im ausführlichen Artikel "Sicher pumpen und sparen - Festo

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Kläranlage Sindelfingen

Pneumatisch energieeffizienter Seite 62

HEFT-IM-HEFT

Umwelt 1/2011

QUELLE: FESTO


P&A UMWELT | ABWASSER-PUMPWERK

SICHER PUMPEN UND SPAREN

Der Energieverbrauch von Kläranlagen schlägt im Budget der Kommunen kräft ig zu Buche – mit

bis zu 20 Prozent Anteil an den Stromkosten. Ein Modernisierungsprojekt in der Kläranlage

Sindelfi ngen zeigt, wie mit pneumatischer Automatisierung mehr Effi zienz zu erzielen ist.

TEXT: Armin Müller, Festo; Hartmut Zerrer, Kläranlage Sindelfingen BILDER: Festo www.PuA24.net/PDF/PA311307

Rund 4.400 GWh verbrauchten deutsche

Kläranlagen 2006 an Strom, so die

Studie „Steigerung der Energieeffizienz

auf kommunalen Kläranlagen“ des Umweltbundesamts.

Besonders Belüftungseinrichtungen,

die großen Pump- und

Rührwerke sowie die Schlammbehandlung

benötigen viel Energie. Lediglich

865 GWh wurden dagegen aus der Verstromung

von Faulgas in den Kläranla-

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Energieeffizienz im Betrieb: die Tropfkörperanlage

im Klärwerk Sindelfingen

gen erzeugt – nur rund ein Fünftel des

gesamten Strombedarfs. Es ist davon

auszugehen, dass sowohl bei der Verringerung

des Stromverbrauchs, als auch

bei der Eigenstromerzeugung noch große

Potenziale vorhanden sind, die es zu

nutzen gilt. Das größte Potenzial zum

Energiesparen liegt sicher bei der Stromerzeugung

beispielsweise bei der Faulgasverstromung.

Nach den Ergebnissen

der UBA-Studie könnte die Stromerzeugung

künftig um bis zu 90 Prozent gesteigert

und damit ein bedeutender Teil

der benötigten Energie für die Kläranlagen

selbst hergestellt werden.

Nicht zu vernachlässigen ist jedoch

auch das Einsparpotenzial, das sich

durch Energieoptimierungen innerhalb

einer Kläranlage erzielen lässt. Es ist

P&A 03.2011


Aggregat-Anordnung vor dem Umbau: ständig offene Rückschlagklappen

verminderten die Förderleistung der Pumpen.

zwar prozentual geringer als die Steigerungsmöglichkeiten

bei der Eigenstromerzeugung,

aber der Absolutbeitrag einer

Stromeinsparung von nur 20 Prozent

entspricht einer Verdoppelung der Faulgasverstromung.

Zudem haben verfahrenstechnische

Optimierungen, die mit

stromsparenden Maßnahmen wie der

energieeffizienten Auslegung und Regelung

der Belüftung oder dem Einsatz

von Pumpenlaufrädern mit hohem Wirkungsgrad

einhergehen, oftmals weitere

positive Effekte auf die Funktion der

Kläranlage.

Pneumatik als energieeffiziente

Alternative

Energieeinsparungen sind in Kläranlagen

aufgrund deren gewachsener

Struktur oft nur durch viele Einzelmaßnahmen

und einen meist jahrelangen

Optimierungsprozess zu erreichen. Änderungen

an der Betriebsweise einer Anlage

werden vom Betreiber meist sehr

skeptisch betrachtet. Können jedoch im

Zuge der Energieoptimierung vorhandene

Probleme im Betrieb wie störanfällige

Pumpen oder eine schlechte Reinigungsleistung

beseitigt oder die Anlagensicherheit

erhöht werden, ist die Bereitschaft

dazu da – und die Erfolgsaussichten

der Maßnahmen sind sehr groß. Bei

jeder Maßnahme muss immer im Auge

behalten werden, dass die vornehmliche

Aufgabe einer Kläranlage die einwandfreie

Behandlung und Reinigung der Abwässer

ist, was möglicherweise mit dem

Ziel der besseren Energieeffizienz kolli-

P&A 03.2011

diert. Die Energieoptimierung muss aber

als integraler Bestandteil der Instandhaltung,

Modernisierung und Erweiterung

der Kläranlage gesehen werden. Werden

die Maßnahmen in laufende Optimierungs-

und Sanierungsmaßnahmen mit

einbezogen, ist der Mehraufwand jedoch

gering und der positive Energiespareffekt

ergibt sich „nebenbei“.

Eine wirtschaftliche Lösung bietet

die pneumatische Automatisierung. In

Kläranlagen werden Armaturen häufig

nur unregelmäßig oder über längere Zeit

gar nicht betätigt. Dies führt zu Ablagerungen

und Verbackungen und damit zu

erhöhten Losbrechmomenten oder Kräften.

Pneumatische Antriebe können diese

einfach durch eine Steigerung des

Luftdrucks überwinden. Sie sind ohne

Schaden bis zum Stillstand belastbar und

sind unempfindlich für Temperaturunterschiede,

Verschmutzung und Feuchtigkeit.

Außerdem benötigen sie lediglich

für die Steuerung und die Erzeugung

der Druckluft Strom und wirken direkt

auf das Absperrorgan. Die Pneumatik ist

dauerlastfest und bleibt über die gesamte

Lebensdauer wartungsfrei. Sie ist sehr

einfach zu installieren und vor allem bei

der Umsetzung kompletter Systemlösungen

wesentlich kostengünstiger als vergleichbare

elektrische Lösungen. Auch

was die Sicherheit angeht, bringt die

Pneumatik Vorteile: Die Druckluft steht

auch bei Ausfall der elektrischen Energie

zur Verfügung, da für die Erzeugung

und Aufbereitung neben einem Kompressor

immer auch ein Druckluftspei-

ABWASSER-PUMPWERK | P&A UMWELT

Nach dem Umbau: der Ersatz der Rückschlagklappen durch pneumatische

Automatisierung der Absperrschieber spart Energie.

cher vorhanden ist. Pneumatische Antriebe

verfügen über drei Notfunktionen

bei Spannungsabfall: Auf, Zu, Halt. Somit

ist eine situationsgerechte Funktion

der Armaturen jederzeit gewährleistet.

Musterbeispiel Sindelfingen

Wie eine pneumatische Automatisierungslösung

konkret umgesetzt wird

und welche Vorteile sie dem Betreiber

bietet, zeigt das Beispiel des Klärwerks

Sindelfingen. Es reinigt die Abwässer

von 250.000 Einwohnern. Neben der

mechanischen und biologischen Reinigungsstufe

sowie der Schlammbehandlung

wird hier als zusätzliche Reinigung

eine Flockungsfiltration nachgeschaltet,

um die Gewässergüte des Flusses Schwippe

zu verbessern. Derzeit befindet sich

eine Aktivkohlebehandlung in Bau, die

nach Fertigstellung der Flockungsfiltration

vorgeschaltet wird.

Die Armaturen mit ihren pneumatischen

Stellantrieben DLP bzw. DRD von

Festo sind überall in der Anlage verteilt

und teilweise schwer zugänglich. Anstatt

sie über Einzel-Vorsteuerventile anzusteuern,

entschied man sich für eine dezentrale

Lösung: Über Ventilinseln CPX/

MPA wurden die Antriebe an das Leitsystem

angebunden. Bei dieser Systemlösung

besteht nur eine einzige, klar definierte

und standardisierte Schnittstelle

von der Ventilinsel zum Feldbus. Das

modulare elektrische Terminal CPX erhöht

in Kombination mit den Ventilinseln

MPA die Anlagenverfügbarkeit –

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P&A UMWELT | ABWASSER-PUMPWERK

mit Wartungs- und Diagnosefähigkeiten.

Ein Elektronikbaustein ermöglicht eine

ventilspezifische Diagnose pro Ventilspule.

Er kann den Spulenstrom überwachen,

Unterspannung, Kurzschluss oder Leitungsunterbrechung

erkennen. Der integrierte

Diagnosespeicher hält diese Meldungen

mit Zeitstempel fest. Die Daten

werden über eine mehrfarbige LED am

Ventil, über ein Handheld (CPX-MMI)

direkt im Feld sowie über Feldbus oder

Ethernet (Web-Server) sichtbar.

Weitere Vorteile der Systemlösung

mit dezentralem Automatisierungskonzept

sind:

• Flexibilität durch Feldbus, leichte

Integration und Erweiterbarkeit;

• Zeitgewinn durch paralleles

Engineering von Baugruppen;

Sicherheit durch zuvor autark

getestete Baugruppen;

• reduzierter Installationsaufwand;

• maximale Anlagenverfügbarkeit

durch Systemdiagnose;

• Kosteneinsparung durch Systemlösung

gegenüber Einzelventillösung.

Das zentrale Pumpwerk der Kläranlage

Sindelfingen ist jetzt besonders energieeffizient.

Das Abwasser aus der

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Übersichtlicher und Platz sparend:

Pumpwerk nach dem Umbau. In der

Bildmitte die pneumatischen Stellantriebe.

Vorklärung wird in das Verteilungsbauwerk

für die sieben Tropfkörper gepumpt.

Dafür stehen sechs Kreiselpumpen

im Pumpenkeller zur Verfügung –

jeweils mit einer Leistungsaufnahme von

90 kW und einer Förderleistung bis 500

l/s bei einer Förderhöhe von 8 bis 9 m.

Zentrales Pumpwerk liegt vorn

Davon sind je nach Abwassermenge

bis zu fünf Pumpen in Betrieb, während

eine Pumpe als Redundanz vorgehalten

wird. Vor dem Umbau musste die Rückschlagklappe

ständig offen gehalten werden,

was allerdings die Förderleistung

um bis zu 10 Prozent verringerte. Außerdem

verkleinerte sich der freie Fließquerschnitt.

Wasserschläge traten auf,

wenn das Rückschlagventil schloss; dies

führte zu Vibrationen im Rohrleistungssystem.

Die Lebensdauer der Rückschlagklappen

beträgt ca. zwölf Jahre.

Der kontinuierliche Verschleiß wie etwa

auftretende Undichtigkeiten ist dabei

aber nicht erkennbar.

Zur Steigerung der betrieblichen Sicherheit

wurden die Rückschlagklappen

vollständig und funktional durch eine

pneumatische Automatisierung der be-

stehenden Absperrschieber ersetzt. Ein

zusätzlicher Druckluftspeicher wurde

installiert, um ausreichend Reserve zur

Betätigung der Absperrschieber – auch

für den Notfall – bereitzustellen. Die

gleiche Pumpförderleistung wird seit

dem Umbau mit wesentlich weniger

Ener gieaufwand erreicht. Pro Jahr werden

89.469 kWh eingespart. Das entspricht

einer gesamten Ersparnis für das

Klärwerk Sindelfingen von 2 Prozent der

jährlichen Energiekosten – und dies bei

einer Investition von nur 25.000 Euro.

Zudem ist die gesamte Struktur des

Pumpwerks wesentlich übersichtlicher

und die ganze Anlage benötigt weniger

Platz. Der Lärmpegel ist deutlich gesunken.

Da die Absperrschieber dicht schließen,

treten jetzt keine unerkannten Leckagen

mehr auf.

Der Anlagenbetreiber setzt auf Pneumatik

aufgrund der Dauerlastfestigkeit,

der langen Lebensdauer und der Überlastsicherheit

der pneumatischen Antriebe

beim Öffnen und Schließen der

Absperrschieber. In der Praxis bedeutet

das: einfache Handhabung sowie geringe

Störanfälligkeit und damit hohe Anlagenverfügbarkeit.


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P&A 03.2011

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