Hitzekollaps im BHKW

Drohender Hitzekollaps für Biogas-Motoren

Biogas-Blockheizkraftwerke in Containeraufstellung droht in diesen Tagen der Hitzekollaps. Die BHKW-Container haben keine starke Isolierung und sind der starken Sonneneinstrahlung ausgeliefert. Alle Kühleinrichtungen arbeiten nun auf Hochtouren, um dem Biogas-Aggregat die geforderte Leistung zu ermöglichen, ohne Schaden zu nehmen. Die externe Aufheizung des Containers führt zu hohen Raumlufttemperaturen, die in Verbindung mit der Strahlungswärme des laufenden Motors die Gemischkühlung vor große Aufgaben stellt.

Mechanik und Elektronik leiden in gleicher Weise unter der Hitze

Bei den hohen sommerlichen Temperaturen kommen nicht nur der Motor ins Schwitzen, sondern auch die Schaltschränke. Deren Komponenten erleiden den Hitzekollaps, wenn die elektronischen Bauelemente Temperaturen von mehr als 45°C ausgesetzt sind. Das wird auch in Schaltschrankräumen zum Problem, wenn es nur eine Lüftung dieses Raumes gibt und kein Klimagerät zur Kühlung im Schaltschrank. Stehen die Schaltschränke an einer südlich ausgerichteten Containerwand, strahlt diese Wand mit zum Teil deutlich mehr als 45°C in den Schaltschrank auf die dort an der Rückseite verbauten Komponenten.

Wenn es die Kühlkreisläufe für den Motor und das Gemisch nicht mehr packen, dann schützt den Motor nur noch eine Leistungsreduktion in Verbindung mit einer Klopfsensorik. Die wenigsten Kühlkreisläufe wurden auf Außentemperaturen von 35°C ausgelegt, daher leiden viele Biogas-BHKWs in Containeraufstellung bei diesen Außentemperaturen unter Hitzestress. Zum Hitzekollaps kommt es dann, wenn es keine Schutzeinrichtungen gibt. Dauerhaftes Klopfen des Biogasmotors endet oft mit einem Kolbenfresser. Daher sind Warnmeldungen der Motorsteuerung unbedingt ernst zu nehmen, um kapitale Motorschäden zu verhindern.

Wie sich Betreiber gegen den Hitzekollaps schützen können

Gerade bei knapp ausgelegten Kühlkreisläufen müssen die vorhandenen in guter Verfassung sein. Dazu gehören unter anderem

  • kalkfreie Wärmetauscher,
  • ausreichend hoher Kühlmitteldruck, entlüftete Kühlkreisläufe,
  • kein Ölnebeldampf im Gemischkühler und
  • Notkühler ohne “Bioteppich”

Wärmetauscher sollten stets mit ausreichender Verschmutzungs- und Leistungsreserve dimensioniert sein. Anlagenbauer weichen aus Kosten- und Wetbewerbsgründen hiervon oft ab, die Konsequenzen erlebt der Betreiber erst im Sommer. Dann reduziert jedes Grad weniger Bauteiltemperatur den Verschleiß oder das Schadensrisiko. Betroffene Bauteile sind Zylinderköpfe, Kolben, Laufbuchsen und Zündkerzen, deren Standzeiten sinken oder zum Versagen mit Motorschaden führen.

Wenn es die Kühlkreisläufe nicht ausreichend schaffen, ist eine Leistungsreduktion in der Größenordnung von 5 bis 20 % das kleinere Übel im Vergleich zum Motoschaden mit Instandsetzungs- und Betriebsunterbrechungskosten.

Generatoren mögen es auch nicht so heiß

Frische Raumluft durchströmt zuerst den Generator und dann erst am Motor entlang. Die Kühlkanäle des Generators nehmen so “kalte” Frischluft auf. Und sorgen dafür, dass Wicklungen, Kabelverbindungen und elektronische Komponenten nicht zu heiß werden und verspröden. Dies funktioniert aber nur, wenn die Zuluft frei von Staub und Schmutz ist, da sich anderenfalls die Kühlkanäle zusetzen. Ein weiterer Grund, nur gefilterte Frischluft in den BHKW-Container zu lassen. Auch die Zuluftführung ist zu beachten: ein Teil des Luftstromes muss die Chance haben, in den Generator hineinzukommen und nicht nur über den Generatorkasten hinwegzufegen…

Für Schaltschränke sind diese Maßnahmen zur Vorbeugung angezeigt:

  • Ungestörter Luftstrom zur Be- und Entlüftung im Schaltschrank
  • Ausreichend groß bemessene Querschnitte zur Schaltschrankraum-Belüftung
  • Isolierung des Schaltschrankraumes zum Motorbetriebsraum hin (inkl. Kabelschächte)
  • Einsatz eines kleinen Klimagerätes im Schaltschrank (thermostatgesteuert)

Bei Schaltschränken im Betriebsraum des Biogasaggregates sollten diese (mit dem Generator) zuerst von der Frischluft angeströmt werden, damit deren Komponenten überleben. Hilfreich sind auch hier bauteilnah eingesetzte kleine Klimageräte in den Schaltschränken.

Weitere Beiträge zu “heißen” Themen des BHKW-Betriebes finden Betreiber, die noch kein Mitglied sind, unter diesem Link.

Fitness-Check: Volumenstrom-Messung

Kühlmittel : Volumenstrommessung

ATEX Compressors: Volumenstrommessung
im Kühlkreislauf mit Prüfzertifikat

Die hochsommerlichen Temperaturen zeigen, ob die Kühlkreisläufe im Motor den Belastungen gewachsen sind und diesen ohne Leistungsbegrenzungen oder gefährliches Klopfen durch einen heißen Sommer bringen. Neben leistungsfähigen Wärmetauschern spielt das Kühlmittel eine entscheidende Rolle. Neben dem Kühlmitteldruck, der vor Dampfblasenbildung schützt, steht heute aber die Volumenstrom-Messung im Fokus. Wer sich über die übrigen Faktoren zur Fitness des Kühlkreislaufes informieren möchte, wird in diesem Beitrag fündig.

Kühlmittel-Temperaturen oder -Drücke werden von der Motorsteuerung im Regelfall angezeigt, der Volumenstrom dagegen eher selten. Da man nicht in den Kühlkreislauf hineinschauen kann, ohne die Verrohrung aufwändig zu öffnen, bleibt eine schleichende Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels oft unbemerkt.

Kühlmittel fließt zu langsam – Überhitzung droht

Dies hat zur Folge, dass sich

  • das Kühlmittel stärker erhitzt,
  • saure Abbauprodukte bilden können, die z.B: Kompensatoren schädigen und
  • Bauteile geschädigt werden wie z.B. der Abgaswärmetauscher sowie
  • Kavitation an temperaturbelasteten Teilen des Motorblocks entstehen kann.

Die Verringerung des Kühlmittel-Volumenstroms hat ihre Ursache in der Bildung von Ablagerungen im Kühlkreislauf und in Umbaumaßnahmen der Verrohrung, die den Durchflußwiederstand erhöhen, sowie in zunehmendem Verschleiß der Kühlmittelpumpe. Kann diese den Mindestvolumenstrom für die notwendige Kühlleistung nicht erbringen, droht das Risiko teurer Motorschäden. Neben den oben erwähnten Auswirkungen steigen die Temperaturen im Motor- und Gemischkühlkreislauf, sodass der Motor seine Klopfgrenze erreicht oder gar überschreitet.

Abhilfe durch Volumenstrom-Messung

Eine berührungslose Volumenstrom-Messung des Kühlmittels kommt ohne Öffnen einer Kühlmittelleitung aus. Voraussetzung ist der Einsatz passender Messtechnik, wie sie beispielsweise die ATEX Compressors GmbH vornimmt. Die bei laufendem Motor gemessene Zustandsgröße vom Kühlmittel hilft, auch zugesetzte Wasserfilter und verkalkte Plattenwärmetauscher zu entdecken.

Ist der Volumenstrom des Kühlmittels zu gering, droht dieses zu heiß zu werden. Bei Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur zersetzt sich das Kühlmittel chemisch. Seine Abbauprodukte (starke Säuren) gefährden die Kompensatoren, die glycolfest sind, aber sich unter saurem Einfluss einfach zersetzen. Schwere Folgeschäden sind oft die Folge.

Die Kühlkreisläufe stehen bei hohen Außentemperaturen unter Leistungsdruck, damit der Motor bei Vollast keinen Schaden erleidet. Die im Regelfall knapp dimensionierten Wärmetauscher der BHKWs erfordern dann, dass alle übrigen Komponenten fit sind, dazu gehört auch ein ausreichend großer Kühlmittelstrom.

 

Ölnebel: der heimliche Motoren-Killer

Defekter Kolben nach Überhitzung

Die in Blockheizkraftwerken eingesetzten Gasmotoren sind Hightech-Triebwerke, die mit hohem Wirkungsgrad aus Bio- oder Erdgas Strom- und Wärme produzieren. Dabei wird das eingesetzte Material bis zur Belastungsgrenze ausgereizt. Wenn dann noch Ölnebel in den Brennraum gelangt, ist der Gasmotor häufig thermisch überfordert und quittiert dies leider oftmals mit einem kapitalen Motorschaden.

Ölnebel wirken im Brennraum der Gasmotoren wie ein zusätzlicher Brandbeschleuniger zum vorhandenen Gemisch aus Gas und Luft. Dadurch steigt die Brennraum-Temperatur sehr stark an, auch der Druckanstieg ist sehr steil. Dies führt schnell zur Überlastung der Lager. Im Brennraum wird insbesondere der Kolben und der Zylinderkopf von den hohen Temperaturen in Mitleidenschaft gezogen. Zuerst schmilzt im Regelfall der Kolben, dieser frisst in der Laufbuchse und das Ergebnis ist dann ein teurer Kolbenfresser.

Die steilen Druckanstiege machen sich auch akustisch bemerkbar, der Gasmotor kommt ins “Klopfen”. Dies ist dann der laute Vorbote eines Motorschadens.

Intelligente Motorsteuerungen mit einer Antiklopfregelung können den Motor schützen, in dem mehrstufig die Leistung sofort zurückgenommen wird und es im Brennraum nicht zu solch hohen Drücken und Temperaturen kommt. Je nach Menge des Ölnebels im Brennraum kann dies bis zur Notabstellung des Motors führen.

Woher der Ölnebel kommt

Verbrennungsgase aus dem Brennraum streichen auch am Kolben und den Kolbenringen vorbei ins Kurbelgehäuse und erhitzen dies. Dabei bilden sich Ölnebeldämpfe, die aus der Kurbelgehäuse-Entlüftung entweichen und dem Ansaugtrakt wieder zugeführt werden. Eine Entlassung in die Umwelt ist nicht zulässig, um diese zu schonen. Damit der Ölnebel nicht verbrannt wird, wird das Schmieröl in einem zwischengeschalteten Ölnebeldampf-Abscheider herausgefiltert und der Ölwanne wieder zugeführt. Der so gereinigte Nebel kann dann problemlos verbrannt werden.

Gute Wartung schützt vor Schäden

Ölnebeldampf-Abscheider haben Filterelemente, die wartungsbedürftig sind. Es werden unterschiedliche Technologien eingesetzt, die auch zu unterschiedlichen Filterergebnissen führen. Wer viel Schmieröl herausfiltert, schützt den Motor wirksam vor Schäden. Wer dem Thema als Motorenhersteller keine Aufmerksamkeit schenkt, nimmt für seine Kunden billigend in Kauf, dass sie möglicherweise vorzeitig Motorenschäden erleiden. Die Abscheideraten unterscheiden sich bei den im Markt eingesetzten Ölnebeldampf-Abscheidern stark. Daher lohnt es sich, auf Qualität zu achten.

Ölnebeldämpfe im Brennraum sind nicht nur wegen der „klopfenden“ Verbrennung ein Problem. Diese führen auch zur Bildung von Ablagerungen im Brennraum und im Abgasturbolader sowie im Katalysator und im Abgaswärmetauscher.

Schutzeinrichtungen des BHKWs helfen ebenfalls

Vor den Folgen ungewollter Verbrennung von Ölnebeldämpfen schützen eine Antiklopfregelung und eine Ölnebeldampf-Abscheidung hoher Qualität. Im laufenden Betrieb ist der Filtereinsatz zur Ölabscheidung zu warten und ein Blick auf diejenigen Motorenkomponenten zu werfen, die ebenfalls Ursache ungewollter Schmierölverbrennung sein können.

Wer sich hierfür interessiert und sich im Mitgliederbereich der IG Biogasmotoren umsehen möchte, dem sei die kostenfreie Club-Mitgliedschaft mit diesem Link empfohlen. Viele nützliche Betreiber-Informationen dienen dem Ziel, ungeplante Stillstände zu vermeiden und Reparaturkosten des Biogas-BHKWs zu senken.