Funktionsüberwachung des Kat in BHKWs gefordert

Quelle: Emission Partner GmbH & Co.KG

Die 44. Bundesimmissionsschutz-Verordnung verlangt von BHKW-Betreibern ab einer Feuerungswärmeleistung von 1 MW pro BHKW den Nachweis, dass Abgasbehandlungsanlagen wirksam betrieben werden. Dies bedeutet nicht nur den Nachweis, dass ein Katalysator verbaut ist. Sondern dass dieser auch durchgehend im Motorbetrieb die geforderten Schadstoffe reduziert. Für den Einsatz von Gasmotoren ab ca. 400 kW el. Leistung ist mit gemessenen Abgaswerten nachzuweisen, dass die Funktionsüberwachung des Kat (Oxikat, SCR-Kat) funktioniert.

Die jährliche Messung von Schadstoffen, wie z.B. Kohlenmonoxid und Stickoxide, durch den Umweltgutachter reicht nicht mehr für den gesetzeskonformen Betrieb des BHKWs aus. Die 44. BImschV ist seit dem 20. Juni 2019 in Kraft und gilt. Die praktische Umsetzung dieser Verordnung ist  BHKW-Betreibern und vielen BHKW-Herstellern dagegen nicht klar.

Funktionsüberwachung des Kat aktuell nicht umsetzbar

Es ist daher zu erwarten, dass prüfende Behörden den nachweispflichtigen Betreibern Übergangsfristen einräumen werden, bis zu denen technische Lösungen installiert sein müssen. Zur Zeit sind noch keine praktikablen Lösungen am Markt erhältlich.

Behörden erwarten diese Daten von Betreibern. Die Berichtspflicht für Betreiber von BHKWs ist mit der Veröffentlichung des Verordnungstextes im Bundesanzeiger bereits entstanden. Die Aggregate, die unter diese Verordnung fallen, sind vom Betreiber darüberhinaus anzumelden und zu registrieren.

Betreiber sind verpflichtet – wo sind Lösungen?

Auch wenn Betreiber vom Gesetzgeber zum Funktionsnachweis verpflichtet sind, richtet sich der Blick auch auf Motoren- und BHKW-Hersteller. Diese sollten ihre BHKW-Kunden mit passenden Produkten und Dienstleistungen diesbezüglich unterstützen. Die weit überwiegende Mehrheit der Hersteller hat dieses Thema aber noch nicht im Markt erkennbar aufgegriffen.

Es geht dabei um zwei Themen:

  1. Wie soll Nachweis einer funktionierenden Abgasnachbehandlungsanlage (Katalysator: je nach Anforderung Oxikat oder SCR-Kat) technisch erbracht werden?
  2. Sichere Erhebung und Speicherung der Messdaten zur Dokumentation der Funktionsüberwachung des Kat für einen geforderten Zeitraum von 6 Jahren.

Herstellerneutrale Messung und Dokumentation oder Fabrikatslösung

Vor dem Hintergrund der Motoren- und Herstellervielfalt dürfte es gerade für Betreiber mit einem gemischten Maschinenpark anzustreben sein, dass einheitliche Berichte pro Motor technisch ohne großen Aufwand erstellt werden können. Eine herstellerübergreifende Lösung könnte daher auch unter Kosten- / Nutzen-Gesichtspunkten von Vorteil sein.

Zur Zeit entsteht der Eindruck, dass es die meisten Motoren-Hersteller nicht sonderlich eilig haben, herstellerspezifische Lösungen für Ihre Motoren- und BHKW-Typen zu entwickeln. Möglicherweise wird hier eher eine Kooperationsstrategie mit kompetenten Komponentenherstellern gefahren. Für die Erstausrüstung und eine Nachrüstung von Bestandsanlagen könnten für den Betreiber praktikable Lösungen entstehen, ohne dass Hersteller eigene Entwicklungsbudget mit dieser Anforderung des Gesetzgebers belasten müssen.

Eine modular an unterschiedliche Einbausituationen im BHKW anpassbare Lösung würde aus Betreibersicht für den herstellerübergreifenden Ansatz sprechen. Zumal der Betreiber dann auch nicht auf sehr unterschiedliche Realisierungszeiten der Motoren-Hersteller warten müsste. Der Gesetzgeber macht der Branche zeitlichen Druck zur zügigen Umsetzung. So werden Anbieter, die die Anforderung umfassend erfüllen und nicht bei einer unzureichenden „Verplombung“ des Kat stehenbleiben, im Markt vorn liegen.

Messlatte für eine Funktionsüberwachung des Kat liegt hoch

Aus Kundenperspektive bedeutet das „Produkt“ Funktionsüberwachung des Kat, dass ein Anbieter profunde Kenntnisse der Abgasnachbehandlung und der damit verbundenen Messtechik benötigt. Hinzukommt nicht nur die Messung und Datenerhebung relevanter Schadstoffbestandteile im Abgas des Gasmotors. Manipulationssichere Speicherung der Betriebsdaten und ihre Auswertung für das geforderte kontinuierliche Berichtswesen sind anspruchsvolle Dienstleistungen. Diese müssen den Anforderungen der DSGVO entsprechen. Und darüberhinaus auch weitestgehend automatisiert bereitgestellt werden, um eine Kosten sparende Lösung bereitzustellen.

Als einer der ersten Anbieter hat Emission Partner diese Herausforderung im Markt angenommen und gibt dem Betreiber einen Überblick über sein Lösungskonzept:

  • Integration der Messtechnik in die bestehende Katalysatortechnologie und
  • Einsatz cloudbasierter Datenbankanwendungen, um den Betreiber in seinen Berichtspflichten zu unterstützen.
  • „Software as a Service“ vermeidet hohe Anfangsinvestitionen beim Kunden und
  • die notwendige Hardware in Form der eingesetzten Messtechnik wird mit einer Leasinglösung bezahlbar gemacht

Einen ersten Überblick des konkretisierten Kundenangebotes zur Funktionsüberwachung des Kat finden Sie hier zum Download.

BHKW-Service auf dem Prüfstand

Umfrage 2019 für Biogas BHKW-Service

Das Thema BHKW-Service ist ein sehr mächtiges Thema, zu dem viele Betreiber erst einmal tief Luft holen müssen. Die Dinge laufen nicht überall rund. Dies erklärt dann die dunklen Mienen auf den Gesichtern der Betroffenen. Hersteller und Anlagenbauer aber auch reine Service-Betriebe sollten sich darüber im Klaren sein, was alles auf dem Spiel steht, wenn die Zufriedenheit des Service-Kunden nicht gegeben ist: es droht Kundenverlust, im schlimmsten Fall auch noch ein Wechsel des Herstellers und Anlagenbauers. Es kann also auch dem Hersteller nicht egal sein, was mit dem Service-Kunden passiert.

Mängel im BHKW-Service

Vorausgeschickt sei, dass die IG Biogasmotoren eher selten unaufgefordert begeisterte Zuschriften erhält, wie gut Regelwartungsarbeiten und Störungen vom beauftragten Serviceteam erledigt werden. Dies sollte der Normalfall sein, dafür bezahlt der Kunde. Ist es aber in gefühlt zu vielen Fällen leider nicht. Ob es eine positive Entwicklung in der Kundenzufriedenheit mit Blick auf den BHKW-Service gibt, soll eine aktuelle Umfrage unter BHKW-Betreibern klären.

Aufgefallen sind in den letzten Monaten unter anderem

  • „hängengebliebene“ Störungsbeseitigungen ohne Ergebnis bzw. mit der Empfehlung, doch auf einen neuen Motor umzustellen,
  • Wechsel und Vermischung von Betriebsstoffen anläßlich von Motorreparaturen, ohne zu klären, ob die Vermischung von z.B. Kühlmitteln zulässig ist und
  • der nicht sauber deklarierte Einsatz von gebrauchten Komponenten unbekannter Herkunft, wie z.B. Nockenwellen oder Zylinderköpfen sowie
  • fehlerhafte Analysen von Störungsursachen, Weiterbetrieb von Biogasmotoren mit dem Ergebnis von Folgeschäden bis hin zu Totalschäden

In vielen Fällen greift eine Servicevereinbarung zu kurz und deckt nur das Genset ab. Die für den Betrieb notwendige Anlagen-Peripherie von Gasgebläse, Biogasaufbereitung und Raumluftklimatisierung bis hin zu den Schaltschränken wird häufig ausgeblendet und fällt daher  bei den Betreibern oft unter den Tisch. In der Konsequenz entsteht hier ein Instandhaltungsstau, der später für teure Störungen verantwortlich ist.

Insbesondere mangelnde Pflege und Wartung von Wärmetauschern, Tischkühlern und Abgaswärmetauschern führen in der Praxis zu beträchtlichen Ärgernissen mit hohen Instandhaltungskosten. Betreiber sind daher gut beraten, mit dem Servicepartner den Leistungsumfang  detailliert abzuklären.

Service mit dem richtigen Leistungsumfang

Vereinbarungen mit Service-Partnern sind höchst individuell. Daher ist eine genaue Abstimmung der beiderseitigen Pflichten und Verantwortlichkeiten notwendig, um später darüber keinen Streit zwischen beiden Parteien zu riskieren. Es gibt nicht den einen optimalen Servicevertrag, der für jedes BHKW und für jede Anlage passt.

Die Zufriedenheit mit dem BHKW-Service entscheidet sich nicht an dem vereinbarten Preis pro Betriebsstunde des BHKWs. Sondern eher an dem gemeinsamen Verständnis, nach welcher Aufgabenverteilung Wartung und Instandhaltung an dem BHKW mit seiner Peripherie durchgeführt werden soll. Dies gilt auch für etwaige Risikoübernahmen durch den Servicepartner.

Bei Prüfungen von Serviceverträgen fehlen häufig Anlagen zum Vertrag wie z.B.:

  1. Auf welche Anlagenteile des BHKWs soll sich der Servicevertrag erstrecken?
  2. Nach welcher Checkliste verteilen sich die einzelnen Todos zwischen Betreiber und Service-Partner?
  3. Betriebsmittel-Vorschriften, Betriebsmittelver- und -Entsorgung sowie -Beschaffung

Aktuelle Umfrage zur Zufriedenheit des Service-Kunden

Die Umfrage enthält nur 3 Fragen, die sich auf die Bedeutung einzelner Beurteilungskriterien zum Service und auf ihre Erfüllung durch den Servicepartner erstrecken. In der dritten Frage geht es um ergänzende Anmerkungen der Betreiber zum Thema BHKW-Service. Bis Ende Juli werden die Bewertungen gesammelt und dann anonymisiert ausgewertet. IG Biogasmotoren wird dann den Vergleich zwischen den Ergebnissen der Umfrage 2017 und 2019 veröffentlichen. Zu den Fragen geht es hier.

Gasmotorenkonferenz 2019 in Dessau

Gasmotorenkonferenz in Dessau
am 11. und 12.4.2019

Am 11. und 12. April 2019 fand in Dessau-Roßlau zum wiederholten Male die 11. Gasmotorenkonferenz statt. Sie gab den Teilnehmern einen Überblick über die derzeitigen Entwicklungsrichtungen der Gasmotoren-Entwickler. Ausgerichtet wurde die zweitägige Konferenz von der gemeinnützigen Forschungs- und Entwicklungseinrichtung WTZ Motorentechnik mit Sitz in Dessau-Roßlau. Die rund 300 Teilnehmer kamen zum einen Teil aus Hochschuleinrichtungen, die sich mit Verbrennungskraftmaschinen beschäftigen. Und zum anderen Teil von Herstellern von Gasmotoren mit ihren Zulieferern und Komponentenherstellern.

Gasmotorenkonferenz mit Beiträgen auch für die Biogasbranche

Das Interesse der IG Biogasmotoren an dieser Gasmotorenkonferenz lässt sich leicht begründen, denn für die in der Biogasbranche eingesetzten Biogas-Blockheizkraftwerke geht es um den wirtschaftlichen Betrieb. Dazu gehören auch gute mechanische und thermische Wirkungsgrade der Aggregate, ohne dass die Zuverlässigkeit leidet. Außerdem fordert der Gesetzgeber schon in der nahen Zukunft die sichere Einhaltung der verschärften Emissionswerte. Und mit Blick auf das Thema Wasserstoffeinsatz als anteiliger Kraftstoff eines Gasmotors ist das Betriebsverhalten dieser Motoren natürlich ebenfalls interessant.

Simulationen und neue Entwicklungsmethoden helfen, nicht nur die Entwicklungskosten neuer Motoren zu senken. Entwicklungsprojekte kommen so auch schneller zur Marktreife, was dem Anbieter einen komfortablen Vorsprung im Markt verschaffen kann.

Gasmotorenhersteller unter Druck mit Blick auf Marktanforderungen

Jochen Fuchs (INNIO Jenbacher GmbH & Co AG) stellte die weiterentwickelte Baureihe 4 der Gasmotoren vor. Das V20 Aggregat bietet nunmehr 1600 Kilowatt elektrischer Leistung bei einer um 0,6 Meter reduzierten Motorlänge, was bei begrenzten Platzverhältnissen von Vorteil ist.

Der elektrische Wirkungsgrad verbessert sich um +1,1% Prozentpunkte, der thermische Wirkungsgrad um +0.8% Prozentpunkte (für den Erdgasbetrieb). Gleichzeitig sinken die Emissionen um 20% bei CO und 50% bei Kohlenwasserstoffen. Dank weiterentwickelter Komponenten ist eine große Revision statt nach  60.000 erst nach 80.000 Betriebsstunden fällig.

Frank Grewe (2G Energy AG) kündigte die neue 2G aura Baureihe an. Besonderes Merkmal sei unter anderem das Verbrennungsluftverhältnis 1 im Vergleich zu den zumeist eingesetzten Magermix-Gasmotoren mit einem Verbrennungsluftverhältnis von ca. 1,4 bis 1,7. Außerdem weist diese Baureihe sogenannte „Miller“-Ventilsteuerzeiten auf, die Spitzentemperaturen im Brennraum senken helfen. Dies erleichtert dann die Einhaltung der Abgasvorschriften in Verbindung mit einem Drei-Wege-Kat.

Hohe Wirkungsgrade der Motoren versus Zuverlässigkeit?

Kurt Schmidleitner (AVL List GmbH) gab den Teilnehmern der Gasmotorenkonferenz einen Ausblick auf die Entwicklungsziele der Gasmotoren, die in der Größenordnung von 500 Kilowatt bis 5 Megawatt elektrischer Leistung  in der dezentralen Energieversorgung zum Einsatz kommen.

Die nächste Generation von Gasmotoren findet sich in einem von starkem Wettbewerb gepägten  Marktumfeld wieder. Daher muss diese hohe Wirkungsgrade mit reduzierter Motorgröße, Gewicht und Kosten verbinden. Um hohe Motorwirkungsgrade kombiniert mit hoher Leistungsdichte zu erreichen, seien  Zünddrücke jenseits von 300 bar notwendig, so die Aussage von Schmidleitner.

Aus diesen Gründen müssten Konstrukteure eine Vielzahl von Herausforderungen meistern, die  den Zylinderkopf und dessen Kühlkonzept sowie die Integration der Vorkammer-Komponenten betreffen. Heute erhältliche Hochleistungs-Gasmotoren weisen bei einem Mitteldruck von 20 bis 22 bar maximale Zünddrücke von ca. 200 bar auf, die mittlerweile den Ensatz von Stahlkolben erforderlich machen. Die angestrebte Entwicklung in Richtung 30 bar lässt zwar noch höhere Wirkungsgrade erwarten. Aber die Anforderungen an den Turbolader zur Bereitstellung höheren Ladedrucks und an Zündsysteme für eine hohe Zündleistungen steigen ebenfalls.

Aus Sicht der Biogas-BHKW-Betreiber gibt es die Erwartung, dass sich diese Leistungsverbesserungen nicht negativ auf die Verfügbarkeit und Instandhaltungskosten der Aggregate auswirken. In der jüngsten Vergangenheit sind oftmals bessere Wirkungsgrade mit Problemen in der Zuverlässigkeit erkauft worden. Darunter hat die angestrebte höhere Wirtschaftlichkeit eines BHKWs dann oftmals erheblich gelitten.

Belastungssimulation mit hohem praktischen Nutzen

Zwei anläßlich der Gasmotorenkonferenz vorgestellte Forschungsarbeiten zeigten anschaulich, wie Simulationen den Entwicklungsaufwand für Bauteile oder Komponenten an Gasmotoren wirksam reduzieren können. Die Simulations-Ergebnisse ließen sich durch aufwendige Messungen an den betreffenden Bauteilen mit hoher Übereinstimmung bestätigen.

Im ersten Beispiel stellte Dr.-Ing. Sebastian Ohler (Caterpillar Energy Solutions GmbH in Verbindung mit der MET Motoren und Energietechnik GmbH) dar, wie sich die Temperaturbelastung eines Kolbens mit einer Modellierung der Wärmeübertragung an die Laufbuchse und das den Kolbenboden kühlende Motoröl einerseits modellieren und andererseits auch messtechnisch verifizieren lässt.

Gasmotorenkonferenz zeigt effiziente Simulationsmethoden

Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, wie eine Kolbenform zu optimieren ist, die den Spagat zwischen hoher thermischer und mechanischer Belastung und einer möglichst geringen Verkokungsneigung des Schmieröles bewältigt. Das neuartige Simulationsmodell und die spezielle Messtechnik ermöglicht Fortschritte in der Kolbenform. Diese führt einmal zur besseren Ableitung der im Verbrennungsprozess entstehenden Wärme an die umgebende Laufbuchse. Und zum anderen auch an das Schmieröl, ohne dass dies leidet.

Das zweite Beispiel beschäftigt sich mit der Stickoxidmessung und der Emissions-Optimierung im laufenden Motorbetrieb. Christoph Wesche (IFKM Institut für Kolbenmaschinen in Verbindung mit AVAT Automation GmbH) beschrieb die ersten Teilergebnisse eines längerfristigen Forschungsvorhabens zur innermotorischen Reduktion der NOx-Emissionen. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass die Stickoxid-Emissionen mit Hilfe vergleichsweise preisgünstiger Drucksensoren aus dem Verbrennungsdruckverlauf in jedem Zylinder gut abgeschätzt werden können.

Emissionsschätzung mit künstlichen neuronalen Netzen

Die Bildung von Stickoxid wird maßgeblich vom Verbrennungsluftverhältnis und vom Zündzeitpunkt beeinflusst. Mit der zylinderselektiven Zündzeitpunktverstellung besteht nun die Möglichkeit, die ungleichmäßigen Verbrennungsabläufe der Zylinder aneinander anzugleichen. Das Ergebnis ist eine ca. 10 prozentige Absenkung der Rohemission an Stickoxiden.

Die individuellen Beiträge eines jeden Zylinders hieran lassen sich über seinen  Verbrennungsdruck-Verlauf abschätzen. Dieser Druckverlauf kann über preisgünstige Sensoren am Motor gemessen werden. Statt teuerer Einzel-Gasmessungen erlaubt dieses Verfahren einen Rückschluss auf die zylinderindividuelle Stickoxid-Produktion. Die Messergebnisse an einem seriennahen Gasmotor belegen überzeugend die große Korrelation von Druckverlauf und Stickoxidemission.

Wirtschaftliche Methode, um Emissionen zu reduzieren

Den Entwicklern steht so ein kostengünstiges Messverfahren zur Verfügung, die Stickoxidemission pro Zylinder zu erfassen und nicht nur im Abgasrohr für alle Zylinder summarisch zu messen. In Verbindung mit einer ergänzten Motorsteuerung kann auf die Bildung der Stickoxide z.B. mit einer Verstellung des Zündzeitpunktes reagiert werden. Aus diesem Grund kommen dort künstliche neuronale Netze zu Einsatz, die das komplexe System der Stickoxidentstehung gut abbildet.

In der Konsequenz bedeutet dies für den Betrieb des Gasmotors, dass auf der einen Seite schon die Rohemissionen an Stickoxiden im Brennraum reduziert werden. Auf der anderen Seite sinkt der Verbrauch an Harnstoff im SCR-Kat. Zum Vorteil der Umwelt wird es zukünftig preisgünstige Messtechnik und intelligente Motorsteuerungen geben. Betreiber werden dann die gesetzlich geforderten Emissions-Grenzwerte bei geringen Betriebskosten einhalten können.

Anläßlich des Fachsymposiums Biogasmotoren am 5. 9. 2019 in Hamburg werden Referenten von der Gasmotorenkonferenz einzelne Themen vorstellen. Dies betrifft vor allen Dingen Produkte, die unmittelbar vor der Markteinführung stehen und für Betreiber von Biogas-BHKWs wirtschaftlich von Interesse sind. Nähere Informationen zur Veranstaltung und Möglichkeit zur Anmeldung besteht hier.