Biogas optimal verbrennen

Wenn Biogas optimal verbrennen kann, stärkt dies die BHKW-Effizienz

Hohe BHKW-Effizienz: Biogas optimal vebrennen

Wer sein Biogas-BHKW profitabel betreiben möchte, muss sein Biogas zu einem möglichst hohen Prozentsatz in elektrische und thermische Leistung umsetzen. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist, dass Biogas optimal verbrennen kann. Daher erhält der Verbrennungsprozess im Biogasmotor seine große Bedeutung. Die Anzahl der Störfaktoren ist in der Praxis leider groß. Neben dem Verschleiß der Bauteile im Brennraum spielen der Zustand und die Zusammensetzung von Biogas und Ansaugluft eine große Rolle. Ebenso der (Wartungs-) Zustand der dabei durchströmten Komponenten.

Biogas ist ein anspruchsvoller Kraftstoff, der problematische Bestandteile enthalten kann. Diese können dann im Biogasmotor zu Störungen führen. Die wichtigsten seien hier auf aufgelistet:

  1. Schwefelwasserstoff führt zur Versauerung des Schmieröles (mangelnde Feinentschwefelung), Schäden der Lager und zu hoher Korrosion
  2. Aus dem Fermenter mitgezogene feine Staubpartikel sorgen für hohen Laufbuchsenverschleiß
  3. Substratbestandteile können im Brennraum zu Quarzverbindungen oxidieren und den Verschleiß erhöhen (u.a. auch in Klärgasanlagen)
  4. Langkettige Kohlenwasserstoffe können die Klopfneigung des Motors erheblich verstärken (Abfallvergärung)
  5. Auskondensierende Feuchtigkeit des Biogases sorgt für ein Absetzen der Partikel im Biogas im Nulldruckregler und Gemischregler und führt dort zu Störungen.

Damit sind noch nicht alle Störfaktoren erfasst, die verhindern, dass Biogas optimal verbrennen kann. Eine ganze Reihe von Wartungsmaßnahmen und Betriebsdaten-Auswertungen allein in der Biogasaufbereitung sind erforderlich, um einen störungsfreienn Verbrennungsprozess zu gewährleisten.

Ohne Raumluft- und Ansaugluft-KIimatisierung drohen Motoren-Probleme

Biogasmotoren sind “Sensibelchen”, was allein schon die Ansaugluft-Temperatur angeht. Diese darf nicht zu hoch sein, anderenfalls droht gefährliches Motor-Klopfen. Mehr hierzu gibt es in unserem Technik-Spezial Motorklopfen. Die Temperatur darf aber auch nicht zu tief sein: mit frostkalter Luft und einem sehr dichten Biogas-Luftgemisch in Richtung Volllast zu fahren, bedeutete den sicheren Tod der Lager und damit einen Totalausfall des Motors. Deshalb verhindern kluge Motorsteuerungen genau dies und erzwingen eine starke Lastreduktion. Oder unterbinden gar den Motorbetrieb mit mehr als niedriger Teillast, bis ein ausreichend hohes Temperaturniveau im BHKW-Betriebsraum durch die Strahlungswärme des Motors erreicht ist.

Die üblicherweise im Sommerhalbjahr verstärkt auftretende Staubbelastung ist ein Verschleißtreiber der Laufbuchsen und hat neben erhöhtem Schmierölverbrauch und größerer thermischer Belastung des Motors auch zur Folge, dass eine Revision früher fällig wird. Eine zuverlässige Raumluftfilterung ist daher kein Luxus, sondern ein Beitrag zur Senkung der Instandsetzungs- und Betriebskosten.

Gut eingestellte Gasregelstrecke, damit Biogas optimal verbrennen kann

Selbst ohne Probleme bei der Gasaufbereitung und Nacherwärmung kann auf dem Weg durch die Gasregelstrecke in den Eintritt des Turboladers noch so viel passieren, dass es zu Störungen der Gemischbildung kommen kann. Kondensatbildung schon im Gasfiltergehäuse und saures Kondensat im Nulldruckregeler sorgen dort für starke Korrosion und Belastung mit Schmutzpartikeln des Biogases. In der Praxis zeigen sich dann Startschwierigkeiten und Leistungsschwankungen des Motors.

Die Magermixmotoren mit ca. 50 bis 80% Luftüberschuss zeigen nur dann ein ruhiges Laufverhalten, wenn alle Komponenten der Gasregelstrecke bis hin zur Zündanlage und zum Gemischkühler gut gewartet und korrekt eingestellt sind. Häufig werden Gemischregler zu “fett” eingestellt, um ein unruhiges Laufverhalten des Motors mit Zündaussetzern zu kompensieren, was auf der anderen Seite eine höhere thermische Belastung des Motors (bis hin zum Motorklopfen) mit sich bringt.

Was noch zum optimalen Verbrennungsprozess gehört

Wird der Gemischkühler nicht auf seine Kühlleistung überprüft und korrigiert, droht Ungemach. Dann überschreitet gerade im Sommerhalbjahr die Gemischtemperatur die zulässige Temperaturgrenze. Entweder reduziert die Motorsteuerung die Leistung oder es entsteht im schlimmsten Fall ein Motorschaden, der durch Motorklopfen verursacht wird. Dies tritt ein, wenn z.B. keine Klopfsensorik zum Motorschutz eingreifen kann.

Kolben thermisch überlastet durch Überhitzung im Brennraum

Kolben benötigt Schutz vor thermischer Überlastung

Soll Biogas optimal verbrennen, müssen Ölnebeldämpfe vom Brennraum ferngehalten werden. Dies erfolgt über eine Ölnebeldampfabscheidung mit entsprechendem Filter, der regelmäßig gewechselt werden muss. Ölnebel bildet sich nicht nur im Kurbelgehäuse des Motors, sondern auch bei undichtem Turbolader im Ausgang der Verdichterstufe und bei versprödeten Ventilschaftabdichtungen der Einlassventile des Zylinderkopfes.

Es gibt also viel zu tun – sowohl für den Betreiber, als auch für den Servicepartner, um einen störungsfreien und wirtschaftlichen Verbrennungsprozess des Biogases sicherzustellen. Ausführliche Tipps zur Abhilfe und Schadensprävention gibt es daher in unserem Online-Seminar “Optimaler Verbrennungsprozess im Biogasmotor”. Termine werden hierfür in Kürze freigeschaltet.

Prozesse im BHKW-Alltag

Prozesse zur Unterstützug der technischen Betriebsführung

Wartungsarbeiten am Biogas-BHKW

Es wäre ja zu schön, um wahr zu sein: das Biogas-BHKW erhält Biogas und Ansaugluft und liefert Strom und Wärme. Ganz automatisch und störungs- und unterbrechungsfrei. Schön wäre es, wird mancher Betreiber denken. Die Realität sieht ja auch anders aus: das Biogas-BHKW ist eine überwachungsbedürftige Anlage, die zahlreiche Prozesse (regelmäßig wiederkehrender Arbeiten) notwendig macht.

Schuld daran sind die zahlreichen Schnittstellen des BHKWs,  die selbst im Zeitablauf zahlreiche Veränderungen erfahren. Dies beginnt bei Umgebungstemperaturen, der Luftfeuchtigkeit sowie dem Staubgehalt der Luft. Und setzt sich fort über chemische Veränderungen der Betriebsstoffe wie Schmieröl und Kühmittel in ihren jeweiligen Kreisläufen. Alle Bauteile des Motors, die sich drehen oder auf- ud ab bewegen, verschleißen unter dem Einfluss der Reibung mehr oder minder stark.

Die Betriebsdaten des Motors bewegen sich in ihren zulässigen Betriebsfenstern, bis Verschleiß die Grenzwerte über- oder unterschreiten lassen. Spätestens dann werden Korrekturen notwendig, die Betreiber mit dem jeweils passenden Prozess anstoßen.

Prozesse technischer Betriebsführung

Die tägliche Aufnahme der BHKW-Betriebsdaten ist ein ganz entscheidender Ausgangspunkt. Denn ohne dieses Aktivität ist der Istzustand des BHKWs und die in Kürze zu erwartende Entwicklung der Betriebsdaten nicht bewertbar. Sowohl der absolute Wert der Betriebsdaten als auch deren Zeitreihe sind bedeutsame Kriterien in der Datenbewertung. Diese entscheidet darüber, welche weiteren Prozesse angestoßen werden.

Prozesse technischer Betriebsführung als Beitrag zur BHKW-Fitness

BHKW-Fitness gestärkt durch Prozesse technischer Betriebsführung

Dies könnten z.B. weitere detailliertere Untersuchungen am Motor sein, um Verschleißursachen festzustellen und den genauen Verschleißfortschritt zu messen. Davon würden dann die angemessenen und notwendigen Instandsetzugsmaßnahmen abhängen.

Je früher signifikante Abweichungen von den Normalwerten der Betriebsdaten festgestellt werden, deso leichter lassen sich ungeplante Anlagenstllstände vermeiden. Diese Betrachtung darf sich nicht nur auf die Motor-Betriebsdaten erstrecken. Auch Zustandsgrößen der Biogasaufbereitung, insbesondere Temperatur und Feuchte, sind wichtige Messgrößen, um Aussagen über möglicherweise auftretendes Kondensat zu treffen.

Es ist nicht notwendig, alle Einzeldaten jeden Tag zu überprüfen und zu erfassen. Daher ist es zweckmäßig, sich einen Prüfplan zu erstellen, um diejenigen Zustandsdaten zu erfaasen, deren viertel- oder habjährliche Messung und Bewertung ausreicht, wie z.B. der Zustand des Kühlmittels in Kühlkreisläufen. Gerade auch unscheinbare Komponenten, wie ein Gasgebläse, danken es, wenn diese auch gemäß ihrem Wartungsplan überprüft werden, was ca. alle 2-3 Jahre erfolgen sollte.

Sicherheitstechnische Überprüfungen nicht vergessen

Die Betriebssicherheitsverordnung schreibt Anlagenbetreibern vor, die jeweils notwendigen sicherheitstechnischen Prüfungen in einem Prüfplan zusammenzufassen und diese terminlich nachzuhalten. Es ist hilfreich, die nicht täglich oder wöchentlich durchzuführenden Wartungs-Maßnahmen ebenfalls in einer Terminübersicht festzuhalten. So kann bispielsweise eine jährlich durchgeführte Kühlmittelanalyse frühzeitig darüber aufklären, ob sich saure Abbauprodukte gebildet haben, die zu gravierenden Motorschäden führen können.

Die vielen kleinen aber auch aufwendigeren Prozesse zur technischen Betriebsführung leisten ihren Beitrag zur Vermeidung ungeplanter BHKW-Stillstände, senken die Instandsetzungskosten und erhöhen die Anlagenverfügbarkeit. Die richtige Einstellung der vielen Stellglieder am Biogas-BHKW wirken sich auf den Ertrag der Anlage sehr positiv aus.

BHKW-Probleme

Wie aus Schwachstellen handfeste BHKW-Probleme werden und was dagegen zu tun ist.

Zunächst sind es nur Schwachstellen des BHKWs, die nicht weiter auffallen. Doch früher oder später kommen dann doch BHKW-Probleme, die sich im Betrieb störend bemerkbar machen. Anfangs sind diese einfach nur lästig und hartnäckig. Schwachstellen gehen nicht von allein wieder weg. Sie kennen nur in eine Richtung, wenn sie keine Aufmerksamkeit erhalten: sie werden zum Problem (die Fehlermeldung kommt immer wieder) und wollen behandelt werden.

Im Hintergrund droht noch eine weitere Gefahr: BHKW-Probleme zeigen sich anhand von Symptomen wie z.B. zu hohen Betriebstemperaturen oder Störungen des BHKW-Betriebes bis zur Notabschaltung. In der Praxis zeigt es sich immer wieder, dass selten eine einzige Ursache für ein derartiges Symptom verantwortlich ist.

Dies ist immer dann der Fall, wenn durchgeführte Instandsetzungsarbeiten des Servicepartners am BHKW nicht zum Erfolg führen. Oft bleibt das Symptom weiter bestehen – häufig sogar unverändert. Dies ist für beide Seiten dann ein großes Ärgernis: der Betreiber kann das BHKW-Problem nicht verabschieden und der Servicepartner riskiert großen Ärger mit seinem Kunden.

Ursachenanalyse mit System löst BHKW-Probleme

Wer – als Betreiber oder Servicepartner – auf Nummer sicher gehen möchte, sollte ein (Prüf-) Konzept haben. Um hiermit die Schwachstellen einer BHKW-Installation als Ursache für Störungen und Schwierigkeiten zu identifizieren. Für das Motorklopfen beispielsweise gibt es mindestens ein Dutzend Ursachen. Bestimmte Gründe treten mehr im Sommer, andere eher im Winter auf. Geprüft werden müssen sie alle, damit nicht eine Ursache übersehen wird. Die Folgen könnte durchaus ein kapitaler Motorschaden sein. Zumindest aber ein Betrieb des BHKWs mit zu hohem Biogasverbrauch oder geringerer Leistung als gewünscht. Ein Blick auf die Ursachen des gefürchteten Motorklopfens ermöglicht dieses Technik-Spezial.

Voraussetzung für erfolgreiche Fehlersuche

Das Biogas-BHKW hat viele Schnittstellen zur “Außenwelt”. Zwei besonders wichtige sind die Biogasversorgung mit ihrer Gasaufbereitung und die Netzanbindung für Strom und Wärme. Diese dürfen bei der Fehlersuche nicht vernachlässigt werden. Stimmt es an der Peripherie nicht, äußert sich der Biogasmotor mit Krankheitssymptomen. Da hilft es nicht, über mögliche Ursachen zu spekulieren oder Mutmaßungen anzustellen.  Zahlen, Daten und Fakten führen dann sicher zu Usachenausschlüssen. Und diese lassen sich nur mit passender Messtechnik gewinnen.

Entweder ist diese “an Bord” der eigenen Motorsteuerung und hilft bei der Beurteilung des Motorzustandes. Oder es wirdl die Messtechnik des Serviceunternehmens genutzt, das das BHKW betreut. In der kalten Jahreszeit wächst wieder die Gefahr der Kondensatbildung des Biogases vor Eintritt in die Gasregelstrecke. Wasser im Gehäuse des Gasfilters ist genau so unerwünscht wie die Wirkung des Kondensats auf die Membran des Nulldruckreglers (Verschmutzung und Korrosion im Bauteil). Kondensat in der Gasleitung ist aber nicht sichtbar. Eine einfache Temperaturmessung des Biogases nach Passieren des Aktivkohlefilters in Verbindung mit der Temperatur nach der Gaskühlung würde Gewissheit darüber verschaffen, ob Kondensat ausfällt oder nicht. Der Aufwand hierfür ist nicht sehr hoch, aber der Erkenntnisgewinn enorm: mollig warmes Biogas (> 35°C) nicht nur im Akivkohlebehälter  (die Aktivkohle hält dann länger..) sondern auch in der Gasregelstrecke schützt vor den Gefahren der Kondensatbildung.