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Netzanalyse klärt Strommengen

1. Dezember 2021 by Michael Wentzke

Mittels Netzanalyse genaue Messung der Strom- und Spannungsverläufe — Mittels Netzanalyse genaue Messung
der Strom- und Spannungsverläufe

Für Betreiber von Biogas-BHKWs kommt es darauf an, dass der erzeugte Strom mit minimalen Verlusten eingespeist wird. Im besten Fall stimmen die erzeugten Strommengen, die Erzeuger und Netzbetreiber jeweils messen, überein. Dies ist jedoch nicht immer der Fall und führt zu Abrechnungsdifferenzen, die sich nur mühsam aufklären lassen. Eine Netzanalyse kann dann Klarheit für eine valide Abrechnung schaffen.

Holger Roswandowicz von der HR Energiemanagement GmbH hat in den letzten Jahren bei bisher ca. 600 BHKWs den Strom- und Spannungsverlauf am Netz und am BHKW-Generator genauer untersucht. Hierfür verwendet das Unternehmen hochauflösende und schnell messende Netzanalyserecorder. Die Netzanalyse klärt unter anderem diese Fragen:

Welchen Einfluss hat die Netzspannung auf den Wirkungsgrad des Generators?
Wie wirkt sich der „Cosinus Phi“ auf den Einspeiseertrag aus (Blindleistungsregelung)?
Welche Auswirkungen hat die sogenannte „Schieflast“ am Generator auf den Einspeiseertrag und die Mechanik des BHKWs (im Regelfall erhöhter Verschleiß)?
Zeigt die BHKW Steuerung die tatsächlichen elektrischen Leistungswerte des Generators an?
Wie hoch sind die tatsächlichen Transportverluste bis zum Transformator?
Wie hoch dürfen die Oberschwingungen, verursacht von der Biogasanlage oder dem Netz am Generator, für einen optimalen Betrieb sein?
Rechnet der Netzbetreiber die produzierte elektrische Wirkleistung korrekt ab?
Kommt ein angemessenes Messkonzept vom Netzbetreiber zum Einsatz?

Die Messungen erfolgen mit mehreren parallel installierten Recordern, um zeitgleich am Generatorausgang und am Netz messen zu können. Die Installation der Messgeräte und die Aufzeichnungen lassen sich im laufenden Betrieb durchführen. Daher müssen Betreiber auch keine Betriebsunterbrechungen oder Einschränkungen in Kauf nehmen. Die Messergebnisse sind für Biogas-BHKW Betreiber durchaus beunruhigend. Dazu gehören die nachfolgenden drei Themen:

1. Mehr Verschleiß und Gasverbrauch durch nicht optimale Cosinus Phi Einstellung

Ca. 50 % aller untersuchten BHKW-Generatoren zeigen keine optimale Cosinus Phi Einstellung. Dies bedeutet in Einzelfällen erhebliche Einspeiseverluste. Der Synchrongenerator läuft dadurch nicht mehr im optimalen Arbeitspunkt. Daher werden die Wicklungen heißer und der Gasverbrauch des Motors steigt unnötigerweise an. Die zunächst fehlende „Wirkleistung“ erfordert Kompensation durch einen ca. 2 bis 3 % höheren Energieeinsatz (bei Einstellung Cos Phi = 0,95 als Faustformel).

2. Sicherheitsrisiken durch Generator-Schieflasten

Die Praxis zeigt häufig, dass der Generator nicht symmetrisch über alle 3 Phasen gleichmäßig Strom produziert (sogenannte Schieflast), was vielfältige Ursachen haben kann. Schwerwiegende Folgen können eintreten, wie diese Messungen aufgedeckt haben:

Zu hohe Ströme auf dem Neutralleiter trotz Schutzmessung im BHKW
In der Folge zu hohe Erwärmung (durch induzierte Ströme) im Läufer des Generators durch ein Gegendrehfeld mit 100 Hz
Außerdem hoher Verschleiß an den Lagern und der Welle führt dazu, dass der Motor „unrund“ läuft. Deutlich spürbar mit Abweichungen von der eingestellten Soll-Drehzahl.

3. Netzanalyse deckt die Ursachen von Oberschwingungen auf

Besonders belastend wirken zu viele Frequenzumrichter (eigene Pumpen- und Lüfterantriebe) ohne geeignete Netzfilter in der Biogasanlage. Ebenso ungünstig ist ein Transformator in der Nähe von größeren Stromverbrauchern wie z.B. Krankenhäusern, Industriebetrieben etc.. Die erzeugten Oberschwingungen aus dem eigenen Betrieb oder dem Netz wirken stark verschleißfördernd auf den Generator. Das geschieht weitestgehend unbemerkt vom Anlagenbetreiber.

Abhilfe schafft hier die „Säuberung“ des Netzes, aber nur nach gründlicher Netzanalyse. Geeignete Abhilfe-Maßnahmen können dann beispielsweise sein:

Einbau von Netzfiltern an den Frequenzumrichtern
Geeignete „Sanftanläufe“ von starken Stromverbrauchern mit Blindleistungskorrektur
Einsatz aktiver Blindleistungskompensationsanlagen
Einsatz statischer Blindleistungskompensation (SVG Static Var Generator)

Besonders auffällig im Zusammenhang mit den Untersuchungen waren diejenigen Fälle, in denen die BHKW-Steuerung nicht die tatsächlichen elektrischen Werte angezeigt haben. Abweichungen bis zu 50 kW elektrische Wirkleistung zeigten die Spitze des Eisberges und unterstreichen den Nutzen der Netzanalyse für den Anlagenbetreiber.

Das wirtschaftliche und technische Verbesserungspotenzial durch Netzanalyse an Biogas-BHKWs ist groß

Netzanalyse mit mehreren Netzanalyserecordern

Fazit: Um die vorgenannten Probleme zu erkennen und zu belegen, bedarf es zunächst mehrtägiger Messungen mit mehreren synchron messenden Netzanalyserecordern. Die Messergebnisse nimmt HR Management GmbH danach zum Anlass, sowohl dem Betreiber eines Biogas-BHKWs als auch dem Netzbetreiber konkrete Verbesserungsvorschläge zu unterbreiten. Gerade nach einer durchgeführten Flexibilisierung einer Biogasanlage ergibt sich Handlungsbedarf z.B. in der Anpassung des Messkonzeptes. Dies führt bei BHKWs mit ca. 1 MW el. Leistung im Durchschnitt zu einer 5-stelligen Ergebnisverbesserung im Jahr. Wer mehr zu diesem Thema in einem aktuellen, kostenfreien BHKW-Talk am 18.2.2022 erfahren möchte, meldet sich hier an.

Biogas optimal verbrennen

14. November 2021 by Michael Wentzke

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:

Schwefelwasserstoff führt zur Versauerung des Schmieröles (mangelnde Feinentschwefelung), Schäden der Lager und zu hoher Korrosion
Aus dem Fermenter mitgezogene feine Staubpartikel sorgen für hohen Laufbuchsenverschleiß
Substratbestandteile können im Brennraum zu Quarzverbindungen oxidieren und den Verschleiß erhöhen (u.a. auch in Klärgasanlagen)
Langkettige Kohlenwasserstoffe können die Klopfneigung des Motors erheblich verstärken (Abfallvergärung)
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

27. Oktober 2021 by Michael Wentzke

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- und 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.

Dies könnten z.B. weitere detailliertere Untersuchungen am Motor sein, um Verschleiß-ursachen festzustellen und den genauen Verschleißfortschritt zu messen. Davon würden dann die angemessenen und notwendigen Instandsetzungsmaßnahmen 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 erfassen, deren viertel- oder halbjährliche 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 beispielsweise 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.