Elektromotoren in Klär- und Biogasanlagen: Was braucht jeder Abschnitt entlang des Wasserwegs?

Stellen Sie sich zwei Motoren in derselben Kläranlage vor, die aus demselben Schaltanlagengebäude versorgt werden: einen Gebläsemotor, der Luft in das Belebungsbecken drückt und mit etwa 3000 U/min dreht, und einen Räumermotor, der die Brücke über dem Absetzbecken so langsam bewegt, dass eine einzige Umdrehung Minuten dauert. Beim einen geht es um Stromrechnung und Wärme, beim anderen um hohes Drehmoment bei sehr niedriger Drehzahl und um die Witterung. Was die Motorauswahl in einer Kläranlage erschwert, ist nicht eine einzelne schwere Anwendung, sondern dass so unterschiedliche Aufgaben auf demselben Gelände, in derselben Feuchte- und Gasatmosphäre und ohne Unterbrechung ablaufen.

Deshalb ist es sinnvoller, die Anlage nicht als Motorliste, sondern als Weg von Wasser und Schlamm zu lesen. Im Folgenden betrachten wir der Reihe nach – vom Zulauf des Abwassers bis zur Schlammentwässerung – was in jedem Bereich vom Motor erwartet wird, was vor Ort schiefgeht und welche Angaben für die Bestellung nötig sind.

Zulaufbauwerk: Rechen und Hebepumpen

Das Abwasser gelangt meist über ein Hebewerk in die Anlage. Dort trennen Grobrechen und Feinsiebe die Feststoffe ab, und Hebepumpen fördern das Wasser auf das Niveau, von dem aus es den Rest der Anlage versorgt. Rechenreiniger sind Getriebeantriebe mit geringer Leistung und Aussetzbetrieb; ihre eigentlichen Probleme sind Nässe, Spritzwasser und Blockieren. Verhakt sich der Rechen an einem Stein oder einem Stoffknäuel, blockiert der Motor; in diesem Fall muss der Schutz den Motor schnell abschalten.

Der Charakter der Hebepumpen wird dagegen von den Schwankungen des Zuflusses im Tagesverlauf bestimmt. Zwischen den Spitzenzuflüssen am Morgen und Abend und dem Nachtzufluss gibt es große Unterschiede; daher schalten entweder mehrere Pumpen gestuft zu, oder die Drehzahl wird per Frequenzumrichter angepasst. Bei Kreiselpumpen in trocken aufgestellten Schächten kann ein Standard-Drehstrom-Asynchronmotor eingesetzt werden. Bei Tauchpumpen im Nassschacht ist der Motor in die Pumpe integriert und ein Produkt des Pumpenherstellers.

Ein häufiger Fehler im Hebewerk ist, dass die Pumpe wegen einer Verstopfung auf der Saugseite trocken oder mit sehr geringem Volumenstrom läuft. Der Motorstrom sinkt, doch das Motorschutzrelais erkennt dies nicht. Eine Schutzfunktion, die Unterstrom erkennt, erfasst diesen Zustand; wie dieser Schutz eingestellt wird, haben wir im Beitrag zu den Funktionen von Motorschutzrelais beschrieben.

Belüftung: das Energiezentrum der Anlage

In der biologischen Reinigung sind die Gebläse, die den Mikroorganismen Sauerstoff zuführen, in den meisten Anlagen die größten Energieverbraucher. Seitenkanalgebläse werden meist mit 2-poligen Motoren, Drehkolbengebläse (Roots-Bauart) überwiegend über Riementrieb mit 2- oder 4-poligen Motoren angetrieben. Details zur Motorauswahl nach Gebläsetyp finden Sie im Beitrag zur Auswahl von Gebläsemotoren; hier betrachten wir die klärwerksspezifischen Punkte.

Der Bedarf an gelöstem Sauerstoff im Becken ändert sich im Tagesverlauf. Ein an einen Sauerstoffsensor gekoppelter Frequenzumrichter senkt die Gebläsedrehzahl auf den tatsächlichen Bedarf und verringert so den Energieverbrauch. Verdrängermaschinen wie Drehkolbengebläse benötigen jedoch – anders als Radialventilatoren – auch bei niedriger Drehzahl ein nahezu konstantes Drehmoment. Läuft der Motor lange bei niedriger Drehzahl, liefert der Wellenlüfter unter Umständen keine ausreichende Kühlung, und ein Fremdlüfter kann erforderlich sein; dieser Bedarf sollte in der Bestellphase abgefragt werden.

Da Gebläsemotoren den größten Teil des Jahres laufen, schlägt sich die Wirkungsgradklasse direkt in den Betriebskosten nieder. Beispielsweise liegt die Wirkungsgradgrenze bei einem 4-poligen 37-kW-Motor für IE3 bei 93,9 %, für IE4 bei 95,2 % und für IE5 bei 96,1 %. Bei einem ganzjährig laufenden Gebläse kann dieser Unterschied von wenigen Prozentpunkten über die Lebensdauer des Motors die Differenz im Kaufpreis deutlich übersteigen. Wie die Einsparung in Verbindung mit einem Umrichter berechnet wird, zeigt der Beitrag zur Energieeinsparung mit Frequenzumrichter an Beispielen.

Das Gebläsegebäude ist meist geschlossen und warm. Die Baureihen von HEM Motor liefern ihre Bemessungswerte bis +40 °C Umgebungstemperatur; in einem schlecht belüfteten Gebläseraum kann diese Grenze im Sommer überschritten werden. Dann wird entweder die Raumbelüftung verbessert oder der Motor eine Leistungsstufe höher bzw. mit Leistungsreduzierung ausgewählt.

Absetzbecken und Räumer: langsame, aber unaufhörliche Last

In Vor- und Nachklärbecken sammeln drehende oder hin- und herfahrende Brücken den abgesetzten Schlamm am Boden. Der Antriebsmotor hat eine geringe Leistung, die Abtriebsgeschwindigkeit ist jedoch sehr niedrig; deshalb werden Getriebe mit hoher Übersetzung oder mehrstufige Zahnradanordnungen verwendet. Der Antrieb zum Brückenrad liegt im Freien: Regen, Schnee, Sonne und Frost sind die täglichen Bedingungen für den Motor. Der Motor wird vertikal oder horizontal, meist per Flansch an ein Getriebe angebaut.

Bei diesen Antrieben treten zwei Fehler häufig auf. Erstens sammelt der im Freien betriebene Motor bei langen Stillständen Kondenswasser, und nach einem Winter ist der Isolationswiderstand gesunken; hier sind eine Stillstandsheizung und die richtige Ausrichtung des Klemmenkastens wichtig. Zweitens wird die Brücke belastet, wenn sich im Winter Eis auf der Beckenoberfläche bildet. Bei einem Antrieb ohne Drehmomentbegrenzer oder Überlastschutz wirkt diese Last direkt auf Getriebe und Motor.

Schlammlinie und Faulturm: Begegnung mit dem Gasbereich

In der Schlammlinie ändert sich der Charakter. Schlammpumpen sind überwiegend Verdrängerpumpen (Exzenterschnecken- oder Drehkolbenpumpen) und benötigen beim Anlauf ein hohes Drehmoment; anders als bei der Kreiselpumpe nimmt ihr Drehmoment auch bei niedriger Drehzahl nicht ab. Wird die Drehzahl per Umrichter eingestellt, muss der Motor das konstante Drehmoment bei niedriger Drehzahl ohne Kühlprobleme liefern können.

Im anaeroben Faulturm wird das Biogas erzeugt. Die Rührwerke im Behälter und die Schlammumwälzpumpen laufen ununterbrochen. Ein Teil der Rührwerke im Behälter ist als Tauchrührwerk ausgeführt, deren Motoren Produkte des Rührwerkherstellers sind; bei Rührwerken mit Welle, die vom Behälterdach herabführt, stehen Motor und Getriebe dagegen auf dem Behälter. Behälterdach, Gashaube, Gasleitung, Gasspeicher und der Bereich um das Blockheizkraftwerk können wegen des Methans als explosionsgefährdeter Bereich eingestuft sein.

An dieser Stelle ist Klarheit nötig: Die Zoneneinteilung erfolgt über das Explosionsschutzdokument der Anlage, und in diesen Zonen dürfen nur für die jeweilige Zone zertifizierte Ex-Motoren eingesetzt werden. Ein Standardmotor darf in einer Ex-Zone nicht verwendet werden, ganz gleich, wie hoch seine IP-Schutzart ist. Ex-zertifizierte Motoren sind nicht Bestandteil des HEM Motor Katalogs 2026; für den Bedarf in diesen Zonen sollte mit einem Hersteller zusammengearbeitet werden, der zertifizierte Produkte liefert. Die Logik der Zoneneinteilung haben wir im Beitrag „Wann ist ein Ex-Motor Pflicht?“ in Grundzügen beschrieben. Für Hebe-, Belüftungs-, Absetz- und Entwässerungseinrichtungen außerhalb der Zonen derselben Anlage werden Standard-Industriemotoren eingesetzt.

Entwässerung: Dekanter, Pressen und Schnecken

Dekanter und Bandfilterpressen, die das Schlammvolumen verringern, sind die mechanisch am stärksten beanspruchten Maschinen der Anlage. Beim Dekanter beschleunigt der Hauptantrieb eine große Trommel auf hohe Drehzahl; die Hochlaufzeit ist lang, und der Motor muss eine Last mit hohem Trägheitsmoment beschleunigen, ohne zu überhitzen. Die Hochlaufzeit sollte bei der Auswahl von Motor und Anlaufgerät gesondert geprüft werden. Der Hilfsantrieb sorgt für die Differenzdrehzahl zwischen Trommel und Schnecke und wird meist per Umrichter geregelt.

Schneckenförderer, die den entwässerten Schlamm transportieren, sind Getriebeantriebe mit niedriger Drehzahl und neigen zum Blockieren. Mit wechselnder Schlammkonsistenz schwankt das Drehmoment; ein Getriebe mit hohem Betriebsfaktor und ein Schutz, der Blockieren erkennt, verlängern hier die Lebensdauer. Geeignete Baugrößen für diese Antriebe finden Sie auf der Seite Schneckengetriebe.

Drei Themen, die die gesamte Anlage betreffen

Schwefelwasserstoff und Korrosion

Schwefelwasserstoff aus dem Kanalgas konzentriert sich vor allem im Zulaufbauwerk, im Hebewerk und im Schlammgebäude. Dieses Gas greift Kupfer und Metalloberflächen an; Klemmenanschlüsse, Kabelenden und Gehäusebereiche mit Lackschäden sind zuerst betroffen. Bei der Motorauswahl für schlecht belüftete, geschlossene Räume sollten Lacksystem, dichte Kabeleinführungen und Schutz des Klemmenkastens von Anfang an angegeben werden. Die Motoren von HEM Motor sind elektrostatisch pulverbeschichtet; zusätzlicher Schutz für stark korrosive Umgebungen sollte in der Bestellphase besprochen werden.

Redundanz

Eine Kläranlage darf nicht stillstehen; Hebepumpen und Gebläse laufen meist redundant. Steht die Reserveeinheit wochenlang still, ist auch sie Kondensations- und Lagerproblemen ausgesetzt. Werden Pumpen und Gebläse abwechselnd betrieben, gleicht das die Betriebsstunden aus und zeigt zugleich, dass die Reserve tatsächlich betriebsbereit ist.

Dauerbetrieb und Überwachung

Der Großteil der Hauptausrüstung arbeitet im Dauerbetrieb S1. Bei großen Gebläse- und Pumpenmotoren zeigen PTC- oder PT100-Wicklungsfühler einen Temperaturanstieg an, bevor es zum Ausfall kommt. Diese Fühler können in der Bestellphase als Option angefordert werden.

Fazit

Der Motorbedarf in einer Klär- oder Biogasanlage ändert sich Abschnitt für Abschnitt entlang des Weges von Wasser und Schlamm: im Hebewerk schwankender Zufluss und Trockenlauf, in der Belüftung Energie und Kühlung bei niedriger Drehzahl, im Absetzbecken Witterung und sehr niedrige Geschwindigkeit, in der Schlammlinie konstantes Drehmoment und Gasbereich, in der Entwässerung langer Hochlauf und Blockieren. Wenn Sie mit dem Einlinienschaltbild und der Zoneneinteilung Ihrer Anlage eine Bewertung für die Motoren außerhalb der Ex-Zonen wünschen, können Sie sich an uns wenden.

Häufig gestellte Fragen

Müssen alle Motoren einer Biogasanlage Ex-zertifiziert sein?

Nein. Ex-Motoren sind nur an Stellen erforderlich, die im Explosionsschutzdokument der Anlage als Zone eingestuft sind; typische Beispiele sind Faulturmdach, Gasleitung und Gasspeicher. In Bereichen außerhalb der Zonen wie Hebewerk, Belüftung und Entwässerung werden Standard-Industriemotoren eingesetzt.

Kann der Belüftungsgebläsemotor mit Frequenzumrichter betrieben werden?

Ja, die Drehzahlanpassung nach Sauerstoffbedarf ist eine verbreitete Methode zur Energieeinsparung. Da Drehkolbengebläse auch bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment benötigen, sollte bei langem Betrieb mit niedriger Drehzahl geprüft werden, ob die Kühlung ausreicht; gegebenenfalls ist ein Fremdlüfter in Betracht zu ziehen.

Warum fällt der Räumermotor häufig aus?

Bei diesen Motoren, die im Freien arbeiten und lange mit geringer Last laufen, sind Kondensation und die Belastung durch Eis im Winter die häufigsten Ursachen. Stillstandsheizung, richtige Klemmenkastenausrichtung und Überlastschutz verhindern den Großteil der Ausfälle.

Wie erkennt man, dass der Hebepumpenmotor trocken läuft?

Bei einer Pumpe, die trocken oder mit verstopfter Saugseite läuft, sinkt der Motorstrom deutlich unter den Normalwert. Da das Motorschutzrelais diesen Zustand nicht erkennt, ist ein Motorschutzrelais mit Unterstromschutz ein praktischer Weg, Schäden an Pumpe und Dichtung zu verhindern.