Nachlese Fachsymposium Biogasmotoren Teil 1

Fachsymposium Biogasmotoren 5.9.2018 .
Vorträge 1 bis 4

Das Fachsymposium Biogasmotoren greift aktuelle, technische Schwerpunktthemen für den Betrieb eines BKHWs auf. Diese werde von den Referenten in kurzen Vorträgen von 15 Minuten Dauer sehr pointiert dargestellt. Die Herausforderung besteht darin, das gewählte Thema möglichst eng zu begrenzen, damit die Expertise sich gut vermittelt. So lautet das Konzept des Fachsymposiums.

Ein langer Vortrag ist einfacher in der Vorbreitung, ein kurzer, knapper dagegen für 15 Minuten Dauer durchaus eine anspruchsvolle Übung. Nach den Rückmeldungen der Teilnehmer ist dies den Referenten in der zurückliegenden Veranstaltung gut gelungen. Dem zur Folge haben sich alle Teilnehmer über den perfekt eingehaltenen Zeitplan gefreut. Wer seine Themen aus Teilnehmerperspektive vertiefen wollte, hatte dazu in den Pausen gute Gelegenheit.

Teil 1 der Nachlese Fachsymposium Biogasmotoren beleuchtet nun die ersten vier Fachvorträge. Es geht in diesem Teil um

  • die Tücken komplexer Regelungstechnik,
  • Motorprobleme wegen des Kühlmittels,
  • Unterstützung des BHKW-Betriebes durch Gasmesstechnik und um
  • das Monitoring von Gasmotoren

Ohne fachkundige Unterstützung in der Regelungstechnik ist der Biogasanlagenbetrieb hoch riskant

Quelle: 8.2. Consulting AG

Den Reigen der Vorträge eröffnete Joachim Kohrt von der 8.2 Consulting AG. Die Schaltanlagen auf Biogasanlagen sind harten Einsatzbedingungen ausgesetzt. Außerdem erfahren diese mit der Zeit Erweiterungen und Aktualisierungen. Das Zusammenspiel von bis zu 20 Schaltanlagen ist dabei durchaus komplex. Damit wird auch eine Fehlersuche bei Ausfall einzelner Komponenten erschwert.

Neben den direkten Schäden und den dadurch verursachten Betriebsunterbrechungen droht auch der Verlust der Vergütung, wenn die Einstellung der Schutzgeräte und der Parameter nicht mehr den Anforderungen des Netzbetreibers entspricht.

Den Betreibern hilft nur eine peinlich genaue Dokumentation ihrer Anlagen einschließlich der eingesetzten Softwarestände. Von großer Bedeutung ist eine Überprüfung der Einstellungen alle vier Jahre und nach jeder Arbeit an der Regelungstechnik.

Aufmerksame Kühlmittelpflege und Inspektion der Kühlkreislauf-Komponenten verhindern gravierende Motorschäden

Quelle: ATEX Compressors GmbH

Lars Freyer von der ATEX Compressors GmbH berichtete aus seiner Gutachterpraxis über Motorschäden, die auf Mängel des Kühlmittels zurückzuführen waren. Der übermäßige Verschleiß des Kühlmittels sorgt in der Folge durch die Überhitzung der betroffenen Motorteile für Ausfälle durch Fressen der Bauteile. Dabei sind insbesondere Kolben, Kolbenringe und Laufbuchse hiervon betroffen.

Die Ausfallursachen des Kühlmittels sind vielfältig: sie reichen von Abgas im Kühlkreislauf über Leckagen bis hin zu defekten Entlüftern und zu niedrigem Kühlmitteldruck. Es besteht die Gefahr, dass sich Hitzenester in an den thermisch hochbelasteten Stellen bilden. Dadurch kommt es auch zu chemisch Veränderungen des Kühlmittels. Der ph-Wert des Kühlmittels sinkt und Dichtungen im Kühlkreislauf erfahren einen „sauren Angriff“. Die Abbauprodukte verengen in der Folge die Leitungsquerschnitte, sodass die Belastung für das Kühlmittel und die zu kühlenden Bauteile des Motors bis zum Ausfall anwächst.

Detaillierte Schadensbilder zeigten die verheerende Wirkung überlasteten Kühlmittels. Herr Freyer schloss seinen Vortrag mit Hinweisen an Betreiber, worauf diese selbst und ihre Servicepartner für intakte Motorkühlung achten sollten.

Gasmesstechnik zur Effizienzsteigerung und Prozesskontrolle

Aktivkohlefilter-Durchbruch Quelle: AWITE Bioenergie GmbH

Philipp Röhrer von der AWITE Bioenergie GmbH stellte die vielfältigen Einsatzbereiche der Gasmesstechnik in der Gärstrecke und der Gasaufbereitung einer Biogasanlage vor. Dabei geht es nicht nur um die Messung des Methan- und Schwefelwasserstoffgehaltes des Biogas. Für eine wirksame Prozesskontrolle der Gärstrecke werden auch die Wasserstoff- und Sauerstoffgehalte herangezogen, um Fehler in der Gärstrecke aufzudecken und kritische Betriebszustände zu vermeiden.

Mit der Messung der Wasserstoff- und Methangehalte lässt sich der Bedarf an Betriebsmitteln wie z.B. Spurenelementen optimieren. Automatisierte Messungen erleichtern die Dokumentation dieser Prozessgrößen. Betreiber erkennen so frühzeitig Störungen im Gärprozess und können bei Substratwechseln angemessen auf der Grundlage gemessener Werte reagieren.

Vor und hinter dem Aktivkohlefilterbehälter Schwefelwasserstoff zu messen, ermöglicht den Beladungszustand der Aktivkohle zu erfassen und schützt vor unbemerktem Durchbruch der Aktivkohle. Dies erspart teuere Schäden an allen gasführenden Motorteilen.

Umfassender Ansatz des Datenmonitorings von Biogas-BHKWs

Umfassendes Datenmonitoring
Quelle: H.G.S. GmbH

Welchen Umfang ein Datenmonitoring von BHKWs annehmen kann, zeigte Jörg Simon von der H.G.S. GmbH. Dem Unternehmen geht es nicht nur um die Darstellung der wichtigtsten Betriebsparameter eines Biogas-Aggregates, sondern auch um die Datenlage der BHKW-Peripherie einschließlich der Sicherheits- und Überwachungstechnik.

Dies schließt auch die organisatorische Unterstützung des Betreibers im Bereich

  • der Prüfpflichten,
  • der Emissionswerte und der
  • Betriebssicherheits- und Störfallverordnung

mit ein. Dieser integrative Ansatz geht damit auch über die Umsetzung betreiberbezogener Instandhaltungskonzepte deutlich hinaus.  Auf der Betreiberseite wird daher eine Vielzahl von technischen Schnittstellen notwendig, um diese Dienstleistungen nutzen zu können. Schon heute stehen Betreiber von Biogas-BHKWs vielfältigen regulatorischen Anforderungen gegenüber, die neben den technischen Anlagen-Problemen zu bewältigen sind. Dabei kann ein umfassendes Datenmonitoring Entlastung im Altag bringen, wenn die Schnittstellen von beiden Seiten bewältigt werden.

Ausblick auf Teil 2 der Nachlese Fachsymposium Biogasmotoren

Auf der einen Seite geht es mit 2 Beiträgen um die Wahl eines wirtschaftlichen Instandhaltungskonzeptes  . Auf der anderen Seite werden die Ursachen klopfender Verbrennung und der Einsatz von Retro-Fit-Maßnahmen  im Bereich der Motorsteuerung präsentiert. Auch im zweiten Stunden-Block der Nachlese Fachsymposium Biogasmotoren geht es um wirtschaftlich bedeutsame Fragen der Betriebsführung und der Technik.

Schadenprävention im Biogas-BHKW

Betriebsdatenanalyse als Instrument
zur Schadenprävention Quelle Pixabay

Am 5. September 2018 fand in Hamburg das Fachsymposium Biogasmotoren statt. Betreiber von Biogasanlagen, Gutachter, Motoren- und Komponentenhersteller, Servicebetriebe  sowie Planungsingenieure trafen sich zum fachlichen Austausch und zur Diskussion. Nach wie vor ist das Thema Schadenprävention im Biogas-BHKW ein wichtiges Thema für Betreiber. Mehrere Fachvorträge beleuchteten dieses Thema aus der Perspektive eines

  • eines Wartungsunternehmens, das Motor-Betriebsdaten online auswertet,
  • eines Messgeräteherstellers zur Gasanalyse und
  • eines Unternehmens der Automatisierungstechnik, die Motorsteuerungen für Gasmotoren entwickeln.

Dass es nach wie vor ein hohes Schadensaufkommen im Betrieb von Biogas-BHKWs gibt, zeigten Beiträge zu

  • den Tücken komplexer Regelungstechnik in BHKWs,
  • den Folgen mangelnder Kühlmittelpflege und Generatorwartung sowie
  • den Ursachen klopfender Verbrennung.

Zwei Beiträge zur Flexumsetzung und Planung von BHKW-Flexibilisierungen machten auf die Reduktion von Schnittstellen im Flex-BHKW aufmerksam: ein Packager mit Systemverständnis kann das Zusammenspiel von Biogasaufbereitung und Flexbetrieb besser abstimmen, dies dient ebenfalls der Schadenprävention.

In der Planungsphase einer Flexibilisierung benötigen Betreiber Unterstützung, um Risiken der geplanten Investition ebenso zu reduzieren wie den Zeitaufwand der Koordination und Abnahme vieler einzelner Leistungen.

Hinrich Neumann hat einen ersten kurzen Bericht für top agrar zum Fachsymposium Biogasmotoren erstellt.

Was Aktivkohle-Kosten treibt oder senkt

Jede Aktivkohle sieht schwarz aus, für den Nutzer einer Biogasanlage sind Unterschiede der Qualität der Aktivkohle nicht augenfällig. Sie werden erst spürbar, wenn die Nutzungsdauer nicht den Erwartungen entspricht und somit die Aktivkohle-Kosten steigen. Bei genauerer Betrachtung wird dann auch klar, dass die gewünschte Reinigung des Biogases von mehreren Faktoren abhängt. Hier ist die richtige Auswahl der Aktivkohle und die Optimierung der Betriebsbedingungen entscheidend.

Aktivkohle leistet im Betrieb Schwerstarbeit

Aktivkohle wird hauptsächlich zur Filterung des im Biogasmotor und im Katalysator unerwünschten Schwefelwasserstoffes (H2S) aus dem Biogas eingesetzt. Dazu wird eine möglichst große innere Oberfläche und auch ein ausgeprägtes, passendes Porensystem in der Aktivkohle benötigt (feine Poren), damit sich unerwünschte Schadstoffe anlagern können (Adsorption). Dies reicht im Falle des Schadstoffes H2S jedoch nicht aus. Es muss noch eine chemische Reaktion erfolgen, die H2S in elementaren Schwefel umwandelt und bindet.

Die Aktivkohle muss mit einem Katalysator „imprägniert“ oder „dotiert“ werden, damit diese chemische Reaktion beim Durchströmen des Biogases auch angestoßen wird. Die so behandelte Aktivkohle führt dann zu diesen gewünschten Reaktionen und Endprodukten:

  1. Aufspaltung von H2S zu Schwefel und Wasserstoff (in der Form von H2O)
  2. Oxidation des Wasserstoffes zu Wasser unter Nutzung des im Biogas enthaltenen Sauerstoffes.

Aktivkohle wird gezielt zur Filterung von H2S in ihren Merkmalen eingestellt, die bei anderen Schadstoffen ganz anders aussehen können. Damit dieser Prozess mit einer hohen Konvertierungsleistung (aus H2S wird Schwefel und Wasser) und damit einer hohen Beladungsleistung der Aktivkohle gelingt, wird ein enger Betriebs-Bereich für die relative Gasfeuchte (ca. 50%) und die Gastemperatur (ca.23°C) benötigt.

Um diesen chemischen Prozess vollständig ablaufen zu lassen, benötigt das Biogas eine Mindest-Verweilzeit im Aktivkohlebehälter. Das Biogas sollte innerhalb von 4-6 Sekunden die poröse Aktivkohleschüttung durchströmen. Bei einem großen Volumenstrom und einem zu kleinen Aktivkohlefilterbehälter würde die Verweilzeit zu gering werden: mangelnde Umwandlung des Schadstoffes H2S und geringere Beladungsleistung wären die Folge.

Es gibt keine „Vielzweck“-Aktivkohle, sie muss nach den jeweiligen Anforderungen genau ausgelegt sein. Schon im normalen Grundlastbetrieb stellen die Schwankungen des Schwefelwasserstoffgehaltes des Biogases, seiner Temperatur und relativen Feuchte die Aktivkohle vor hohe Anforderungen. Dies gilt erst Recht im Flex-Betrieb eines BHKWs mit den häufigeren Temperatur- und Feuchtewechseln.

Was die Wirkung der Aktivkohle begrenzt

  • Ohne Sauerstoff als Reaktionspartner für Schwefelwasserstoff kann keine Entschwefelung stattfinden (Sauerstoffgehalt im Biogas von < 0,4 % ist i.d.R. zu gering!).
  • Eine zu geringe relative Feuchte verkürzt die Standzeit der Aktivkohle stark und sorgt für frühe H2S-Durchbrüche. Daher ist eine zu starke Abkühlung (<5°C) und Trocknung auf weniger als 30 % relative Feuchte teuer (Stromverbrauch des Kühlaggregates) und kontraproduktiv.
  • Eine zu hohe relative Gasfeuchte (>80%) macht die Entschwefelungsreaktion langsam und sorgt für frühzeitige, kleine H2S-Durchbrüche
  • Kondensat im Aktivkohlefiltergehäuse führt zur Ablagerung des Schwefels an der Außenseite der Aktivkohlepellets und blockiert die Wirkung der inneren Oberflächen. Die Standzeit der Aktivkohle sinkt dramatisch. Zudem besteht die Gefahr des Verklumpens, was auch den Wechsel der Aktivkohle erschwert.

Wann sich Aktivkohle im Einsatz wohlfühlt    

Die Filterung unterschiedlicher Schadstoffe wie z.B. Siloxane oder Schwefelwasserstoff erfordert unterschiedlich Aktivkohleeigenschaften und unterschiedliche Gasbedingungen.

  • Siloxane benötigen (klassische Adsorption) eine möglichst geringe relative Gasfeuchte (< 30 %) bei möglichst geringer Temperatur (< 25°C).
  • Die Entschwefelung funktioniert optimal bei einer relativen Feuchte von 50% und Temperaturen größer als 15°C

Die nachfolgende Übersicht zeigt die unterschiedlichen Gasparameter und Aktivkohleeigenschaften. Leider schließen sich manche Anforderungen diametral aus, so dass unverträgliche Störstoffe in mehreren Reinigungsstufen ausgeschieden werden müssen. Dies begründet auch, warum Mehrzweck-Aktivkohle nicht funktionieren kann und es diese auch nicht geben kann.

Grundlagen der Schadstoffentfernung aus biogenen Gasen

Welche Faktoren die Standzeit der Aktivkohle erhöhen und die Aktivkohle-Kosten senken

  • Ein ausreichend groß dimensionierter Aktivkohlefilterbehälter (Verweildauer 4-6 Sekunden beim Durchströmen des Behälters mit der Schüttung) ,
  • Einstellung der geforderten Gasfeuchte durch Kühlung (auf ca. 10-12 °C) und nachfolgende Erwärmung um ca. 10-12 Kelvin,
  • Sauerstoffgehalt im Biogas, der zur H2S-Konzentration und zur relativen Feuchte passt (> 0,4 %),
  • Abscheidung von weiteren Störstoffen (wie z.B. Terpene) in einer vorgelagerten Reinigungsstufe.

Beladungsleitung als Funktion der Gas-Feuchte und des Sauerstoff-Gehaltes

Auf welche Qualitätsmerkmale der Aktivkohle Betreiber achten sollten

Neben der Klärung, welche Schadstoffe neben dem Schwefelwasserstoff im Biogas behandelt werden müssen – davon hängen die Auswahl der richtigen Aktivkohle, die notwendigen Reinigungsstufen und die Gaskonditionierung (Temperatur und Feuchte) ganz wesentlich ab – sind diese drei Qualitätskriterien bedeutsam:

  1. Eine große innere Oberfläche (viele, kleine Poren), die rasch das Gas aufnehmen kann und viel Raum zur Anlagerung von Schwefel bietet.
  2. Eine chemisch so modifizierte Aktivkohle, dass eine möglichst vollständige Umwandlung des Schwefelwasserstoffes zu Schwefel ermöglicht wird.
  3. Eine gleichmäßige Pelletstruktur mit hoher Abriebfestigkeit stellt einen geringen Druckverlust und wenig Abrieb beim Umfüllen sicher.

Bei den im Biogasanlagen-Betrieb immer wieder geäußerten Klagen nach hohen Aktivkohle-Kosten und geringen Standzeiten ist ein kritischer Blick nur auf die Aktivkohle nicht hilfreich, da die Einflussfaktoren auch stark von der Anlagenausstattung im Bereich der Biogasaufbereitung sowie von den Parametern der Gaskonditionierung abhängen. Eine Fachberatung kann hier dauerhaft Probleme mit Schadstoffen des Biogases lösen, Betriebskosten sparen und Schäden am Biogasmotor vermeiden.

Kontaktdaten zur NECATEC AG : Dipl.-Ing. Toralf Goetze und Dr.-Ing. Silvana Rossow, Bredeneyer Straße 2B, 45133 Essen, Telefon (Zentrale) 0201 / 61 20 43 97