Energieoptimierung auf Kläranlagen - der neue Leitfaden des DWA-Landesverbandes Baden-Württemberg Dr. Peter Baumann Lehrerbesprechung 2009 der Kanal- und Kläranlagennachbarschaften des Landesverbandes Bayern

Organigramm / Vorstellung DWA FA-KA 13 „Automatisierung von Kläranlagen“ DWA AG-KA 6.5 „Belüftung und Durchmischung“ Abwassermeisterweiterbildung „Energiemanagement“ (2007 – 2008)

Einleitung I Stromkostenentwicklung eines Wasserverbandes in NRW

Einleitung II Energieoptimierung auf Kläranlagen Aktuelles Thema Leitfaden aus dem Jahre 1999 (ATV-Landesgruppe BaWü) Überarbeitung für 2008 im Auftrag des DWA-Landesverbandes Baden-Württemberg durch Dr. Manfred Roth und Dr. Peter Baumann Aktualisierung und Ergänzung Beibehaltung der Zielgruppe: Betriebspersonal Ü den Gesamtstromverbrauch seiner Anlage zu bewerten und das theoretische Einsparpotenzial insgesamt grob abzuschätzen Ü die energetischen Schwachstellen im Betrieb durch vergleichende Betrachtungen bzw. durch einfache Kontrollen und Messungen aufzuspüren sowie  die erkannten Schwachstellen mit den dazu vorgeschlagenen Mitteln soweit wie möglich selbst zu beheben oder aber die erforderlichen Maßnahmen dem Dienstvorgesetzten gegenüber sachlich zu begründen, damit diese möglichst zügig in die Wege geleitet werden.

Inhalt

Gesamtstromverbrauch Jahresmittelwert im Kalenderjahr Einwohnerspezifisch Bezugsgröße CSB oder BSB5 Ermittlung der maßgebenden Frachten Frachtgewichtet Stichproben der Abwasserkonzentration oft keine verlässliche Aussage 50% - Wert vs. (heißt nicht: immer niedriger als) Mittelwert (insbesondere bei extremen Verhältnissen) Bspw. ca. 190 Messwerte, 3 Jahre: 50%-Wert: 2.466 kg/d, Mittelwert : 2.766 kg/d (ca. 10 %) Bspw. 690 Messwerte, 2 Jahre: 50%-Wert: 23.073 kg/d, Mittelwert: 23.251 kg/d (ca. 2 %)

Gesamtstromverbrauch II Jahresmittelwert im Kalenderjahr Einwohnerspezifisch Bezugsgröße CSB oder BSB5 Ermittlung der maßgebenden Frachten Frachtgewichtet Stichproben der Abwasserkonzentration oft keine verlässliche Aussage 50% - Wert vs. als Mittelwert (insbesondere bei extremen Verhältnissen) Ermittlung bei kleinen Anlagen ohne 24-h-Probenehmer oft fehlende Genauigkeit

Toleranzwerte (kWh/(E*a))

Zielwerte (kWh/(E*a))

Orientierungswerte

Erfassung des Stromverbrauches Netzbezug über Zähler Daten des EVU Eigenstromerzeugung separat erfassen

Erfassung des Stromverbrauches Möglichkeiten der Erfassung · Direkte Messung des Stromverbrauchs einzelner Antriebe oder Verbrauchergruppen mittels eines vorübergehend installierten Drehstromzählers. ·  Kurzzeitmessung der elektrischen Leistungsaufnahme Pw einzelner Drehstromantriebe mittels Leistungsmesszange. Maßgebend ist die Wirkleistung in kW. ·  Überschlägige Berechnung des Stromverbrauchs (elektrische Arbeit) von Drehstrommotoren mit konstanter Drehzahl unter der Voraussetzung, dass die Stromstärke I gemessen wird (in der Gleichung steht [U · I · · cos] dann für die Wirkleistung Pw in kW) mit W = Pw · tB = [U · I · · cos] · tB . ·   sind Gruppenzähler (etwa für die Biologie) installiert, kann der Stromverbrauch einzelner Aggregate, die geregelt betrieben werden (etwa der Gebläse), auch über die Differenz zwischen dem Gesamtverbrauch und der Summe der Verbrauches der anderen Antriebe mit gleich bleibender Leistungs- bzw. Stromaufnahme (etwa Rührwerke und Schlammrückführpumpen) ermittelt werden.

Verbrauchergruppen

Grenzen für das Betriebspersonal erhöhter Aufwand für die Förderung von Abwasser ungünstige Topographie (tief liegende Sammler, geringes natürliches Gefälle in der Anlage) hydraulisch unnötig große Förderhöhen Anordnung von Becken über Grund, aufwändiges Anlagenkonzept (auch als Folge mehrerer Erweiterungen unter beengten Platzverhältnissen) sehr hohen Fremdwasseranfall erhöhter Aufwand für die Belüftung bei der Belebung überdimensionierte Anlagen zusätzliche Verfahrensstufen aufgrund erhöhter Anforderungen an die Abwasserreinigung (Filtration, Desinfektion etc.) oder die Schlammbehandlung (Desintegration, Trocknung)

Maßnahmen zur Senkung Stromverbrauch Voraussetzungen Transparenz bezüglich bezüglich der Energiesituation auf der Kläranlage durch Auswertung der verfügbaren Betriebsdaten und zusätzlich gewonnener Messwerte, qualifizierte und auch für energetische Fragen aufgeschlossene Betriebsleiter versierte Elektrofachkräfte mit Detailkenntnis der Anlagenelektrik gut ausgerüstete mechanische und elektrische Werkstätten falls erforderlich die Unterstützung der Unternehmensleitung ein auch in energetischen Einzelfragen ansprechbares Fachbüro Stromeinsparung nicht um jeden Preis Prozessstabilität und Betriebssicherheit haben stets Vorrang

Einfache betriebliche Umstellungen Massnahmenkatalog Einfache betriebliche Umstellungen (in direkter Zuständigkeit des Betriebspersonals) sowie den Einbau einfacher Steuerungen oder Regelungen (auf Initiative des Betriebspersonals, Ausführung durch Betriebselektriker oder externen Elektriker ohne/unter Einbeziehung eines Fachingenieurs)

Technische Grundausstattung Amperemeter und Betriebsstundenzähler zumindest bei allen Motoren mit einer Nennleistung  2 kW. auf Anlagen mit Elektrofachpersonal auch eine Leistungsmesszange (möglichst mit PC-Schnittstelle). für die wichtigsten Verbraucher/Verbrauchergruppen (> 10.000 kWh/a) eigene Stromzähler bei Anlagen mit Druckluftbelüftung mindestens eine Druckmessung (Manometer) in der Luftleitung Manometer auf der Druckseite von Pumpen, die in eine Druckleitung fördern und mehr als 50 kWh/d Strom verbrauchen (Einbau noch vor der Rückschlagklappe, auf passenden Messbereich achten: 0,1 bar = 10 m Druckverlust).

Belüftung Umsatzleistung der Nitrifikanten vs. Sauerstoffkonzentration

Belüftung Belüftersituation und Druckverluste

TS-Gehalt in der Biologie Sauerstoffverbrauch vs. Feststoffgehalt

Schneckenpumpen Betrieb im Bereich des optimalen Wirkungsgrades

Rücklaufschlammführung (Detailhinweise) Wenn die Regelung der Rücklaufschlammförderung proportional zum Zufluss erfolgt, kann insbesondere bei geringen Zuflüssen Energie gespart werden, ohne dass die Abwasserreinigung negativ beeinflusst wird. Aber auch hier ist das eingestellte Rücklaufverhältnis (oft 100 % vom Zulauf) zu hinterfragen. Eine Verminderung auf 60 – 90 % ist insbesondere bei guten Schlammindizes problemlos möglich. Auf eine schnelle, lineare Erhöhung der Rücklaufschlammführung bei einsetzendem Mischwasserzufluss sollte aus energetischen wie verfahrenstechnischen Gründen aber verzichtet werden. Vielmehr ist es sinnvoll, die zuflussabhängige Erhöhung der Rücklaufschlammführung nur zeitverzögert (15 – 35 Minuten) zu realisieren. Noch besser ist dabei eine kontinuierliche Schlammspiegelmessung, die als Störgrößen aufgeschaltet, zur Steuerung der Rücklaufschlammführung herangezogen wird. Bei einem guten Absetzverhalten kann somit bei Mischwasserzufluss auf eine Erhöhung des RLS-Stromes weitgehend verzichtet werden, ohne dass ein betriebliches Risiko besteht.

Energieeffiziente Motoren Einteilung in eff-Klassen – Grundsätzlich werden bei den Motoren drei Effizienzklassen eff1, eff2 und eff3 unterschieden. der Wirkungsgrade. In die Klasse eff3 fallen die konventionellen Motoren mit den üblichen Wirkungsgraden. Mit eff2 werden die im Wirkungsgrad verbesserten Motoren und mit eff1 die hocheffizienten Motoren bezeichnet. Die Kennzeichnung erfolgt mittels Logos:   

Energieeffiziente Motoren Einteilung in eff-Klassen – Grundsätzlich werden bei den Motoren drei Effizienzklassen eff1, eff2 und eff3 unterschieden. Die Zuordnung erfolgt anhand der Wirkungsgrade. In die Klasse eff3 fallen die konventionellen Motoren mit den üblichen Wirkungsgraden. Mit eff2 werden die im Wirkungsgrad verbesserten Motoren und mit eff1 die hocheffizienten Motoren bezeichnet. Die Kennzeichnung erfolgt mittels Logos:

Ergänzungsausstattung / Detailgestaltung Maßnahmen der Ergänzung Drehzahlregulierung von Motoren mittels Frequenzumrichter Tausch von ständig unterbelasteten Motoren gegen kleinere Aggregate, Zukauf kleinerer Aggregate zur Grundlastabdeckung Beschaffung von kontinuierlichen arbeitenden Messgeräten und Ersatz bei der Probenvorbehandlung Einbau verlustarmer Armaturen / Sonstige Maßnahmen Verfahrenstechnische Umstellungen Konstruktive Maßnahmen im Bereich der Nachklärung Konstruktive Maßnahmen im Bereich der Belüftung Detailgestaltung Verfahrenskonzeption Förderaggregate und Umwälzung Belüftung

Energiemanagement Energiemanagement Stromliefervertrag Lastabwurf ·  Auswertung des Lastverlaufes im Tagesgang (Leistungsdaten können in der Regel vom Energieversorger kostenfrei bezogen werden) · Analyse des Stromvertrages und Abschätzung der Bedeutung von Lastspitzen bei der Strompreisfindung ·        Ermittelung des aggregatspezifischen Reduktionspotenzials anhand der Verbraucherliste und der verfahrenstechnischen Randbedingungen (Möglichkeit der Außerbetriebnahme) ·        Prüfen von zusätzlichem Erzeugungspotenzial (BHKW) ·        Ermittlung des Einsparpotenzials ·        Ermittlung der Investitionskosten ·        Wirtschaftlichkeitsberechnung auf Jahreskostenbasis Die Implementierung eines Lastabwurfsystemes oder höherwertiger Energiemanagementsysteme wird in der Regel mit externer fachtechnischer Unterstützung erfolgen.

Nachhaltige Senkung des Stromverbrauches Risiken und Gefahren Nachhaltige Senkung des Stromverbrauches Sichere Einhaltung der Überwachungswerte  Kritische Anmerkungen im Text (Vorsicht, Warnhinweise)

Risiken und Gefahren II Negative Effekte der Stromeinsparung Betriebsabläufe Reinigungsergebnis Wesentliche Eingriffe mit der Wasserbehörde abstimmen Betriebsweise Reaktorvolumen

Zusammenfassung DWA - Leitfaden  Betriebspersonal (30 € / 24 € für DWA-Mitglieder) Anleitung zur Eigenhilfe Als „Kochrezept“ gestaltet Externe Beratung Energieanalyse (förderfähig nach FrWw in Baden-Württemberg – 50 %) Oft verknüpft mit verfahrenstechnischer Analyse AZV Kammerforst (28.500 E) Bad Mergentheim (50.000 E) Friedrichshafen (87.500 E) Königswinter (20.000 E) Kornwestheim (41.000 E) Leinfelden-Echterdingen (22.600 und 11.000 E) Nette (92.000 E) in Verbindung mit mathematischer Simulation der maßgeblichen Optimierungsvarianten Radolfzell (60.000 E) Rotenburg-Kiebingen (45.800 E) Rot am See (10.000 E)

Beispiele KA mit ca. 20.000 E KA mit 250.000 E KA mit 100.000 E Betrieb von 4 Rührwerke a`2,2 kW zusätzlich zur Belüftung  77.000 kWh/a KA mit 250.000 E Betrieb eines Rücklaufschlammbypasses mit 260 l/s (22.400 m3/d) zur Entnahme des ÜS-Schlammes mit ca. 1.000 m3/d KA mit 100.000 E RLS-PW mit 3 Pumpen, je 220 l/s – bei Betrieb von zwei Pumpwerken 270 l/s, bei Betrieb von drei Pumpen 290 l/s (Rohrleitung falsch dimensioniert)

Energieoptimierter Betrieb von Kläranlagen – die Provokation von Betriebsstörungen ? Nein – wenn man es „richtig macht“ Ja – „bei Energieeinsparung um jeden Preis – ohne die Beachtung verfahrenstechnischer Belange“ und dann .....

Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit