Abwasser aufbereiten: Ganzheitliche Effizienz auf Kläranlagen

Der vorliegende Artikel konzentriert sich auf potenzielle Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in Kläranlagen im Rahmen der Abwasser Aufbereitung. Dabei liegt der Fokus sowohl auf Fortschritten in der Gebläsetechnologie als auch auf der Nutzung von Abwärme mithilfe von Wärmepumpen mit denen Abwasser aufbereitet wird. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Technologien im Bereich Gebläse sowie Wärmepumpen detailliert beleuchtet. Anwendungsgebiete und wirtschaftliche Aspekte werden dabei eingehend betrachtet, um einen Einblick in die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung in Kläranlagen zu bieten.

Bild 1: Schraubengebläse zur Belüftung der Belebungsbecken

Potenzielle Effizienzmaßnahmen in Kläranlagen innerhalb der Abwassser Aufbereitung

Die elektrische Energie für die Belüftung beträgt in etwa 70 % des Gesamtenergieverbrauchs und ist eine wesentliche Stellschraube zur Steigerung der Gesamteffizienz. Durch die gezielte Optimierung von Gebläsen und deren Regelung, kann der spezifische Energieverbrauch weiter reduziert werden. Zusätzlich bietet die Abwärmenutzung aus dem Abwasser mit Hilfe von Wärmepumpen eine weitere Möglichkeit, die Gesamteffizienz zu steigern wenn wir Abwasser aufbereiten. Während der unterschiedlichen Reinigungsstufen kann Abwärme aus dem Abwasser mit Hilfe von Wärmetauschern genutzt werden, um Wasser für ein Heizsystem, Nah oder Fernwärmenetz aufzuwärmen. Diese gezielte Nutzung von Abwärme kann die Effizienz des gesamten Kläranlagenbetriebes deutlich erhöhen.

Gebläse zur Belüftung von Kläranlagen bei der Abwasseraufbereitung

Klassische Gebläseluftanwendungen erstrecken sich typischerweise im Bereich von etwa 0,3 bis 1,5  bar Betriebsüberdruck. Diese Druckerhöhungen können grundsätzlich durch verschiedene Verdichtungstechnologien erreicht werden. Allerdings variieren dabei Effizienz, Betriebs- und Investitionskosten. Es ist daher ratsam, die erforderliche Verdichtungsaufgabe genau zu analysieren und die möglichen Lösungen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg hinsichtlich Energieverbrauch, Zuverlässigkeit und Kosten zu bewerte und beispielsweise die Abwasser Aufbereitung möglichst effizient zu nutzen.

Abwasser aufbereiten: Ein Überblick von Gebläsen

Bild 2: Überblick von Atlas Copco Verdichtern auf Kläranlagen

Für die Druckluftversorgung im Bereich der Niederdruckanwendungen, die bei der Abwasseraufbereitung benötigt wird, können verschiedene Technologien (siehe oben) eingesetzt werden, darunter Drehkolben-, Schrauben- oder Turbogebläse. Diese Technologien können einzeln oder in Kombination verwendet werden, je nach den spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten der Anwendung. 

Drehkolbengebläse sind kostengünstig in der Anschaffung 

Drehkolbengebläse sind einfach in ihrer Technik und anfangs kostengünstiger im Vergleich zu Schrauben- oder Turbogebläsen. Allerdings kehrt sich dieser Kostenvorteil bald um, da sie mehr Energie benötigen. Sie werden durch einen Keilriemen angetrieben, der viel Wartung benötigt und Energie durch mechanische Übertragung verliert. Außerdem verringern Rückströmungen zwischen den Drehkolben und unvollständig gefüllte Förderräume die Effizienz. Nur etwa 90 % des Ansaugvolumenstroms können genutzt werden. Diese Gebläse sind für Betriebsdrücke bis etwa 1 bar geeignet. Aufgrund ihrer geringen Effizienz sind sie jedoch nicht empfehlenswert für die Abwasser Aufbereitung, wenn ein Druck von mehr als 400 bis 450 mbar erforderlich ist. Das Prinzip der ischoren Verdichtung, bei dem das Gas bei konstantem Volumen komprimiert wird, macht einen dauerhaften wirtschaftlichen Betrieb und damit auch die Abwasser Aufbereitung unrentabel.

Schraubengebläse: Effizient, zuverlässig und leise 

Schraubengebläse sind etwa um ein Drittel effizienter als entsprechende Drehkolbengebläse, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass sie nach dem Prinzip der inneren Verdichtung arbeiten und über einen Direktantrieb verfügen, bei dem Motor und Verdichterelement eine Einheit bilden. Die möglichen Druckerhöhungen liegen typischerweise zwischen 0,3 und 1,5 bar.

Bild 3: Bei dem Schraubengläse Typ ZS VSD+ mit permanent Magnetmotor handelt es sich um eine Verdrängermas

Das Schraubengebläse ist ebenfalls eine Verdrängermaschine und besteht aus Haupt- und Nebenläufern, die sich aufeinander zu bewegen und dadurch das Volumen zwischen Läufern und Gehäuse zu reduzieren. Jedes Schraubengebläse hat ein festes, integriertes internes Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Entladedruck, das auf einer genau festgelegten Geometrie basiert. Die Effizienz des Schraubengebläses steigt, je genauer der intern erzeugte Druck dem erforderlichen Betriebsüberdruck innerhalb der Abwasser Aufbereitung entspricht. Der Direktantrieb der Schraubengebläse wirkt sich nicht nur positiv auf ihren Wirkungsgrad aus, sondern reduziert auch die Störanfälligkeit und den Wartungsaufwand.

Turbogebläse: Effizient für konstante Luftbedarfe 

Bild 4: Turbogebläse sind Strömungsmaschinen, die einen Volumenstrom von bis zu 20.000 Nm³/h pro Aggregat erreichen

Für ein Turbogebläse (siehe Foto) fallen zunächst die höchsten Investitionskosten an. Es gibt jedoch – insbesondere im Bereich großer Volumenströme – Anwendungsfälle, bei denen ein Turbogebläse effizienter arbeitet als ein Schraubengebläse. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Druckluftbedarf relativ konstant ist und der Regelbereich entsprechend klein ist. Anders als bei Drehkolben- oder Schraubengebläsen handelt es 
sich bei Turbogebläsen um Strömungsmaschinen, die einen Volumenstrom von bis zu 20.000 Nm³/h pro Aggregat erreichen. 

Welches System ist das richtige für eine Niederdruck-Anwendung und für das Abwasser aufbereiten? 

Die in der Anschaffung günstigste Lösung führt nicht zwangsläufig zu den niedrigsten Betriebskosten. Es ist daher ratsam, bereits in der Konzeptionsphase nicht nur die Investitionskosten zu betrachten, sondern die gesamten Aufwendungen über den Lebenszyklus der Maschinen im Auge zu behalten. Es gibt keine allgemeingültigen Lösungen für den Niederdruckbereich. Jede Anforderung ist individuell zu betrachten und hinsichtlich Volumenstrom, Betriebsdruck und Bedarfsschwankungen zu analysieren. Eine detaillierte Bedarfsanalyse kann mit Unterstützung von Experten wie Atlas Copco, beispielsweise unter Verwendung des AirScan-Tools, durchgeführt werden. Vor allem der Volumenstrom und der Druck beeinflussen die benötigte Leistung und somit den Energieverbrauch.
Für jede Verdichtungsaufgabe existieren mehrere Lösungskonzepte, die hinsichtlich Kosten, Energieeffizienz und Betriebssicherheit verglichen werden sollten. Neben den Investitionskosten sollten auch der spezifische Energieverbrauch der Gebläse sowie die daraus resultierenden jährlichen Energiekosten und der Wartungsaufwand in die Amortisationsrechnung einbezogen werden. Dadurch ergibt sich die langfristig kostengünstigste und energieeffizienteste Lösung. In vielen Fällen kann sich eine höhere Investition in Schraubengebläse oder Turbogebläse lohnen, da die Betriebskosten bei diesen Systemen langfristig niedriger ausfallen.

Wirtschaftliche Betrachtung

Bild 5: Einsparpotential bei der Auswahl der Gebläse

Das Diagramm zeigt den Energieverbrauch einer exemplarischen Gebläsestation auf einer Kläranlage beim Abwasser aufbereiten. Der tatsächlich nutzbare Volumenstrom nach DIN1343 ist über der Gesamtleistungsaufnahmnach ISO1217 E aufgetragen. Die blaue Kurve zeigt den aktuellen Verbrauch, während der optimierte Verlauf durch den Einsatz von Schraubengebläsen Typ ZS VSD+ und Turbo ZB VSD+ in grün dargestellt ist. Durch die richtige Auswahl der Verdichter kann eine Einsparung von bis zu 40 % erzielt werden.

Bild 6: Amortisation der neuen Verdichter

Die Amortisation eines neu angeschafften Schraubengebläses und Turbos liegt, in etwa bei nur 1,3 Jahren. Der rote Abschnitt kennzeichnet eine Regellücke im Bestandsystem, in dem das vorhandene Drehkolbengebläse zu klein und der Turbo zu groß wäre, um einen Volumenstrom von 1.900 – 2.600 Nm³/h abzudecken. Die Folge einer solchen Regellücke ist ein häufiges Ein- und Ausschalten des Turbos, was zu einem erhöhten Verschleiß führt. Das ideale Regelverhalten kann durch eine übergeordnete 
Steuerung wie mit dem Optimizer 4.0 von Atlas Copco weiter optimiert werden. Hier wird immer das Aggregat angesteuert, welches im jeweiligen Betriebspunkt den niedrigsten Stromverbrauch aufweist.

Die Vorteile einer richtig ausgelegten Gebläsestation sind: 

• Energieoptimierung um bis zu 40 %, wodurch sich selbst die Investition in neue Verdichter in kurzer Zeit amortisiert.
• Vermeidung von Regellücken, was zu einer längeren Lebensdauer der Maschinen führt und eine Überhitzung der Verdichter bzw. der Gebläsestation durch häufiges Ein- Ausschalten und Abblasen verhindert.
  
  

Abwärmenutzung mit Wärmepumpen beim Abwasser Aufbereiten

Im Folgenden wird die Funktionsweise von Wärmepumpen und deren Anwendung in Kläranlagen bei der Abwasseraufbereitung beschrieben. Des Weiteren wird die Wirtschaftlichkeit für den Einsatz einer Wärmepumpe aufgezeigt. 

Funktionsweise der Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Maschine mit einem internen Kältekreislauf bestehend aus vier Arbeitsschritten:

◼ Verdampfung
◼ Kompression
◼ Kondensation
◼ Expansion

Bild 7: Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die Grafik zeigt beispielhaft die Kühlung eines Druckluftkompressors, die als Abwärmequelle für die Wärmepumpe dient. Diese Abwärme kann als nutzbare Wärme bei höheren Temperaturen wieder von der Industrie beispielsweise als Heizwärme oder Prozesswärme verwertet werden. 

1. Verdampfung 1 2
Die Wärmepumpe initiiert ihren Betriebszyklus mit der Verdampfungsphase. Hierbei erfolgt im Verdampfer die Umwandlung des zu Beginn flüssigen Kältemittels in einen gasförmigen Zustand durch die Zufuhr von Wärmeenergie von der Wärmequelle. Die Wärmequelle wird dabei abgekühlt. 
Diese Wärmeübertragung erfolgt mit Hilfe eines Wärmeübertragers dadurch, dass die Temperatur des Kältemittels niedriger ist als die der Wärmequelle. Es wird somit erreicht, dass die Abwärme auf das Kältemittel übertragen wird, wodurch dieses verdampft.

2. Kompression 2 3
Das verdampfte Kältemittel wird nun in den Kompressor geleitet. 
In diesem Schritt wird dem Kältemitteldampf durch mechanische Arbeit Energie zugeführt, wodurch Druck und Temperatur des Kältemittels steigen. Durch die Kompression wird die aufgenommene Wärmeenergie in eine Temperaturerhöhung gewandelt, die für die Wärmeübertragung an den Verbraucher geeignet ist. Das gasförmige Kältemittel verlässt den Kompressor als heißes Medium.

3. Kondensation 3 4
Das aufgeheizte und komprimierte Gas gelangt im nächsten Schritt in den Kondensator. In diesem Wärmeübertrager wird die gespeicherte Wärmeenergie des Kältemittels an den Verbraucher oder eine Wärmesenke abgegeben. Die übertragene Wärme kann vielfältige Anwendungen finden, beispielsweise in einem Heizsystem oder als Prozesswärme in industriellen Prozessen. Während dieses Prozesses kondensiert das Kältemittel erneut und nimmt einen flüssigen Zustand an, der jedoch weiterhin unter hohem Druck steht.

4. Expansion 4 1
Der letzte Schritt ist die Expansion des flüssigen Kältemittels mit Hilfe eines Ventils. Hier wird der Druck des flüssigen Kältemittels vor dem erneuten Eintritt in den Verdampfer reduziert. Dieser Druckabfall bewirkt eine erneute Teil-Verdampfung des Kältemittels und damit eine Abkühlung, wodurch es seinen ursprünglichen Zustand erreicht und der Zyklus von vorne beginnen kann. Diese Expansion erfolgt oft in einem Expansionsventil, das den Druck reguliert und somit die Menge des durch den Verdampfer fließenden Kältemittels steuert.

Zusammengefasst ermöglicht die Wärmepumpe durch die vier Phasen Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion einen effizienten Transport von Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur. Dieser Prozess ermöglicht eine umweltfreundliche und kosteneffiziente Nutzung von Umgebungswärme für Heiz- oder Kühlzwecke, was für das Abwasser aufbereiten vorteilhaft ist.

Die Leistungszahl der Wärmepumpe

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (COP) beschrieben, der das Verhältnis von Nutzwärme zur benötigten elektrischen Leistung angibt. Die Nutzwärme ist dabei die von der Wärmepumpe abgegebene Wärme, während die 
elektrische Leistung hauptsächlich durch den Kompressor verursacht wird. Die entsprechenden Energieströme sind in Bild 7dargestellt. Mathematisch wird der COP durch folgende Formel beschrieben:

Mit zunehmender Leistungszahl wird weniger elektrische Energie benötigt, um die gleiche Menge an Nutzwärme zu erzeugen. 
Die elektrische Leistung des Kompressors wird vor allem von den Temperaturen beeinflusst. Wenn das Temperaturniveau, das von der Wärmequelle zur Nutzwärme angehoben werden muss, höher ist, sinkt die Leistungszahl entsprechend, was bedeutet, dass mehr elektrische Leistung benötigt wird.

Effiziente Wärmeversorgung auf Kläranlagen

Die beiden Hauptwärmeabnehmer auf dem Klärwerk sind in der Regel Gebäude, Hallen und sanitäre Anlagen, die Heizwärme benötigen, sowie die Faulbehälter, die Prozesswärme für die Biogaserzeugung benötigen. Als potenzielle Wärmequellen stehen hauptsächlich das Abwasser und die Abwärme von den Verdichtern der Gebläsestation zur Verfügung. Die Temperatur des Abwassers variiert je nach Jahreszeit und liegt typischerweise zwischen 8°  C im Winter und 16°  C im Sommer. Durch die zusätzliche Nutzung der Abwärme von den Gebläsestationen kann das Temperaturniveau der Wärmequelle erhöht werden, da die Druckluftaustrittstemperatur üblicherweise auf ein Temperaturniveau von ca. 70 bis 80° C liegt. Inwieweit sich das Temperaturniveau der Wärmequelle dadurch erhöhen lässt, hängt von den Beträgen der einzelnen Wärmemengen ab.

Bild 8: Zentrales Wärmepumpenkonzept mit Abwasser und Druckluft als Wärmequelle

Im obigen Bild wird Konzept einer effizienten Wärmeversorgung auf Kläranlagen dargestellt. Zunächst erfolgt die Übertragung der Energie vom Abwasser mithilfe eines Abwasserwärmeübertragers auf Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch, welches im Folgenden als Arbeitsmedium bezeichnet wird. Anschließend strömt das Arbeitsmedium durch einen Luft/Wasser-Wärmeübertrager, wo die Wärme aus der Druckluft entzogen wird. Dabei kühlt sich die Druckluft ab, die für die Belüftung im Sandfang und Belebungsbecken benötigt wird. Das Arbeitsmedium dient dann als Wärmequelle 
für den Verdampfer der Wärmepumpe und kühlt sich dabei weiter ab. Anschließend steht das abgekühlte Arbeitsmedium erneut zur Verfügung, um die Energie aus dem Abwasser zu entziehen.

Die entzogene Wärme wird dann zusammen mit der elektrischen Leistung in der Wärmepumpe auf einem höheren Niveau bereitgestellt. Das erwärmte Wasser auf der Seite des Kondensators kann anschließend für das bestehende Heizsystem auf dem Klärwerk, für ein Nah- oder Fernwärmenetz und/oder für die Beheizung von Faultürmen genutzt werden. Im gezeigten Konzept (Bild 8) ist die Wärmepumpe zentral angeordnet, wobei die Wärmesenken an das Wärmenetz der Wärmepumpe angeschlossen sind. Alternativ kann auch ein Kältenetz vorgesehen werden, wobei die Wärmepumpen für jeden Verbraucher dezentral angeordnet sind und an das Kältenetz auf der Seite der Wärmequelle angeschlossen sind. Diese Variante ist in Bild 9 dargestellt. Der Vorteil des dezentralen Konzepts liegt in der Effizienz der Wärmepumpe, insbesondere dann, wenn mehrere Verbraucher unterschiedliche Temperaturanforderungen und unterschiedliche Wärmebedarfe haben. Ob ein zentrales oder dezentrales Wärmepumpenkonzept  für das Abwasser aufbereiten vorteilhafter ist, kann von mehreren Einflussfaktoren abhängen: Anzahl Verbraucher, Temperaturanforderung, Wärmebedarf, Investitionskosten, Betriebskosten, Infrastruktur, Wärmeverluste, etc. 

Bild 9: Dezentrales Wärmepumpenkonzept mit Abwasser und Druckluft als Wärmequelle 

3.4 Wirtschaftliche Betrachtung der Abwasser Aufbereitung

Dieser Abschnitt untersucht die wirtschaftliche Seite des zuvor beschriebenen Konzepts, das europäische Praxisrichtwerte und Betriebskosten betrachtet. Die Tabelle zeigt die verfügbaren Wärmequellen (Abwasser und Gebläseabwärme) sowie relevante Messwerte für den jeweiligen Zeitraum. Der Wärmeverbrauch wird vereinfacht als Gesamtwärmeverbrauch im Sommer und Winter angegeben. Die Nutzung der Gebläseabwärme hat im Winter wenig Einfluss auf die Temperatur, da hauptsächlich die Wärmepumpe genutzt wird.

Dabei wird das Wärmepumpenkonzept mit der Wärmeerzeugung durch einen erdgasbetriebenen Kessel verglichen, wobei folgende Parameter berücksichtigt, werden: 

• Erdgaspreis   0,08 €/kWh
• Kesselwirkungsgrad 90%

Die jährlichen Energiekosten für einen Erdgaskessel in Kombination mit Tabelle 1 belaufen sich auf etwa 511.000 €. Für die Wärmepumpe ergibt sich bei einer Vor- und Rücklauftemperatur des Arbeitsmediums am Verdampfer von 6°C/8°C eine Leistungszahl von etwa COP = 3. Die Vor- und Rücklauftemperaturen auf der Seite des Kondensators betragen 65°C/50°C. Die Rentabilität kann anhand des COP und der Energiepreise überprüft werden:

Eine positive Rentabilität liegt vor, wenn der COP größer ist als das Verhältnis von Strompreis zu Erdgaspreis. Die Einsparpotenziale pro Jahr bei verschiedenen Strompreisen sind wie folgt angegeben:

Die Amortisationszeit für ein Wärmepumpensystem liegt unter 5 Jahren bei einem Strompreis von 0,20 €/kWh. Bei einem Strompreis von 0,10 €/kWh amortisiert sich das Wärmepumpensystem in weniger als 2 Jahren.