Dr.-Ing. Gerhard Seibert-Erling, Frechen

1 VOM EINFACHEN MESSWERT ZUM ONLINE-KENNWERT

Die Energie auf Kläranlagen hat sich als eigenständiger Bereich neben den traditionellen Gewerken Verfahrens-, Maschinen- und Elektrotechnik sowie Instandhaltung etabliert. Mit dem Arbeitsblatt DWA-A 216 [1] wurden die methodischen Grundlagen für eine einheitliche Bewertung der energetischen Situation geschaffen. Mit der überarbeiteten Version des Handbuchs Energie und Abwasser NRW (2017) [2] liegt ein umfassendes Nachschlagewerk für alle energetischen Fragestellungen vor. In zukünftig erscheinenden Ausgaben des technischen Regelwerkes werden die energetischen Aspekte wesentlich mehr Raum einnehmen. Das gilt insbesondere für das im laufenden Jahr erscheinende Merkblatt DWA-M 229 Teil 1 und Teil 2 [3] über Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen.

Bei den im Arbeitsblatt DWA-A 216 beschriebenen Kennzahlen handelt es sich um statistische Verbrauchswerte (auf die Einwohnerbelastung bezogene Jahreswerte) zur energetischen Einordnung der Kläranlage und ihrer wichtigsten Teilbereiche (Belüftung). Damit lassen sich einfach erkennbare Einsparpotenziale (zu hohe Sauerstoffgehalte, unnötig hohe Förderleistung von Pumpen) identifizieren.

Zur Erschließung der großen und bisher kaum genutzten Potenziale durch Effizienzsteigerung werden jedoch ursachenbezogene Kennwerte benötigt. Die Einwohnerbelastung ist dafür nicht geeignet, weil sie durch zeitliche Mittelung, mindestens über mehrere Tage, aus mehreren Einzelbelastungsgrößen ermittelt wird und deshalb als Bezugswert für eine direkte elektrische Leistungsmessung nicht geeignet ist. Die Unschärfe der Ergebnisse würde keine belastbaren Schlussfolgerungen für die optimierte Betriebsweise eines Aggregates zulassen. Es ist deshalb sinnvoll, die wesentlichen verfahrenstechnischen Prozesse nach dem Ursache- Wirkungs-Prinzip in verkettete Teilschritte zu zerlegen, um darauf aufbauend die Voraussetzungen für eine systematische Effizienzsteigerung zu schaffen.

Es ist allerdings noch eine Entwicklungsphase erforderlich. Am besten auf mehreren Anlagen und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, um Erfahrungen mit der Anwendbarkeit und Zuverlässigkeit der Methoden und der Übertragbarkeit der ermittelten Kennwerte zu gewinnen.

Wenn es gelingt, stabile Kennwerte zu definieren und diese sogar online im Leitsystem oder in der Steuerung der Aggregate anzuzeigen, dann ist das ein wichtiger Baustein der energetischen Optimierung. Zugleich wird das Betriebspersonal bei der Überwachung der Anlage entlastet, weil durch den Blick auf die Kennwerte die Betrachtung der zugrunde liegenden Einzelkurven nur noch dann erforderlich ist, wenn die Kennwerte bzw. deren Verläufe die vorgegebene Bandbreite verlassen oder sonstige Auffälligkeiten zeigen.

2 KENNWERTE DES BELÜFTUNGSSYSTEMS

Für die energieintensive Belüftung liegen zwischenzeitlich Erfahrungswerte aus unterschiedlichen Regelwerken, Reihenuntersuchungen und Einzelanalysen vor (Bild 1). Wenn sich als Ergebnis einer Energieanalyse ein höherer Wert als 13 kWh/(EW a) ergibt, lässt sich zwar formal ein Einsparpotenzial feststellen, welches durchaus auch größer als die Differenz zu dem Idealwert des Handbuchs sein kann. Wie hoch dieses sein wird und welche Maßnahmen zum Ziel führen, lässt sich bisher nur aufgrund von Erfahrungswerten abschätzen. Eine belastbare Prognose ist jedoch ohne eine energetische Einzelbewertung der Anlagentechnik (Verdichter, Luftverteilung, Belüfter) schwierig. 

Bild 1: Spezifischer Stromverbrauch der Belüftung

Erst durch Zerlegung des Belüftungssystems in die Drucklufterzeugung, die Luftverteilung und den Sauerstoffeintrag in den Belebungsbecken lassen sich ursachenbezogene energetische Werte festlegen. Im Bild 2 sind die beim Belüftungssystem üblichen Messgrößen, die physikalischen Kenngrößen und die Bemessungswerte einer Druckbelüftung dargestellt. Die Kreisstruktur verdeutlicht, dass die drei wesentlichen Elemente über Koppelgrößen voneinander abhängen, sodass zwar für jede Stufe Kenngrößen definiert werden können; entscheidend ist aber das Verhalten des Gesamtsystems. Beispielsweise kann durch eine vergleichsweise feine Lochung der Belüfter eine hoher Sauerstoffeintrag bezogen auf die benötigte Luftmenge erzielt werden. Wenn das jedoch zu einem höheren Gegendruck der Belüfter führt, dann schlägt sich das wiederum in einem höheren Stromverbrauch der Verdichter nieder. 

 
Bild 2: Messgrößen, physikalische und energetische Kenngrößen des Belüftungssystems

3 KENNZAHLEN UND KENNZAHLENSYSTEM

Nach einer allgemeinen Definition dienen Kennzahlen (Bild 3) dazu, quantitativ erfassbare Sachverhalte in komprimierter Form wiedergeben zu können [4]. Der praktische Nutzen von Kennzahlen stellt sich jedoch nur dann ein, wenn sie leicht verständlich, einfach zu erheben und selbst beeinflussbar (nicht manipulierbar!) sind. Weitere Erfolgsfaktoren sind die Aktualität und die Richtigkeit. Richtigkeit steht hier für eine möglichst gute Übereinstimmung einer Kennzahl mit der Realität in dem Sinne, dass sie dem Adressaten oder Nutzer unter Berücksichtigung des Informationsbedarfs ein zutreffendes Bild der Wirklichkeit liefert. 

Bild 3: Einleitung der Kennzahlen

Die Richtigkeit im Sinne des Informationsziels ist insofern das wichtigste Kriterium für die erfolgreiche Arbeit mit Kennzahlen. Falsche Kennzahlen sind schlechte Ratgeber. Fehlerhafte Kennzahlen können entstehen durch falsche Berechnungen oder durch Mängel bei der Konstruktion mathematischer Operationen, was häufig bei relativen Kennzahlen vorkommt. Fehler lassen sich vermeiden, wenn vor allem das beabsichtigte Informationsziel klar beschrieben ist und dem Informationsbedarf des Adressaten entspricht. Eine verbreitete Unsitte im informationstechnischen Zeitalter ist die Erzeugung einer Kennzahleninflation. Es werden zu viele Kennzahlen gebildet, deren Aussagekraft im Verhältnis zum Aufwand für ihre Ermittlungen letztlich zu gering ist und schon von anderen Kennzahlen abgedeckt wird. Die Problematik der Kennzahlendefinition und – anwendung ist daher nicht zu unterschätzen.

4 KENNZAHLEN VON DRUCKLUFTERZEUGERN

Ein ursachenbezogener energetischer Kennwert von Verdichtern ist die spezifische Leistung; das ist die auf die Fördermenge und die Druckdifferenz bezogene elektrische Leistung. Von den Herstellern der Aggregate werden diese Werte im Zuge einer Werksabnahme auf Prüfständen ermittelt. Weil aber für unterschiedliche Bauarten (Drehkolbengebläse/Turboverdichter) auch unterschiedliche Prüfnormen gelten, ist die Vergleichbarkeit eingeschränkt. Eine Überprüfung der von den Herstellern angegebenen Leistungsdaten ist unter Betriebsbedingungen faktisch nicht mehr möglich, weil die Systemabgrenzung im eingebauten Zustand in der Regel nicht mehr mit den Bedingungen auf einem Prüfstand vergleichbar ist. Zudem erfolgt die Prüfung von Aggregaten beim Hersteller stets bei stationären Bedingungen für ausgewählte Betriebspunkte. Hingegen sind gerade auf Kläranlagen die Betriebsbedingungen aufgrund der wechselnden Belastung instationär und mit einer sehr hohen Bandbreite von 1:10 und höher. Die ursachenbezogene energetische Bewertung von Aggregategruppen (Verdichterstation mit Aggregaten unterschiedlicher Bauart) oder von Teilanlagen (Belüftung von Belebungsbecken) ist unter diesen Voraussetzungen eine äußert komplexe Aufgabenstellung. Das soll nachfolgend durch die unterschiedlichen Sichten auf das gleiche System verdeutlicht werden:

Die wissenschaftlich korrekte Sichtweise
Die energetische Effizienz eines Drucklufterzeugers wird durch die spezifische Leistung beschrieben, wobei die einzusetzenden Größen zunächst allgemein beschrieben sind. Im Sinne des Ursache-Wirkungs-Prinzips führt die elektrische Leistung (Ursache) zu einem Volumenstrom mit einem erhöhten Druck (Wirkung) [5]. Diese mathematisch und physikalisch vollständig erscheinende Definition ist jedoch unter praktischen Gesichtspunkten unvollständig, weil für ein reales Aggregat und dessen Überprüfung zunächst weder eine eindeutige Systemabgrenzung noch eine Festlegung der Mess- und Betriebsbedingungen angegeben ist. Für die Leistung stehen beispielsweise die Kupplungsleistung der Verdichterstufe, die Leistungsaufnahme des Elektromotors oder die Leistung am Abgang der Sammelschiene und somit unter Einbeziehung eines Frequenzumformers zur Drehzahlverstellung zur Auswahl. 

Aus der Sicht des Herstellers
Betrachtet man ein Einzelaggregat aus der Sicht des Herstellers, dann lässt sich die Effizienz durch die Festlegung der Größen hinreichend genau beschreiben. Vor allem können auf dieser Grundlage Aggregate untereinander verglichen werden. Das gilt allerdings zunächst nur dann, wenn die Betriebszustände (Leistung, Luftmenge, Druck) der zu vergleichenden Aggregate ähnlich sind. Vor allem beim Druck ist zu beachten, dass dieser in einem deutlich nichtlinearen Verhältnis zur Leistung stehen kann und in diesem Fall nur Aggregate bei gleichen Druckdifferenzen verglichen werden dürfen.

Aus der Sicht des Betreibers
Aus der Sicht eines Betreibers ist ein Vergleich von Aggregaten aufgrund von Prüfstandswerten bei stationären Bedingungen nur von akademischem Interesse. Ausschlaggebend für den praktischen Einsatz ist das Verhalten am Einsatzort und unter wechselnden Betriebsbedingungen. Maßgebend für die Bewertung ist hier in erster Linie der erforderliche(!) Druck in der Sammelleitung. Wenn Aggregate für einen zu hohen Druck ausgelegt sind, kann das dazu führen, dass sich zwar für den Auslegungsdruck eine hohe energetische Effizienz ergibt, nicht jedoch für den tatsächlich benötigten Druck im Anwendungsfall. Beispielsweise sind Niederdruck – Schraubenverdichter deutlich effizienter als Drehkolbengebläse, allerdings erst ab einer Druckdifferenz von 450 mbar. Wenn beispielsweise für eine Sandfangbelüftung ein Druck von nur 200 mbar benötigt wird, dann sind Drehkolbengebläse bezogen auf den benötigten Druck effizienter. Beim Einsatz eines Schraubenverdichters mit innerer Verdichtung würde die Druckluft das Aggregat mit einem unnötig hohen Druck von ca. 500 mbar verlassen und sich unter großem Energieverlust unmittelbar entspannen. 

5 PRAXISBEISPIELE

5.1 KW Darmstadt-Süd (Eberstadt): Energetische Online-Kennzahlen

Auf dem Klärwerk Darmstadt-Süd wurden die Verdichter erneuert. Bei den gegebenen Druckverhältnissen bot sich aus Gründen der energetischen Effizienz ein Wechsel von Drehkolbengebläsen auf Niederdruck-Schraubenverdichter an. Weil sich mit den zuvor eingesetzten vier baugleichen Drehkolbengebläsen im unteren Lastbereich eine ungünstige Staffelung mit der Folge häufiger Schaltvorgänge ergab, wurden Schraubenverdichter mit unterschiedlichen Baugrößen beschafft. Die Kennlinien der neuen Schraubenverdichter haben eine sehr große Überdeckung. Außerdem lösen sie sich mit fast gleicher energetischer Effizienz ab, sodass sich sehr günstige Voraussetzungen für die Regelung ergeben. Die für die Auslegung der Verdichter ermittelten Kennlinien bzw. Kennfelder werden unter Betriebsbedingungen eingehalten (Bild 4). Die Analyse der Abweichungen im Übergangsbereich ergab, dass noch Probleme bei der Regelung vorhanden waren, die behoben wurden. Die aus den vollständig übertragenen Daten der Verdichter (Leistung, Drücke, Temperaturen, etc.) nachträglich ermittelten Kennwerte decken sich weitgehend mit den Auslegungsdaten. Die mathematischen Formeln zur Berechnung der Kennwerte wurden zwischenzeitlich im Leitsystem der Kläranlage implementiert, sodass die Kennwerte jetzt online angezeigt und aufgezeichnet werden (Bild 5). 

Bild 4: Auslegungsdaten und Betriebsdaten im Vergleich 

Bild 5: Prozessbild mit den Online-Kennwerten der Verdichter 

5.2 GKW Köln-Stammheim: Vergleich von Turboverdichtern

Auf dem GKW Köln-Stammheim wurde die Druckluftversorgung der Hochlastbelebung modernisiert. Von der ursprünglich vier bau- und typgleichen Turboverdichtern mit fester Antriebsdrehzahl und Luftmengenverstellung mittels Diffusor und Leitrad wird ein Aggregat weiterbetrieben. Zusätzlich wurden zwei neue drehzahlverstellbare Turboverdichter mit Magnet- bzw. Luftlagerung und Hochgeschwindigkeitsmotor aufgestellt. Alle Verdichter laufen nun unter gleichen Betriebsbedingungen. Die Leistungsaufnahme jedes Verdichters wird im Sammelschienenabgang als Wirkleistung erfasst. In der Sammelleitung sind zwei Druckmessungen (redundant) eingebaut. Auf der Verbraucherseite sind Luftmengenmessungen (Hitzdrahtanemometer) eingebaut. Eine noch vorhandene Undichtigkeit in der Druckleitung wurde identifiziert, jedoch konnte die Leckage noch nicht geortet werden. Deshalb wurden die Werte der Luftmenge entsprechend korrigiert.

Im Vergleich (Bild 6) zeigt sich, dass die Kennlinien der drehzahlverstellbaren Turboverdichter (TV1 und TV2) eine ausgeprägte Parabelform besitzen und nur im mittleren Bereich energieeffizient arbeiten. Bei der klassischen Bauweise (TV3) verläuft die Kennlinie flacher und die größte Effizienz wird bei Volllast erreicht. Nur einer der beiden neuen Turboverdichter liegt mit dem alten Turboverdichter etwa gleichauf.

Zu Ungunsten der alten Turboverdichter ist allerdings zu werten, dass die automatische Regelung des Vorleitrades nach dem vom Hersteller ermittelten Kennfeld eine wesentliche Voraussetzung für den energieeffizienten Betrieb ist. In der Praxis stellt man leider zu oft fest, dass die Regelung des Vorleitrades unzureichend funktioniert, was zu einem um 15 – 20% höheren Stromverbrauch führt. 

Bild 6: Kennlinien unterschiedlicher Bauarten von Turboverdichtern 

7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Die energetischen Potenziale durch Steigerung der Energieeffizienz von Aggregaten (Pumpen, Verdichter, etc.) sind bislang kaum erschlossen. Wenn es gelingt, die Aggregate bei wechselnder Belastung überwiegend in dem meist engen Bereich ihres höchsten Wirkungsgrades zu betreiben, dann ist durchaus noch eine Einsparung von bis zu 20% möglich. Dazu müssen jedoch Planung, Betrieb und Instandhaltung konsequent auf diese Forderungen ausgerichtet werden.

Die Einführung standardisierter Kennzahlen in Handbüchern und Regelwerken ist ein wichtiger Schritt in dieser Richtung. Die für Verdichter vorgestellten Kennwerte haben sich bereits in der Praxis bewährt. Mit der Visualisierung als Online-Wert über der Zeit wird dem Betriebspersonal ein wichtiges Instrument zur Überwachung der Aggregate zur Verfügung gestellt. Man muss dem mit realen Messdaten vertrauten Betriebspersonal allerdings Zeit geben, sich an die neuen abstrakten Kennwerte und deren Verhalten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu gewöhnen.

Die x-y-Darstellung des Kennwertes über der maßgeblichen Prozessgröße (bei Pumpen die Fördermenge, bei Verdichtern die Luftmenge) als Kennfeld ist aus energetischer Sicht interessant und kann außerdem wertvolle Hinweise für die Instandhaltung geben. 

8 LITERATUR 

Einfluss der Auslegung und Abstufung der Gebläse auf die Effizienz der Belüftungseinrichtung

G. Seibert-Erling 

1. Einleitung
Vor etwa 10 Jahren konnte man überschlägig davon ausgehen, dass die jährlichen Energiekosten für ein Drehkolbengebläse im Dauerbetrieb etwa so hoch sind wie die einmaligen Anschaffungskosten. Bei einer realistisch angenommenen Lebensdauer von rd. 40.000 Bh setzen sich dann die Lebenszykluskosten vereinfacht aus 15 % Investitions- und 85 % Energiekosten zusammen. Nachdem sich die Stromkosten (in Deutschland) verdoppelt haben, liegt der Anteil der Energiekosten mittlerweile bei über 90 %.

Die Auslegung von Gebläsen und Belüftungseinrichtungen für Kläranlagen erfolgt vorrangig nach den gültigen Bemessungsregeln (DWA-A 131). Hinzu kommen die üblichen hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit und der Wunsch nach einer möglichst einfachen Instandhaltung. Am Ende einer solchen Planung stehen dann die bekannten (schlechten) Lösungen mit gleich großen Gebläsen nach dem n+1- Prinzip, die sich durch eine sehr große Gesamtluftmenge, zu knappe Übergänge an den Schaltpunkten und eine fehlende Abdeckung kleiner Luftmengen bei schwacher Belastung auszeichnen. Obwohl das Problem der „großzügigen“ Dimensionierung in der Fachwelt seit Jahren hinlänglich bekannt ist, werden bei fälligen Modernisierungen mit dem Verweis auf die genehmigungsrechtliche Situation nicht selten die Gebläse durch modernere Aggregate, jedoch in der gleichen Anzahl, Größe und Abstufung ersetzt. Zur Behebung der bekannten betrieblichen Nachteile wird gerne eine möglichst komplexe Regelung implementiert. Im ungünstigsten Fall wird dann eine Menge Geld in neue energieeffiziente Aggregate investiert; die alten Probleme sind am Ende trotzdem nicht behoben. Vor allem tritt die erwartete Energieeinsparung nicht ein, weil die Aggregate nach wie vor in einem ungünstigen Bereich des energetischen Kennfeldes laufen.

2. Auswahl von Drucklufterzeugungsaggregaten
Drucklufterzeugungsaggregate lassen sich nach dem thermodynamischen Arbeitsprinzip einteilen in Verdrängermaschinen und Strömungsmaschinen. Für die bei der Abwasserreinigung eingesetzten Aggregate (Bild 1) ergibt sich folgende Situation:

Das vielfältigere Angebot macht die Auswahl und Beschaffung neuer Aggregate allerdings nicht einfacher. Zwar kann anhand der Luftmenge und des erforderlichen Druckes für die aktuelle Marktsituation eine grobe Vorauswahl für Einzelaggregate getroffen werden (Bild 2). Auf die energetischen Kennwerte und das Betriebsverhalten der unterschiedlichen Aggregate wird später noch detailliert eingegangen.

Wenn die Energiekosten weiter in den Vordergrund rücken, dann ist insgesamt ein Paradigmenwechsel angesagt. Dann müssen nicht nur die bisherigen Kriterien für die Verfügbarkeit und die Instandhaltung auf den Prüfstand, sondern es ist auch die Einhaltung der genehmigungsrechtlichen Werte für die Luftmenge zu diskutieren. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden:

Eine geringere Gesamtluftmenge lässt sich durchaus mit einer Analyse von Betriebsdaten aus den zurückliegenden Jahren begründen. Eine absehbar geringere Einwohnerbelastung unterhalb der Ausbaugröße ist ebenfalls ein Argument. Darüber hinaus können Platzreserven oder Aufrüstungsmöglichkeiten mit der Behörde abgestimmt werden. Allerdings sollten die genannten Möglichkeiten möglichst flexibel gehalten werden. Es ist vor allem nicht mehr erforderlich, den Luftbedarf rechnerisch exakt zu bestimmen und dann die Gebläse punktgenau darauf auszulegen. Viel wichtiger ist dagegen die Ermittlung des Luftbedarfs für auftretende geringe Belastungen bezogen auf den Istzustand. Erfahrungsgemäß bereitet gerade dieser Betriebszustand immer wieder verfahrenstechnische Probleme (Denitrifikation) und kann bei falscher Gebläseauslegung nur energetisch uneffizient abgedeckt werden. Die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise hat sich bei der Modernisierung von Kläranlagen bewährt. Damit werden die Forderungen nach hoher Verfügbarkeit, ruhigem Betriebsverhalten (Überdeckung) und flexibler Ausbaureserve erfüllt. Zugleich werden die Grundsteine für einen energieeffizienten Betrieb und gute Regelungseigenschaften gelegt.

Das kann durchaus dazu führen, dass Aggregate unterschiedlicher Baugrößen, Typen und sogar von unterschiedlichen Herstellern kombiniert werden. Die sich daraus ergebenden zusätzlichen Anforderungen an die Regelung, die Bedienung und den Betrieb von Nebenaggregaten muss man akzeptieren. Die Umsetzung der veränderten Anforderungen sollte bei der Verwendung neuer elektrotechnischer Bauteile und bei einer strukturierten Programmierung kein Problem sein. Außerdem ist absehbar, dass sich diese „Baustelle“ mittelfristig aufgrund der erkennbaren technischen Entwicklung auflöst. Der Trend bei Drucklufterzeugungsaggregaten geht zu Kompaktgeräten mit integrierter elektrotechnischer Ausrüstung (Schaltgeräte, Frequenzumrichter, Modulsteuerung, etc.). Dieser Trend zur Mechatronik ist bei Schieberantrieben, Pumpen, BHKWs und anderen typischen maschinentechnischen Ausrüstungsteilen von Kläranlagen ebenfalls zu beobachten. Bei den neuartigen schnelllaufenden Turboverdichtern ist diese technische Integration zwingend, weil ein solches Aggregat ohne zugehörige komplexe Steuerung und Regelung nicht betriebsfähig wäre. Eine früher übliche getrennte Aufstellung von Maschine und Steuerung aufgrund der Wärme- und Geräuschentwicklung ist heute beherrschbar; gleichwohl gibt es hier zwischen den einzelnen Fabrikaten noch markante Unterschiede.

3. Kennwerte für die energetische Effizienz
Energetische Kennwerte von Drucklufterzeugungsaggregaten sind in technischen Regelwerken festgelegt, nach denen Abnahmen und Leistungsversuche durchgeführt werden. Unterschieden wird zwischen der Bestimmung des Leistungsbedarfs durch thermodynamische Bilanzierung (DIN 1945, ISO 5389) und der Bestimmung der mechanischen Leistungsaufnahme unter definierten Betriebsbedingungen bei geforderten Werten für Luftmenge und Druck (ISO 1217). Die Hersteller verfügen in ihren Werken über entsprechend zertifizierte Prüfstände mit geeichten Messgeräten (Bild 3). Weil die Vorhaltung und der Betrieb der Prüfstände sehr kostenaufwändig sind, werden bei der Werksprüfung nicht unbedingt die vorgegebenen Betriebszustände eingestellt, sondern die Prüfbedingungen werden so eingestellt, dass die Messwerte in einem geeichten Bereich liegen. Die gemessenen Werte werden dann auf die geforderten Prüfbedingungen umgerechnet. Diese Prüfmethoden sind üblich und zulässig, sie entsprechen der angegebenen Normung. 

Der Aufbau eines Prüfstandes unterscheidet sich signifikant von den Einsatzbedingungen eines Aggregates auf einer Kläranlage (Bild 4). Abgesehen von der Anordnung der Messgeräte und den Ansprüchen an die Genauigkeit der Messwerte ist schon die saug- und druckseitige Einbindung nicht vergleichbar. Vor allem aber ist es unter laufenden Betriebsbedingungen nur sehr schwierig oder gar nicht möglich, vorgegebene konstante Betriebsbedingungen (Druck, Luftmenge) einzustellen. 

Die Verwendung energetischer Kennwerte von Drucklufterzeugungsaggregaten für die Auslegung kompletter Stationen oder für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung erfordert daher entsprechende Fachkenntnisse. Vergleichende Betrachtungen für Aggregate unterschiedlicher Hersteller sind bei der Verwendung einheitlicher Prüfverfahren zulässig. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass die Prüfbedingungen (Ansaugtemperatur, Enddruck, etc.) und die Systemgrenzen (mit/ohne Rückschlagklappe, etc.) gleich sind.

Eine Reproduktion der Prüfergebnisse einer Werksabnahme nach der Inbetriebnahme eines Aggregates im laufenden Betrieb bleibt nach derzeitigem Kenntnisstand trotz vielfältiger Bemühungen noch Wunschdenken. An Lösungen oder Anordnungen, die für Hersteller und Betreiber zu akzeptablen Werten und Ergebnissen führen, wird gleichwohl an mehreren Stellen gearbeitet.

Aus betrieblicher Sicht ist ein Vergleich mit den Ergebnissen einer Werksabnahme zunächst nur von akademischem Interesse. Maßgebend ist das Verhalten an der realen Anlage. Von großem Interesse ist hingegen das Verhalten unterschiedlicher Aggregate unter gleichen Betriebsbedingungen. Hier interessiert zudem weniger die absolute Genauigkeit sondern der relative Unterschied. Das gilt vor allem für die energetische Effizienz. Sofern die für eine energetische Bewertung bestimmenden Größen Leistungsaufnahme, Druck in der Sammelleitung und die Luftmenge erfasst werden, können die vorhandenen Aggregate einzeln nacheinander unter sonst gleichen Bedingungen (Sauerstoffregelung auf Handbetrieb stellen, Schieber öffnen, etc.) überprüft werden. Als möglichst einfach zu ermittelnder betrieblicher Kennwert hat sich die spezifische Leistungsaufnahme bewährt:

Pspez = Pel/(Q p)
mit:
P spez – spezifischer Leistungsbedarf in W/(Nm³/h bar)
P el – elektrische Wirkleistungsaufnahme des Aggregates (NS-Abgang)
Q – Luftmenge, vorzugsweise gemessen auf der Druckseite in Nm³/h
p – Druck in der Drucksammelleitung

Zu kritisieren ist an dieser Formel, dass keine SI-Einheiten verwendet werden, dass eine Division durch den Druck wegen der bekannten Nichtlinearität eigentlich unzulässig ist und dass sie eigentlich nichts anderes als den reziproken Wert des Wirkungsgrades darstellt. Dennoch hat die neue Definition durchaus ihre Berechtigung, weil sie in der Praxis einfach handhabbar ist vor allem den relativen Vergleich unterschiedlicher Aggregate am Einsatzort ermöglicht.

Im Vergleich zu einer Werksabnahme sind das Antriebsaggregat einschließlich eines Frequenzumrichters zur Drehzahlverstellung und eine Rückschlagklappe vor der Sammelleitung in der Betrachtung enthalten. Im Handbetrieb kann durch Vorgabe der Leistung oder Luftmenge dann die Kennlinie punktweise aufgenommen werden (Bild 5).

Und weil die beschriebenen Probleme mit der Vergleichbarkeit von Energiekennwerten nicht nur auf Kläranlagen auftreten, sondern generell bei der Drucklufterzeugung, wird von der Herstellern neuerdings das „Wire to Air“-Prinzip propagiert, welches letztendlich keinen anderen als den beschriebenen Zusammenhang wiederspiegelt. 

4. (Ungünstige) Staffelung von Aggregaten

Die zuvor dargestellte Kennlinie basiert auf Leistungsmessungen im Rahmen einer Energieanalyse. Zur Überprüfung der Gebläseauslegung wurden weiterhin die Messwerte der Luftmengen über ein volles Betriebsjahr analysiert. Die sich ergebende Häufigkeitsverteilung ist im Bild 6 dargestellt. Der Betriebspunkt mit der größten Häufigkeit liegt bei ca. 3.000 Nm³/h. Die Kennlinie des eingesetzten und überprüften Gebläses erreicht jedoch gerade hier nur eine schlechte Effizienz. Durch die Wahl fünf gleich großer Gebläse liegt außerdem der Umschaltpunkt genau in dem am häufigsten auftretenden Betriebspunkt (unteres Bild), was zu einer großen Schalthäufigkeit führt. 

5. Praxisbeispiel Großklärwerk Köln-Stammheim
Das Großklärwerk Köln-Stammheim hat eine Ausbaugröße von 1,57 Mio. EW. Die Druckluftversorgung der einzelnen Verfahrensstufen (AB-Verfahren mit Hochlast- und Schwachlastbelebung) erfolgt mit mehreren Verdichterstationen. Die größte Station VG02 dient zur Versorgung der Becken 7-14 der Schwachlastbelebung. Die erzeugte Luftmenge beträgt insgesamt ca. 100.000 Nm³/h. Ausgelöst durch einen nicht vorhersehbaren Ausfall in 2012 war eine zügige Ersatz- beschaffung erforderlich. Allerdings sollte geprüft werden, ob ein 1:1-Ersatz erfolgen sollte oder ob in diesem Zuge eine Modernisierung der gesamten Station sinnvoller war. Aufgrund einer Analyse der Betriebsdaten ergab sich, dass die bisherige Staffelung mit vier baugleichen Turboverdichtern ungünstig war (Bild 7). Einerseits waren ständig bis zu drei Maschinen in Betrieb und andererseits kam es aufgrund der bei gleich großen Aggregaten geringen Überdeckung an den Umschaltpunkten zu häufigen Schaltungen mit ungünstigen Auswirkungen auf das Regelverhalten der insgesamt 40 Regelstrecken der Luftverteilung der Belebungsbecken. 

Bild 7:

Es wurde entschieden, zwei Aggregate durch gleichartige, jedoch mit der nächsthöheren Baugröße zu ersetzen
(Bild 8). Dadurch werden mehrere erkannte Probleme in einem Zug behoben:

6. Zusammenfassung und Ausblick
Bei der Auswahl von Drucklufterzeugungsaggregaten ist die energetische Effizienz aufgrund der drastisch gestiegenen Strompreise heute das wesentliche Auslegungskriterium. Die Forderungen nach Betriebssicherheit und Verfügbarkeit einer gesamten Gebläsestation lassen sich durch die Kombination unterschiedlicher Aggregate mit einer auf die Lastfälle abgestimmten Staffelung erfüllen. Für die Auslegung einer Station oder Aggregategruppe sollte die Belastung im Istzustand ausschlaggebend sein, um die in der Vergangenheit oft aufgetretene Überdimensionierung zu vermeiden. Stattdessen sollte der Ausbau durch Vorhaltung von Platz- oder Leistungsreserven flexibilisiert werden. Vorrangiges Ziel muss dabei die Abdeckung des Betriebsbereiches mit der größten auftretenden Häufigkeit durch ein in diesem Bereich möglichst energieeffizientes Drucklufterzeugungsaggregat sein.

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