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