Betriebsdatenanalyse Archives - Interessen Gemeinschaft Biogasmotoren

Eigenstromverbrauch im BHKW

30. März 2022 by Michael Wentzke

Mit welchen Maßnahmen sich der Eigenstrombedarf senken lässt. — Wie sich der Eigenstromverbrauch
des Biogas- BHKWs senken lässt

Die Energiepreise kennen derzeit nur einen Weg: ziemlich steil nach oben. Deshalb gerät nun auch der Eigenstromverbrauch auf der Biogasanlage in den Fokus der Betreiber. Oft reicht für Pumpen- oder Lüfterantriebe ein stromsparender Teillast-Betrieb. Dieser ist aber in vielen Fällen nicht optimal umgesetzt und daher mit hohem Stromverbrauch verbunden.

Gemessen an der erzeugten elektrischen Leistung eines BHKWs ist bei identischem Biogas-Aggregat der Eigenstromverbrauch nämlich sehr unterschiedlich: er schwankt beträchtlich von unter 5% bis über 12% der erzeugten elektrischen Leistung.

Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich unterschiedliche Einsatzbedingungen z.B. eines Pumpenantriebes nicht ausreichend im Regelungskonzept wiederfinden. Wenn unterschiedliche Volumenströme nicht mit einer Drehzahlregelung des Antriebsmotors einhergehen, sondern dies durch eine Drosselung der Pumpe geschieht, dann bedeutet dies einfach einen viel zu hohen Stromverbrauch bei Teillast der Pumpe.

In der Praxis fallen die Unterschiede im Strombedarf eines Pumpenantriebes bei unterschiedlichen Regelungskonzepten stark ins Gewicht, so wie dies in der obenstehenden Grafik deutlich wird. Für Betreiber von Biogasanlagen bedeutet dies

Messen lassen des Stromverbrauches der eingesetzten elektrischen Antriebe,
Prüfung, ob diese Antriebe ständig bei Volllast laufen müssen und falls nicht,
ob eine Nachrüstung z.B. mit einem Frequenzumrichter den Stromverbrauch gerade im Teillastbetrieb deutlich reduziert.

Die Schaltschränke für Hilfsantriebe sowohl für die Komponenten der Gärstrecke wie auch für das Biogas-BHKW sind gut gefüllt und zeigen eine Vielzahl potenzieller Einsparquellen für den Eigenstromverbrauch. Ein weiterer Aspekt ist die Vermeidung hoher Anlaufströme und Spitzenlasten im Betrieb, die sich ebenfalls kostensenkend vermeiden lassen.

Holger Roswandowicz von der HR Energiemanagement GmbH hat zu diesem Thema eine ganze Reihe von Messungen auf Biogasanlagen vorgenommen. Anlässlich des BHKW-Talks am 10.6.2022 um 15.00 Uhr gibt es die Ergebnisse in einem kostenfreien ZOOM-Webinar . Zur Anmeldung geht es mit diesem Link.

Biogasmotoren-Kollaps

27. Januar 2022 by Michael Wentzke

Biogasmotoren-Kollaps durch Überhitzung mit schweren Schäden in einzelnen oder mehreren Brennräumen ist keine gute Nachricht. So etwas wünscht sich keiner zum Jahresstart. Angesichts niedriger Außentemperaturen scheinen Bedrohungen durch schlechte Motorkühlung ausgeschlossen zu sein. Die Gefahren für den Biogasmotor kommen häufig auch aus einer ganz anderen Ecke.

Störungen in der Gemischbildung

Das Verbrennungsluftverhältnis beschreibt das richtige Verhältnis von Ansaugluft und zugeführtem Biogas. Hierfür sind die korrekte Einstellung vom Nulldruckregler und vom Gemischregler verantwortlich. Kondensiert die Restfeuchte von Biogas durch unzureichende Nacherwärmung aus, gelangt Kondensat in die Gasregelstrecke. Wassertropfen ziehen im Gasstrom Staub- und Schmutzteilchen mit, die sich im Nulldruckregler und im Gemischregler in den feinen Spalten ablagern und dort zu Funktionsstörungen führen: das Verhältnis von Luft und Biogas kann sich in Richtung fetterem Gemisches verändern und damit die Brennraumtemperaturen nach oben treiben. Dies birgt dann die Gefahr, dass ein Kolbenfresser auf einem oder mehreren Zylindern passiert.

Zu hohe Brennraumtemperaturen durch Störungen in der Gemischbildung können selbst von gut gewarteten, intakten Kühlkreisläufen in ihrer zerstörerischen Wirkung nicht mehr kompensiert werden.

Motorenkiller Ölnebeldämpfe

Das gilt auch für die zweite Ursache viel zu hoher Brennraumtemperaturen: Ölnebeldämpfe, die nicht mehr ausreichend von der Ölnebeldampfabscheidung vom Brennraum ferngehalten werden. Diese erschleichen sich quasi den Zutritt in den Zylinder. Weil der Ölnebeldampfabscheider diese wegen Wartungsmängel nicht mehr zurückhält. Zwei weitere Gründe lägen in der Abdichtung der Abgasturbolader-Welle oder verschlissener Einlassventil-Führungen. Schmieröl, das in zu großen Mengen am falschen Ort auftritt und den Biogasmotoren-Kollaps herbeiführen kann.

Diese Schadensursache arbeitet lange Zeit im Verborgenen und schlägt dann kräftig zu. Man kommt ihr nur auf die Spur, wenn die Betriebsdaten des Motors sorgfältig ausgewertet werden und eine durchgängige Wartung geschieht. Neben den Ölnebeldämpfen aus dem Kurbelgehäuse sind Schmierölleckagen aus unzureichenden Abdichtungen wörtlich brandgefährlich. Weil im Brennraum durch zusätzlich verbranntes Schmieröl zu viel Hitze entsteht, die in der Folge den Kolbenboden zum Schmelzen bringt.

In einem neuen zweiteiligen Online-Seminar erfahren Betreiber von Biogas-BHKWs zwei Dinge : erstens, welche weiteren Ursachen die Temperaturen im Brennraum unzulässig erhöhen. Und zweitens, wie Betreiber sich wirksam dagegen schützen können. Erster Veranstaltungstermin ist am 22. und 23. Februar 2022 , Details erfahren Sie unter diesem Link .

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

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.