Belüftung für Kläranlagen Wie intelligente Gebläsetechnik mit neuer Steuerung selbst bei Lastwechseln Energie spart

Autor / Redakteur: Thorsten Sienk* / Dr. Jörg Kempf

Angesichts der Tatsache, dass allein die Luftversorgung in der Belebungsstufe von Kläranlagen oft mehr als 70 Prozent der Betriebskosten in diesem Bereich ausmacht, wird schnell klar, warum sich Effizienzverbesserungen gerade hier lohnen – und dieses mit kurzen Return-on-Investment-Zeiten. Die Kläranlage in Rheda-Wiedenbrück ist genauso vorgegangen und testet aktuell ein neues Steuerungskonzept für die Gebläsetechnik von Aerzen.

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Aersmart heißt die neue Lösung, mit der Aerzen die Gebläse noch energieeffizienter steuern kann.
Aersmart heißt die neue Lösung, mit der Aerzen die Gebläse noch energieeffizienter steuern kann.
(Bild: Aerzen)

Vor drei Jahren begannen die Modernisierungsarbeiten der Kläranlage in Rheda-Wiedenbrück, an die sowohl die Bürger der Region Rheda-Wiedenbrück als auch Deutschlands größter Schlachtbetrieb für Schweine angeschlossen sind. Ein Projektziel bestand darin, die Biologie wirksamer mit Luft zu versorgen, indem alte Belüftungsgitter nicht nur durch neue ersetzt, sondern diese auch 30 Zentimeter tiefer unmittelbar am Boden der Belebungsbecken eingebaut wurden.

„Angesichts der Fläche der sechs Becken konnten wir so unser Bearbeitungsvolumen um einige Hundert Kubikmeter steigern“, erklärt Abwassermeister Hendrik Wulfhorst. In der weiteren Folge bedeuten die 30 Zentimeter mehr Raumgewinn allerdings auch einen Anstieg des System-Drucks von 30 mbar – was entsprechend bei der Auslegung der Gebläsetechnik zu berücksichtigen war.

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Vor der Anlagenmodernisierung wurde die Biologie mit einem recht hohen Sauerstoffüberschuss in den Becken gefahren, um vor allem die Schwankungen bei den Einlaufwerten des Schlachthofbetriebs sicher aufzufangen. Letztlich mit dem Auftrag, die Betriebskosten und den damit verbundenen CO2-Ausstoß zu reduzieren, bestand ein klares Ziel des Projektes darin, die Belüftung der Becken künftig wesentlich enger mit der schwankenden Abwasserfracht und dem daraus resultierenden Sauerstoffbedarf zu koppeln. Daraus folgte im ersten Schritt die bedarfsgerechte Drehzahlsteuerung der insgesamt vier Gebläse-Einheiten von Aerzen.

Intelligentere Luftversorgung

Die Sollwerte generiert die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) aus den Messdaten im Abwasser – vornehmlich in Form von Ammonium- und Nitratkonzentrationen. Hinzu kommt eine intelligente Steuerung der Blendenregulierschieber, die langsam zufahren, wenn die geforderte Sauerstoffsättigung im Wasser des jeweiligen Beckens erreicht ist. Damit dieses Schließen nicht zu einem höheren Druck – und damit Widerstand – in der Leitung führt, fährt die SPS parallel den Solldruck herunter.

„Andernfalls würden wir Energie durch die Blendenregulierschieber vernichten, weil die Gebläse im Rahmen einer Konstant-Druckregelung gegen den durch die Blendenregulierschieber verursachten Druckverlust arbeiten müssen. Wir regeln jetzt mit einer Gleitdruckregelung wesentlich intelligenter und effizienter“, verdeutlicht Markus Haverkamp, Projektingenieur vom betreuenden Planer aquaconsult. Für die Grundlastversorgung der Biologie, die abwechselnd aus belüfteten und unbelüfteten Becken einen Kreislauf mit drei Reinigungsstufen bilden, hat das mit der Planung und Realisierung beauftragte Ingenieurbüro aus Hannover u.a. ein Turbogebläse von Aerzen ausgewählt.

Turbogebläse für die Grundlast

Der Typ AT150-0.8S-G5 erreicht mit einer Motor-Nennleistung von 143 kW einen Ansaugvolumenstrom von 4800 m3 in der Stunde bei einem Ansaugdruck von 1 bar und einem Enddruck bis 1,8 bar. Für Cord Utermann, Vertriebsingenieur bei Aerzen, sind Turbogebläse klassische Vertreter energieoptimierter Grundlastmaschinen, die am besten innerhalb der Nennwertparameter 24 Stunden durchlaufen, weil sie dann mit der höchsten Wirtschaftlichkeit in Betrieb sind.

„Wie bei jeder Turbo-Technologie sinkt der energetische Wirkungsgrad, sobald die Geräte in den Teillastbereich gefahren werden“, erklärt Utermann. Folglich sind Konzepte zu entwickeln, die es möglich machen, die im tageszeitlichen Verlauf schwankenden hohen, aber auch niedrigen Schmutzfrachten gleichermaßen energieeffizient zu reinigen.

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Für ein Optimum an Energieeffizienz in einer Kläranlage bedeutet dieser Ansatz, dass der Luftbedarf, der über die Grundlast hinausgeht, von Verdrängermaschinen wie Drehkolbengebläsen und -verdichtern zu decken ist. Diese Technologien zeigen ihre Stärke im hohen Regelbereich von 25 bis 100 % und einem sehr guten Wirkungsgrad auch im Teillastbetrieb. In der Kläranlage Rheda-Wiedenbrück gehören deshalb noch zwei Aerzen-Aggregate vom Typ Delta Hybrid (D 62 S) sowie ein Delta Blower (GM 80 L) zum Verbund.

Die hohe Kunst der Steuerungstechnik

Damit dieses Quartett den Sauerstoffbedarf für die Belebungsbecken nicht nur prozesstechnisch sicher deckt, sondern die benötigte Luftmenge auch noch so energieeffizient wie nur möglich im Verbund erzeugt, hat Aerzen die Aersmart entwickelt.

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Nach Auskunft von Cord Utermann, besteht „die hohe Kunst der Steuerungstechnik darin, die Übergänge zwischen den sich überlagernden Betriebsbereichen möglichst fließend und bei jeder Last so energieeffizient wie möglich zu gestalten, d.h. die unterschiedlichen Maschinen in der Kombination immer im Gesamtoptimum zu fahren“. Diese resultieren nach Auskunft von Markus Haverkamp „aus dem Lastgang, der sich eben nach dem realen Bedarf richtet“. Hierbei gibt es „immer wieder Spitzen nach oben wie nach unten“.

Indem in Rheda-Wiedenbrück drei verschiedene Maschinen mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen und Wirkungsgraden zum Einsatz kommen, müssen diese auf eine Weise übereinander gelegt werden, „dass wir möglichst wenig Schaltvorgänge haben. Das ständige An- und Abschalten würde ja den Verschleiß erhöhen“, macht der Projektingenieur von aquaconsult deutlich. „Für einen optimalen Gesamtwirkungsgrad ist eine effiziente Verteilung der Luft auf die Belebungsbecken (Gleitdruckregelung, Aufschaltung von Störgrößen wie z.B. Ammoniumnitrat, Wassermenge) sowie die effiziente Maschinenanwahl erforderlich. Die Realisierung erfolgt hierbei über die neue Steuerung von Aerzen.“

Basis für die steuerungstechnische Optimierung mit der Aersmart-Steuerung bildet der Sauerstoffbedarf in den drei Reinigungsstufen. Die Kennzahlen werden von der zentralen Anlagen-SPS verarbeitet, und der daraus resultierende Solldruck wird per Profibus an die Gebläsesteuerung gegeben. Die Steuerung sorgt dann dafür, dass die vier Aggregate energetisch optimal miteinander arbeiten.

„Das hier eingesetzte Turbogebläse hat zum Beispiel bei 83 Prozent Auslastung den höchsten Wirkungsgrad“, erklärt Cord Utermann. Liegt der Luftbedarf darunter, kann es folglich effizienter sein, die Grundlastmaschine ganz abzuschalten und den vergleichsweise geringen Luftbedarf durch die beiden Delta Hybrid Anlagen zu decken. „Unseren Bakterien ist es egal, wer für den Sauerstoff sorgt“, merkt Hendrik Wulfhorst augenzwinkernd an. Der Abwassermeister weist jedoch darauf hin, dass im Vorfeld der Modernisierungen die Gebläsetechnik so projektiert wurde, dass die Leistung des Turbogebläses für den „normalen“ Tagesbedarf ausreicht.

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Fünf bis acht Prozent Energieeinsparung on top

Als Zwischenergebnis konnte die Kläranlage Rheda-Wiedenbrück mit den energieoptimierten Gebläsen und einer vergleichsweise einfachen Prozesssteuerung, die enger mit den herrschenden Ist-Werten verknüpft ist, rund 30 Prozent Energie in der Biologie einsparen. Aersmart bringt hier durch die Optimierung auf Gebläseebene weitere fünf bis acht Prozent obendrauf. Wie viel es über eine längere Betriebsphase genau ist, wird der Feldtest in der Kläranlage zeigen. Rheda-Wiedenbrück ist der erste Abwasserbetrieb in Deutschland, der die Aersmart in der Praxis testet.

„Wir brauchen den Einsatz vor Ort, weil wir die komplexen Zusammenhänge einer Kläranlage nur im Feld erfassen können. Das lässt sich auf auf keinem Teststand abbilden. Deshalb ist uns die intensive Zusammenarbeit mit unseren Kunden so wichtig, weil wir nur so einen engen Anwendungsbezug für zukunftsweisende Weiterentwicklungen erhalten“, fasst Cord Utermann zusammen.

* Der Autor ist freier Fachjournalist.

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