Motorkühlung fit für steigende Temperaturen?

Noch sind die Außentemperaturen so tief, dass Motoren eigentlich keine thermischen Probleme haben sollten. Die Praxis vor Ort spricht dagegen in vielen Fällen eine andere Sprache. Wenn zu dieser Jahreszeit Motoren schon an den Grenzwerten für Kühlmittel- und Gemischtemperaturen kratzen, lohnt es sich, auf die Ursachen zu schauen. Die Motorkühlung hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Zustand der Wärmetauscher
  • Raumluftwechsel
  • Zustand des Kühlmittels
  • Parametrierung der Regelventile
  • Zustand des Schmierölkühlers
  • Kühlmitteldrücke in den Kühlkreisläufen
  • Luftseitige und wasserseitige Kühlflächen der Notkühler

Gute Motorkühlung reduziert den Verschleiß

Hochbelastete Biogasmotoren beanspruchen Zylinderköpfe und Zündkerzen sowie Laufbuchsen, Kolben und Kolbenringe. Häufig kühlen Ölspritzdüsen die Kolbenbodenunterseiten. So leistet das Schmieröl auch seinen Beitrag zur Motorkühlung und führt diese Wärme über den Schmierölkühler an den Motorkühlkreislauf ab. Manche Motoren koppeln die Schmierölwärme auch direkt aus und machen die Wärme für Heizwärme direkt nutzbar. Ein ausreichend großer Schmierölkühler, der regelmäßig gereinigt wird, ist dann auch ein Garant für Schmieröltemperaturen, die den Additiven eine lange Standzeit ermöglichen. Temperaturen um 100°C und mehr zeigen eine hohe thermische Belastung an, die die Additive rasch „in die Knie gehen“ lassen.

Die Standzeiten von Zylinderköpfen und Zündkerzen hängen direkt von ihren Betriebstemperaturen ab. Je tiefer diese sind, desto geringere thermische Belastungen wirken als verschleißfördernder Stress auf diese Bauteile.

Niedriger Kühlmitteldruck als Schadenstreiber

Materialabtrag durch Kavitation im Kühlkreislauf

Die Kühlmitteldrücke bewegen sich unterhalb des Radars vieler Betreiber. Solange noch Kühlmittel im Kühlkreislauf ist, scheint alles in Ordnung. Für die Motorkühlung ist auch ein ausreichender Kühlmitteldruck sehr wichtig, da sich anderenfalls Dampfblasen bilden, die nicht kühlen. Und die unangenehme Eigenschaft haben, Material von Laufbuchsen und vom Motorblock wegzufressen: Kavitation bedingt durch implodierende Dampfblasen führt so zu teuren Motorschäden.

Kühlmitteldrücke von einem bar und weniger sind absolut zu gering. Mindestens 1,5 bis 2,5 bar geben erst den Schutz vor unerwünschter Dampfblasenbildung. Die Kühlmitteldrücke sind in den Kühlkreisläufen nicht überall gleich hoch, aufgrund der Strömung des Kühlmittels und der Strömungswiderstände durch Ventile oder enge Radien gibt es nämlich Druckabfälle, die den am Manometer angezeigten Druck deutlich reduzieren können.

Kühlmittel sind keine Lebensdauerfüllung für Motoren

Schmierölwechsel stehen viel stärker im Bewustsein von BHKW-Betreibern als Kühlmittelwechsel, da deren Wechselintervalle ja auch wesentlich kürzer sind. Trotzdem sollte man dem Kühlmittel die Aufmerksamkeit im Rahmen der Instandhaltung schenken, die es für eine gute Funktion benötigt. Das heißt, eine jährlich Überprüfung und Anlyse einer Kühlmittelprobe ist kein Luxus, sondern wirksamer Schutz, um die Leistungsfähigkeit der Motorkühlung zu erhalten.

Ein Beispiel einer Kühlmittelanalyse erhalten Sie über diesen Link. Der Aufbau ähnelt einer Schmierölanalyse und gibt dem Servicepartner wie auch dem Betreiber ein zutreffendes Bild über den Verschleißzustand des Kühlmittels und besondere Belastungen aus dem Einsatz im Kühlktreislauf.

Motor als Wärmequelle unterschätzt

Die Strahlungswärme des Motors – bei einem 500 kW-Motor immerhin ca. 95 kW – heizt den Betriebsraum auf und führt zum Ansteigen der Raumlufttemperatur. Steigt die Temperatur über 35°C wird es nicht nur dem Service- und Bedienpersonal zu warm, sondern auch dem Motor. Es droht dann nämlich ein Anstieg der Gemischtemperatur in Richtung Klopfgefahr. Dies bedeutet für den Gemischkühlkreislauf harte Arbeit, um die Gemischtemperatur in gesunden Grenzen zu halten.

Die Strahlungswärme lässt sich nur wenig reduzieren, indem abgasführende Teile wie Sammelrohre und Abgasturbolader wärmeisoliert oder wassergekühlt werden. Ein Grund mehr also auf eine gute Fitness der Motorkühlung zu achten. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, die Kondition des Biogasmotors zu verbessern und vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen.

BHKW-Schäden durch Schwingungen

Unzulässige Schwingungen mit
weitreichenden Folgen: Kurbelwellenbruch

Das schlimmste, was einem Motor (und wirtschaftlich dem Betreiber eines BHKWs) passieren kann, ist ein Kurbelwellenbruch aufgrund unzulässig starker Schwingungen. In Einzelfällen ist dies Betreibern mehrfach passiert. Einfach deshalb, weil keiner die genaue Ursache beim ersten Mal ermittelt hat. Schwingungen werden vielfach als natürliche Begleiterscheinung eines laufenden Motors hingenommen.

Schwingungen sind unbarmherzig

Ein laufender Motor regt seine Anbauteile wie Zündleisten, Verrohrungen, Kompensatoren, Gemischkühler, etc. zu Bewegungen an, die im Extremfall zum Bruch von Aufhängungen oder zu defekten Anbauteilen führen. Damit sind oftmals nicht nur teure Reparaturen, sondern auch konkrete Gefahren für Betreiber verbunden. Man denke nur einmal an gerissene Kompensatoren für Kühlmittel- oder Abgasleitungen.

Aber auch Motorengestelle reißen bei übermäßiger Beanspruchung, der Containerboden vibriert so stark, dass das Betreten unzumutbar wird. Und Maschinenfundamente übertragen Schwingungen bei Raumaufstellung des BHKWs, dass die Wände Risse erhalten und im Obergeschoss der Kaffee in der Tasse Kreise zieht.

Wirksame Gegenmittel gegen die Schwingungsbelastung

Die Physik hält einige Abhilfemaßnahmen gegen Schwingungsbelastungen bereit, die Motorenbauer bei der Konstruktion ihrer Maschine berücksichtigen sollten:

  • Gleichmäßige Verbrennungsdrücke in allen Zylindern durch gute Gemischverteilung
  • Einsatz von Ausgleichswellen, wenn der optimale Zylinderbankwinkel bei V-Motoren verlassen wird.
  • Vollständige Verbrennung im Zylinder ohne Zündaussetzer
  • Steife Konstruktion des Aggregategestells und der Halterungen von Anbauteilen
  • Erforderliche Dimensionierung eines Maschinenfundamentes mit ausreichend Masse
  • Richtige Lage und Dimensionierung der Dämpfungselemente des Aggregates

Die Anforderungen hören beim Motorenhersteller nicht auf, sondern gehen beim Anlagenbauer und Packager weiter. Gerade beim Einsatz in einem Container wird es noch einmal spannend:

  • halten Boden, Decke und Wände die statischen und dynamischen Lasten des BHKW-Betriebes aus oder verformen sie sich?
  • Ist das Fundament, auf dem der Container steht, ausreichend den Belastungen gewachsen oder nicht?

In Kaufverträgen steht oft der verhängnisvolle Satz: das Fundament für den BHKW-Container wird bauseits gestellt. Der Betreiber sucht sich oft nach bestem Wissen und Gewissen ein Bauunternehmen, das im besten Fall ein Maschinenfundament mit den Anforderungsdaten des Motorenherstellers und Anlagenbauers erstellt. Das passiert aber leider nur in den seltensten Fällen. Häufig sind so die Belastungen und Schäden vorprogrammiert.

In tragischen Fällen wird der Mangel der Konstruktion mit Blick auf vermeidbare Schwingungsbelastungen bei dem Aufbau und der Inbetriebnahme des BHKWs deutlich. Wenn dann das Errichterteam beim ersten Lauf feststellt, das die Bodenplatte an bestimmten Stellen nicht mehr betretbar ist und das Membranausgleichsgefäß wie ein Lämmerschwanz wedelt, dann wird ein Versäumnis deutlich und seine Behebung teuer.

Jeder Betreiber ist daher gut beraten, wenn die Abnahme für ein neu erstelltes BHKWs erst mit guten Ergebnissen einer Schwingungsmessung erfolgt.

Das Schwingungsbild verändert sich mit der Laufzeit des BHKWs

Die Dämpfungselemente sind Verschleißteile, die mit der Zeit an Dämpfung verlieren. Diese gehören dann nach den Angaben des Herstellers ausgetauscht und richtig eingestellt. Erst wenn sich der Motor bewegen lässt, kann Schwingungsdämpfung funktionieren. Ist dies der Fall, sind auch Kompensatoren korrekt verbaut. Verspannte Bauteile oder auf Block gesetzte Dämpfungselemente führen rasch zu teuren Schäden.

Laufzeitbegleitend kann der Betreiber eines BHKWs wirksam vorsorgen,  in dem ein Schwingungsmesser das Aggregat prüft und mit der Analyse der Daten dann genau sagen kann, ob alles in Ordnung ist innerhalb zulässiger Toleranzen oder Handlungsbedarf besteht.

Das Ingenieurbüro Braase führt Schwingungsmessungen seit vielen Jahren durch und gibt Betreibern eine Vorstellung davon, mit welchem Aufwand eine Maschinendiagnose zur Überprüfung des Schwingungszustandes durchgeführt wird. Hier geht es zum Link für den kostenfreien Abruf eines Angebotes zum „Anlagencheck Schwingungsmessung“ und einer Erläuterung der Vorgehensweise.

Qualität der Aktivkohle punktet

Form-Aktivkohle oder Granulat-Aktivkohle ?
Quelle: Necatec AG

Biogasanlagen-Betreiber schauen auf die Betriebskosten ihrer Anlagen und nutzen jede Gelegenheit, diese im laufenden Betrieb zu senken. Aktivkohle-Kosten gehören mit zu diesen Positionen. Die Erwartungen an die Beladungsleistung und Standzeit der Aktivkohle sind hoch. Dabei ist die Qualität der Aktivkohle noch nicht ausreichend im Visier vieler Betreiber.

Einsatzbedingungen entscheiden über die Standzeit der Aktivkohle

Im Winter spielen die Betriebsbedingungen der Aktivkohle eine große Rolle. Hier droht Gefahr durch Kondensatbildung aufgrund der tiefen Temperaturen. Die Beladungsleistung sinkt dramatisch, wenn

  1.   die Rohgastemperatur zu tief ist,
  2.   die relative Feuchte zu groß oder zu klein ist und
  3.   der Sauerstoffgehalt des Rohbiogases zu klein ist

Diese Zusammenhänge haben wir im vergangenen Sommer in einem Artikel mit der Necatec AG ausführlich dargestellt. Dort sind die Zusammenhänge um die Nutzung der Aktivkohle noch einmal umfassend beschrieben.

Die Biogasaufbereitung benötigt keine Abkühlung auf unter 3° C, wenn nicht gerade Biomethan  zur Einspeisung ins Gasnetz angestrebt wird. Dies erhöht nur die Stromkosten für den Kältekompressor und den Heizenergiebedarf der Nacherwärmung. Ca. 12°C reichen gewöhnlich zur Feuchtigkeitsabscheidung aus, da die Aktivkohle eine Restfeuchte von ca. 50% für optimales Arbeiten benötigt. Ab Nacherwärmung (ca. 25°C) ist eine Isolierung (und im Flexbetrieb eine Warmhaltung) aller gasführenden Komponenten (Rohre, Aktivkohlefiltergehäuse) bis zum Eintritt in den BHKW-Betriebsraum notwendig, um Kondensate zu vermeiden.

Die Qualität der Aktivkohle entscheidet über die Wirtschaftlichkeit

In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt die Necatec AG, dass eine teurere, aber qualitativ hochwertigere Aktivkohle einer minderwertigen trotz höheren Beschaffungspreises überlegen ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass für die gleiche Menge abgeschiedenen Schwefels eine deutlich geringere Menge Aktivkohle benötigt wird.

In der beigefügten Vergleichsrechnung der Necatec AG wird deutlich, wie sich die Qualitätsunterschiede in der Praxis auswirken. Steinkohle ist der Rohstoff für hochwertige, pelletierte Aktivkohle, dessen Preis auf dem Markt gestiegen ist. Aktivkohle-Granulate aus minderwertigerer Bruchsteinkohle haben eine niedrigere Beladungsleistung. Und wesentlich höhere Druckverluste bei der Durchströmung mit Rohbiogas. Unter dem Strich betrachtet spricht daher vieles für die bessere Qualität der Aktivkohle.