre dahingehend verbessert, dass sich die Abwassermenge von rund 20 Litern pro Kilogramm produziertes Papier auf nur noch acht Liter verringert hat.“

Das Problem dabei: Bislang belüfteten zwei große Turbokompressoren die aerobe biologische Stufe der Abwasserreinigung, wobei eine der beiden Maschinen jeweils als Redundanz fungierte. Durch die gesunkenen Abwassermengen liefen die Turbos aber nicht mehr im optimalen Betriebsbereich, der bei dieser Technologie sehr eng ist. Als dann Ende 2013 nach 20 Jahren Betrieb eine größere Reparatur anstand, entschloss sich der Betreiber, die Belüftung der insgesamt vier Belebungsbecken komplett neu zu planen und die beiden Turbos durch vier Schraubengebläse von Atlas Copco zu ersetzen – je zwei Geräte mit fester und zwei mit variabler Drehzahl. „Wir haben jeweils ein Gebläse mit fester und eins mit variabler Drehzahl in Betrieb, die anderen beiden stehen als Redundanz zur Verfügung“, beschreibt Riege das neue Anlagenkonzept. „Die Verfügbarkeit der Druckluft ist an dieser Stelle äußerst wichtig, denn wenn die Biologie nicht richtig arbeitet, steht die komplette Produktion, und das wird dann teuer.“

Mit der drehzahlgeregelten Anlage spart das Unternehmen jährlich 700.000 kWh ein. Bild: Leipa

Mit der drehzahlgeregelten Anlage spart das Unternehmen jährlich 700.000 kWh ein. Bild: Leipa

Energieverbrauch wichtiger Aspekt

Auf der Papiermaschine im Werk Schwedt Nord stellt das Unternehmen derzeit 280.000 t/a grafische Papiere für den Zeitungsdruck her. Seit Ende 2001 gehörte der Standort zur finnischen UPM-Gruppe, wurde dann im Sommer 2016 von Leipa Georg Leinfelder übernommen. Die fertigt bereits seit 1992 im Werk Süd auf dem Nachbargrundstück mit drei weiteren Papiermaschinen Magazin- und Verpackungspapiere, Spezialpapiere und Karton. Als Rohstoff kommt in beiden Werken ausschließlich Altpapier in verschiedenen Qualitäten zum Einsatz. „Die Themen Energieeffizienz und Umwelt haben bei uns im Unternehmen einen hohen Stellenwert“, betont Riege. „Wir sind nach EMAS zertifiziert und betreiben ein Energiemanagementsystem gemäß ISO 50001. Darin verpflichten wir uns, unseren Energiebedarf jährlich um mindestens ein Prozent zu reduzieren. Die ISO 50001 gibt auch vor, dass bei Neuanschaffungen der Energieverbrauch immer berücksichtigt werden muss – das war bei der Konzeption der neuen Druckluftstation ein wichtiger Aspekt.“

Seit Anfang 2015 arbeiten in der Station insgesamt vier ölfrei verdichtende Schraubengebläse des Typs ZS 132. Zwei der Maschinen tragen das Kürzel VSD und sind mit einer Drehzahlregelung ausgestattet, sodass die Maschinen den Volumenstrom automatisch genau an den Luftbedarf anpassen können. Die Gebläse stellen jeweils maximal 4.100 Nm3/h bei einem Überdruck von 0,9 bar bereit. „Der Überdruck ergibt sich aus der maximalen Tiefe der Belebungsbecken“, erläutert Riege. „Diese beträgt neun Meter, und weil die Druckluft am Beckenboden eingeblasen wird, muss der Überdruck mindestens der Wassersäule entsprechen.“ Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die absolute Ölfreiheit der erzeugten Druckluft, denn, so Riege, „wir wollen selbstverständlich kein Öl in unsere Biologie oder in die Umwelt eintragen.“

Maximilian Borngräber, Prozessingenieur bei Leipa,

Maximilian Borngräber, Prozessingenieur bei Leipa, „Im Vergleich zu den alten Turbos – die allerdings nicht im optimalen Betriebsbereich liefen –
sparen wir mit der neuen drehzahlgeregelten Anlage 700.000 Kilowattstunden pro Jahr.“ Bild: Leipa

Datenerfassung und Dokumentation

Die Gebläse steuert das Unternehmen über ein Prozessleitsystem. „Jedes Aggregat hat eine eigene eingebaute Gerätesteuerung von Atlas Copco“, erklärt Maximilian Borngräber, Prozessingenieur bei Leipa und mitverantwortlich für die Konzeption der neuen Druckluftstation. „Wir übergeben dann alle Werte an unser Prozessleitsystem. Dort haben wir eine übergeordnete Steuerung abgebildet, über die wir die Prozesswerte der Anlage jederzeit anpassen und optimieren können.“ Alle Daten werden erfasst und dokumentiert. Die Techniker können Betriebszustände, Volumenströme und Energieverbräuche jederzeit abrufen. „Das Prozessleitsystem erfasst unter anderem auch die Leistungsaufnahme der Aggregate“, beschreibt Borngräber. „Dadurch, dass wir diese Daten sammeln und entsprechend auswerten, lassen sich die notwendigen Einsparungsnachweise für unser Energiemanagementsystem einfach generieren.“

Die Schraubengebläse der Serie liefert der Hersteller als einsatzbereite Komplettpakete mit SPS-basierter Elektronikon-Steuerung, integriertem Umrichter, Gabelstaplertaschen, Rückschlagventil, Luftfilter, Abblasventil und Schalldämpfern. Durch die kompakte Bauform sind keine Extras erforderlich, und der Installationsaufwand ist minimal.

Bei der Neuauslegung des Belüftungsbeckens ersetzte der Betreiber die Turbos gegen Gebläse. Bild: Leipa

Bei der Neuauslegung des Belüftungsbeckens ersetzte der Betreiber die Turbos gegen Gebläse. Bild: Leipa

Effizienter und flexibler Betrieb

Der Preis für die vier Gebläse mit einer Liefermenge von insgesamt 16.400 Nm3/h entsprach dem für einen neuen Turbokompressor mit 12.000 Nm3/h. „Im Vergleich zu den alten Turbos – die allerdings nicht im optimalen Betriebsbereich liefen – sparen wir mit der neuen drehzahlgeregelten Anlage 700.000 Kilowattstunden pro Jahr“, rechnet Borngräber. „Diese Einsparungen dokumentieren wir zum einen im Rahmen unseres Energiemanagementsystems. Vor allem aber bedeuten sie für uns natürlich bares Geld, denn wir können nur etwa ein Viertel des benötigten Stroms in unserem BHKW selbst erzeugen, die restlichen drei Viertel kaufen wir zu.“

Neben ihrem energieeffizienten Betrieb waren es vor allem zwei Faktoren, die zur Entscheidung für die Gebläse führten: „Wir haben uns für den Wechsel von Turboverdichtern auf Schraubengebläse entschieden, weil die Gebläse zum einen kostengünstiger und zum anderen in der Produktion flexibler sind“, erklärt Borngräber. „Sie können eine größere Schwankungsbreite effizient bedienen, was im Bereich der biologischen Abwasseraufbereitung beispielsweise aufgrund der temperaturbedingt unterschiedlichen Luftbedarfe wichtig ist.“ Die höhere Flexibilität sei ein Resultat der Drehzahlregelung und der kleineren verfügbaren Gerätegrößen. „Bei den Turbos gehörten unsere bisherigen Maschinen mit circa 14.000 Normkubikmeter pro Stunde schon zum Kleinsten, was der Markt damals im Niederdruck zu bieten hatte“, weiß Borngräber. „Diese Menge können wir mit drei Gebläsen à 4.000 Normkubikmetern sowie einem Gerät als Redundanz realisieren. Bei den Turbos hätten wir inklusive Redundanz zwei Aggregate mit jeweils 12.000 Normkubikmetern pro Stunde benötigt.“ Das aber hätte neben den Investitions- auch die Instandhaltungskosten gesteigert.

Über das Prozessleitsystem kann der Betreiber alle Verbrauchs- und Betriebsdaten einsehen. Bild: Leipa

Über das Prozessleitsystem kann der Betreiber alle Verbrauchs- und Betriebsdaten einsehen. Bild: Leipa

Produktionsumstellung erfordert Erweiterung

Als nächstes kann die Druckluftstation unter Beweis stellen, dass sie sich auch flexibel erweitern lässt. Denn zum Jahresende stellt der Betreiber die Produktion im Werk Schwedt Nord von grafischen Papieren für den Zeitungsdruck auf sogenannte weißgedeckte Testliner um. Diese wesentlich schwereren Papiere kommen als Decklage in der Kartonagen-Produktion zum Einsatz und werden unter anderem vom stetig wachsenden Versandhandel nachgefragt. „Durch diese Prozessumstellung erhöht sich die produzierte Papiermenge von derzeit 280.000 Tonnen auf rund 450.000 Tonnen pro Jahr“, erläutert Instandhaltungsleiter Riege. „Entsprechend steigt auch die zu reinigende Abwassermenge an.“ Die Abwasserreinigung erweitert das Unternehmen deshalb zurzeit von zwei auf drei Linien, und auch bei der Druckluft ist die Aufstockung um zwei bis drei weitere Gebläse in der Planung. „Die biologische Reinigungsstufe wird zwar nicht größer, aber durch geeignete Maßnahmen und mehr Sauerstoff effektiver“, resümiert Riege. „Die erweiterte Anlage wäre dann mit einem Einwohnerwert von rund 500.000 auch für eine Großstadt wie Dresden oder Hannover passend.“

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Heftausgabe: Dezember 2017

Über den Autor

Stephanie Banse, Journalistin in Hamburg für Atlas Copco
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