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.

Fehler beim Flex-Fahrplan vermeiden

Flex-Fahrplan Quelle: SKVE AG

Die Neuregelung des Flexdeckels gibt Planungssicherheit für viele Flexibilisierungsmaßnahmen. Ein Thema rückt dabei langsam in den Vordergrund: Welche Fahrweise soll eine flexible Anlage eigentlich später erhalten und welche Voraussetzungen muss diese dafür erfüllen? Christian Dorfner von der SKVE AG aus Regensburg teilt in diesem Gastbeitrag seine Überlegungen zum Flex-Fahrplan mit.

Viele bereits flexibilisierte Anlagen suchen noch nach dem optimalen Fahrplan und der passenden Vermarktung. Die Erlöse aus der Regelenergie sinken kontinuierlich. Außerem häufen sich die Beschwerden der Betreiber, dass Abrufe zunehmen und zugleich für einen immer kürzeren Zeitraum anfallen. Die Folge sind erhöhte Belastungen und Kosten für die BHKWs.

Ein Flex-Fahrplan, mit dem Betreiber kontrolliert und geplant unter Berücksichtigung aller BHKW- Besonderheiten  im Start-Stopp-Betrieb fahren, ist die zukünftig geforderte Alternative zum Grundlastbetrieb. Dies erfordert zwar technische Modifikationen von der Gärstrecke bis hin zum BHKW. Aber es garantiert hohe Ertragskraft der Anlagen anhand hoher Stromerlöse und geringer Wartungskosten der BHKWs. Zugleich sinken Stress und Risiken im täglichen Anlagenbetrieb.

Eine automatisierte Fahrplansteuerung ist der Königsweg für flexible Biogasanlagen, da diese den BHKW-Betrieb im Sinne des Betreibers optimiert und ihn selbst entlastet.

Voraussetzung ist die konsequente Flexibilisierung des BHKWs mit der Biogas- und Wärmerzeugung. Zusammen mit der Interessen Gemeinschaft Biogasmotoren e.V. wird ein Überblick gegeben, was im Fahrplan-Betrieb bisher aufgefallen ist, wo Verbesserungspotential besteht und welche Fehler häufig auftreten. Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, gern nimmt der Autor weitere Aspekte oder Hinweise von Betreibern auf, die bereits flexibilisiert haben.

Vorbereitung und Einbindung der BHKW für den Flexbetrieb

Ein Flex-Fahrplan benötigt ergänzende Ausstattungsmerkmale des BHKWs. Wentzke von der IG Biogasmotoren e.V. spricht die Fallstricke an: „Ein nicht vorgewärmtes BHKW sollte keinen automatischen Fahrplanbetrieb erhalten. Ebenso kritisch ist die Biogasaufbereitung zu betrachten. Eine zu kalte Aktivkohle „filtert“ nicht, d.h. ausgerechnet beim Starten erhält man qualitativ minderwertiges Biogas mit zu hohen Schwefelwasserstoffwerten. Daher benötigt der Aktivkohlefilter  eine Vorwärmung. Anlagen, die weit entfernte Satelliten versorgen, müssen sich auch Gedanken über entmischtes Biogas machen und z.B. eine Rezirkulation des Biogases vorsehen. Eine weitere Maßnahme wäre zudem die  Vorschmierung, denn diese verhilft den Lagern zu längeren Laufzeiten.“, so der Rat von Wentzke.

Viele Anlagen sparen übrigens die Erweiterung  der Gasaufbereitung, in dem sie das nach wie vor kontinuierlich aufbereitete Biogas einem Reingasspeicher zuführen. Die Fahrplansteuerung nutzt diesen für einen wirtschaftlich optimalen Flex-Fahrplan. Kriterien der Dimensionierung sind in erster Linie Platzbedarf und Wirtschaftlichkeit.

Zu kurze Rampen

„Viele BHKW, die zuvor in der Regelenergievermarktung waren, zeigen oft ein weiteres Phänomen“ sagt Wentzke des Weiteren. „Wegen der kurzfristigen Leistungsabrufe wurden die An- und Abfahrrampen extrem verkürzt. Das ist aber bei einem Fahrplan und Start-Stopp-Fahrweise nicht notwendig. Eine möglichst Motoren-schonende Rampe reduziert die Wartungskosten und Störungen beim Start. Wichtig für die schonende und wartungskostenreduzierte Fahrweise sind die Anzahl der Starts – 1000 sollten im Jahresmittel nicht überschritten werden – und die Mindestlaufzeit nach dem Motorstart. Diese sollte mindestens 120 Minuten betragen.“ Exakt nach diesen Vorgaben erzeugt SKVE übrigens einen Flex-Fahrplan.

Flexible BHKW aber konstanter Wärmebedarf

Zu einer Flexibilisierung einer Biogasanlage gehört neben der Stromerzeugung auch eine Flexibilisierung der Wärmeabgabe, sonst kann  strenggenommen gar keine bedarfsgerechte Stromerzeugung angeboten werden. Deshalb sollte sich jeder Betreiber im Vorfeld überlegen, wie entweder Wärmeerzeugung oder –verbrauch flexibilisiert werden können Es mag offensichtlich sein, aber bei der Wärme geht es stets zwei „Richtungen“: zum einen den Wärmebedarf zu bedienen, auch wenn die BHKW „aus“ sind. Und zum anderen die Wärme stets in ausreichender Menge nutzbringend abzuführen, insbesondere wenn alle BHKWs auf Volllast laufen. Dies erfordert daher passende Wärmepufferspeicher. Lösungen über teilweisen Dauerbetrieb der BHKWs (in Teillast) funktionieren natürlich auch, gehen aber zur Lasten der Wirkungsgrade, Wartungskosten und der Fahrplanerlöse.

Oftmals reichen kleine Wärmepufferspeicher oder eine Vergrößerung der Register an der Trocknung für den gewünschten Flex-Fahrplan. Vor allem bei Wärmepufferspeichern gibt es  Skaleneffekte, die Speicher mit der Größe verbilligen. Außerdem ist der langfristige Betrieb auch nach der EEG-Laufzeit mit zu berücksichtigen.

Die SKVE-Steuerung plant die Wärme- und Stromproduktion so, dass Wärmekunden die notwendige Wärme erhalten. Gleichzeitig produzieren Betreiber nur zu Zeiten guter Strompreise.

Flex-Fahrplan: Korrekte Messung der Gasfüllstande notwendig

Sehr oft hinkt die gemessene Realität eines Gasspeichers dem angegebenen Volumen aus dem Datenblatt hinterher. Aus 2.533 m³ Biogasspeicher werden im operativen Betrieb 1.800 m³ nutzbares und somit planbares Volumen. Natürlich gibt es gute Gründe für unterschiedliche Angaben. Die genehmigungsrelevante Größe hat per se ein anderes Volumen als das netto tatsächlich nutzbare. Unsauber verbaute Gasmesssysteme verschenken dann wegen einer linearen Anzeige Volumen nach  oben und unten. Wichtig ist, möglichst alle Gasspeicher zu „durchmessen“. Nur so kann eine Steuerung richtig reagieren und das vorhandene Speichervolumen nutzen. Denn in der Fahrplansteuerung gilt: mehr Speicher bedeutet auch mehr Geld am Monatsende.

Direktvermarkter rechtzeitig prüfen

Es ist oft nicht leicht, den richtigen Kündigungszeitpunkt und –frist aus der Vielzahl von Hauptverträgen, Anhängen, Regelenergieergänzung, Verlängerung, oder Anpassungen herauszufinden. Es lohnt sich, die aktuellen Verträge rechtzeitig zu prüfen. Läuft eine Kündigungsfrist ab, verlängern sich die meisten Verträge um ein weiteres Jahr und möglicherweise 30.000 Euro oder mehr sind verloren. Viele Anbieter bieten keine echte Fahrplansteuerung an, sondern lassen den Betreiber mit der täglichen Arbeit und dem Risiko um Fahrplankalkulation, Nachjustieren und Nachmelden allein. Zudem verlangen die meisten Anbieter  Ausgleichsenergie, wenn Betreiber den Fahrplan nicht einhalten, und reduzieren die garantierte Zahlung.

Der um 8 Uhr morgens erstellte Fahrplan ist spätestens um Mittag wieder hinfällig. Das liegt an den zwischenzeitlich veränderten Gasfüllständen oder Börsenpreisen. Eine Fahrplansteuerung, wie sie die SKVE anbietet, reagiert darauf automatisch und sucht stets nach dem optimalen Flex-Fahrplan für Ihre Anlage – ohne dasss der Betreiber etwas melden oder ändern muss.

Die SKVE bietet Betreibern einen unverbindlichen Flex-Fahrplan-Check an. Dieser zeigt, was sich verdienen lässt, wenn eine Anlage aus dem Blickwinkel eines Betreibers und nicht eines Händlers gesteuert wird.

Soweit die Hinweise und Aspekte von Christian Dorfner von der SKVE AG zum Thema  Flex-Fahrplan.