Verbrauchsoptimierungen in der Klärtechnik

Die Belüftung erfolgte über feinblasige Membranbelüftungsteller, 42 Rührwerke übernahmen zusätzlich das Umwälzen des Abwassers, und sechs Turboverdichter erzeugten die Prozessluft in zwei Gruppen: drei Turboverdichter für Becken 1 und 2 (Einblastiefe 4 m) mit einem Höchstdruck von 0,4 bis 0, 45 bar und einer Liefermenge von maximal je 10.000 Nm³/h und drei weitere Verdichter für das Becken 3 (Einblastiefe 6 m) mit einem Höchstdruck von 0,6 bar und einer maximalen Liefermenge von jeweils 5.000 Nm³/h. Die Turboverdichter, davon jeweils eine Redundanz-Anlage, wurden im Rahmen der Kläranlagenbemessung bei der Installation der dritten Reinigungsstufe, im Jahr 1996 ermittelt. Sie arbeiteten mit einer Konstantdruck-Regelung und beanspruchten bereits rund 45 % des gesamten Energiebedarfs der Anlage. Messsonden im Becken ermöglichten die optimale Luftversorgung, Druck und Menge regelten die Organe in den Verdichtern. Die Verteilung zu den Becken erfolgte über Irisblenden im Rohrleitungssystem. Die eingesetzten Turbos der klassischen Bauform mit Gleit- oder Wälzlagerung entsprechen schon lange nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik: Sie arbeiten mit vorgeschaltetem Getriebe und Drehstrom-Asynchronmotor mit fester Drehzahl. Die Anlagen bauen sehr groß und verursachen gleichzeitig einen hohen Wartungsaufwand.

Umbau der Belebungsbecken
In den drei Belebungsbecken ließ der Betreiber im Jahr 2008 mit einem Kostenaufwand von 1,3 Mio. Euro ein komplett neues Verfahrens- und Belüftungskonzept realisieren. Seitdem durchfließt das Abwasser die Becken nach dem Prinzip der Pfropfenströmung. Außerdem ersetzte das beauftragte Unternehmen, die Aerzener Maschinenfabrik, die Membran-Belüftungsteller durch feinblasig arbeitende Membranplatten-Belüfter. Diese Maßnahmen verbesserten den Wert für den Parameter NGes des in die benachbarte Lauter eingeleiteten gereinigten Abwassers von 13,0 auf 10,4 mg/l. Alleine durch das Senken der Energiekosten hätte sich die Gesamtinvestition bereits nach vier Jahren amortisiert. Zusätzlich reduzierte sich die Höhe der Abwasserabgabe dauerhaft; darüber hinaus konnte der Betreiber die Maßnahme gegen die Abwasserabgabe verrechnen. Nach dem Beckenumbau trägt das System die Prozessluft nicht mehr mit konstantem Druck, sondern bedarfsabhängig belastungs- oder zeitabhängig ein. Die Belüftung fahren jetzt eine Gleitdruckregelung und eine abgestimmte Steuerungstechnik. Durch diese Maßnahmen sank der Energiebedarf für die Prozesslufterzeugung bereits um 40 % und durch den zusätzlichen Verzicht auf die nicht mehr benötigten 42 Rührwerke um weitere 2 %. Als Folge waren die vorhandenen Turboverdichter speziell am unteren Leistungslimit jetzt deutlich zu groß ausgelegt, so dass sie unnötig hohe Energiekosten verursachten. Deshalb ermittelten die Projektpartner zunächst die neuen Bedarfsmengen und fuhren gleichzeitig praktische Versuche. Sogar einen Rückbau der Turboverdichter zu kleineren Leistungen erwogen die Beteiligten. Schließlich beschlossen die Ingenieure, zwei Turbokompressoren durch kleinere Drehkolbengebläse zu ersetzen, die kombiniert arbeiten sollten.

Gebläse-Verdichter-Hybrid
„Nach Gesprächen mit mehreren Anbietern tauschten wir im Frühjahr 2010 die zwei alten Turbokompressoren jedoch nicht gegen herkömmliche Drehkolbengebläse, sondern gegen zwei Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid aus, weil sie uns durch ihre technischen Daten, ihren niedrigeren Energiebedarf und positive Referenzen überzeugten. Die Anlagen des Herstellers waren uns allerdings auch schon bestens bekannt, weil sie bereits in mehreren Kläranlagen arbeiteten, die über eine Tochtergesellschaft betrieben werden“, erklärt Betriebsleiter Joachim Steidel. Die ölfrei verdichtenden Aggregate vereinigen die Vorteile von Drehkolbengebläsen und Schraubenverdichtern. Dabei tendieren die Maschinen für niedrigere Drücke mit einem verwundenen Kolbenprofil eher zu einem Gebläse, für höhere Drücke mit einem speziellen 3+4-Schraubenprofil eher zu einem Verdichter. Sie ermöglichen Energieeinsparungen bis 15 %, niedrige Wartungs- und Servicekosten, hohe Zuverlässigkeit und eine robuste Lagerkonstruktion (Lebensdauer 60.000 Bh). Im Oktober 2010 installierte der Hersteller dann für die Becken 1 und 2 ein Aggregat D75L mit einer Maximalleistung von 4.100 Nm³/h sowie ein Aggregat des Typs D62S mit einer maximalen Leistung von 3.001 Nm³/h für Becken 3. Beide Applikationen deckten den in den zugeordneten Becken Grund- und Schwachlastbereich ab, bei größerem Bedarf startete der bereits vorhandene Turboverdichter. Durch diesen Austausch von zwei 15 Jahre alten Turboverdichtern gegen zwei Drehkolbenverdichter reduzierte die Betreiberfirma den jährlichen Energieaufwand für das Erzeugen der Belebungsluft um 13 %.

Feldversuch macht klug
Durch eine intensive Untersuchung der Bedarfsmengen-Häufigkeiten in den Becken 1 und 2 konnte der Betreiber errechnen, dass der Austausch der bisher eingesetzten großen Turboverdichter (Liefermenge 10.000 Nm³/h) gegen eine bedarfsgerechte Anlage zu weiteren Energieeinsparungen führen würde. Deshalb entschied er sich Ende 2012 zu einem Feldversuch, für den der Maschinenbauer aus Aerzen ein Turbogebläse der Baureihe AT-Turbo Generation 5 zur Verfügung stellte. Diese Anlage (Liefermenge 6.000 Nm³/h) deckt den häufigsten Betriebsbereich (zwischen 5.000 und 6.000 Nm³/h) alleine ab. Im Schwachlastbereich (unter 4.100 Nm³/h) wurde der bereits im Jahr 2010 installierte Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid genutzt. Bei einem Bedarf über 6.000 Nm³/h arbeiteten beide Anlagen im Verbund. Der Feldversuch sollte vor allem die folgende Frage beantworten: Kann das Turbogebläse in Kombination mit einem Drehkolbenverdichter die Energieeffizienz der Prozesslufterzeugung weiter verbessern?

Zusätzliche Energieeinsparungen
„Fest steht, dass die Energieeffizienz der Prozesslufterzeugung noch einmal optimiert wurde“, kommentiert Abwassermeister Thorsten Jung die Ergebnisse mit Verweis auf die Daten des Feldversuchs und Berechnungen auf Basis der Daten der für die Becken 1 und 2 eingesetzten Anlagenkombination. Die zwei seit 2010 vorhandenen Drehkolbenverdichter hält der Betreiber für alle drei Becken als gemeinsam arbeitende Redundanzanlagen vor. Ein System soll aber auch zusätzlich in den Becken 1 und 2 zum Abdecken von Schwachlastbedarf zum Einsatz kommen. Nach den bisherigen Erkenntnissen kann das Konzept mit drei Turbogebläsen und den Drehkolbenverdichtern die Energiebilanz der Prozesslufterzeugung durch jährliche Energiekosteneinsparungen von 60.000 Euro noch einmal verbessern. Zusätzlich konnte der Anwender die Wartungskosten durch den Betrieb ausschließlich neuer Anlagen um rund 15.000 Euro reduzieren. Die erwartete Amortisationszeit beläuft sich auf höchstens fünf Jahre. Inzwischen interessieren sich bereits weitere Klärwerksbetreiber für das in Kaiserslautern realisierte Konzept und die damit gesammelten Erfahrungen.

Jubiläum in 2014
150 Jahre Aerzener Maschinenfabrik
In diesem Jahr feiert die Maschinenfabrik Jubiläum: Genau 150 Jahre ist es her, dass Wilhelm Meyer das Unternehmen im namensgebenden Ort Aerzen gründete. Zwei Weltkriege, Hyperinflation und gleich mehrere globale Wirtschaftskrisen hat das Unternehmen seitdem erlebt. Angefangen mit weniger als 50 Mitarbeitern, hat der mittlerweile als führend geltender Hersteller von Maschinen zum Fördern und Verdichten von Gasen weltweit mehr als 40 Tochtergesellschaften mit rund 2.000 Mitarbeitern. Neben der Produktion kundenorientierter Lösungen setzt das Unternehmen seit 2006 einen seiner Schwerpunkte auf Service-Dienstleistungen. Auch für Systeme von Herstellern, die selbst nicht mehr auf dem Markt vertreten sind.

Ifat 2014 Halle A3 – 337/438

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