Aktivkohle Archives - Interessen Gemeinschaft Biogasmotoren

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.

Optimaler BHKW-Betrieb

8. November 2019 by Michael Wentzke

Ganztages-Seminare zum Thema „Optimaler BHKW-Betrieb“ stießen in jüngster Zeit auf großes Interesse der Betreiber. Oft wurden auch auf Wunsch die Themen ergänzt, die beim Flex-Betrieb zu beachten sind.

In den Veranstaltungen stellte sich heraus, dass die Interpretation der Betriebsdaten oft Schwierigkeiten bereitet. Damit fehlen wichtige Informationen, um die Schadenprävention zu unterstützen. Mit den täglich erfassten Betriebsdaten des BHKWs hätte der Betreiber die Chance, frühzeitig gemeinsam mit dem Servicepartner vorbeugend einzugreifen.

Es geht dabei um Gefahren erhöhter Temperaturen in den Kühlkreisläufen und in der Gemischversorgung, die den Betreiber bei Nichtbeachtung viel Geld und ungeplante Stillstände kosten. Beispielhaft seien 6 Einflussfaktoren angesprochen, die in der Praxis immer wieder zu teuren Störungen führen.

1. Betriebstemperaturen in Kühlkreisläufen zu hoch

Hohe Kühlwassertemperaturen führen zu vorzeitiger Materialermüdung im Bereich der Zylinderköpfe, Laufbuchsen und Zündkerzen. Diese Bauteile erreichen früher ihre Verschleißmaße und erhöhen somit die Betriebskosten. Die Standzeiten dieser Bauteile sind bei den gleichen Motortypen sehr unterschiedlich und weisen auf die unterschiedlichen Arbeitsumgebungen der Motoren hin. Darauf hat schon der Anlagen-Planer und Projektierer einen großen Einfluss. Liefert die Inbetriebnahme des Aggregates keine Betriebstemperaturen im Sollbereich, sind die Wurzeln für vorzeitigen Verschleiß gelegt.

Es gibt mehrere Ursachen für zu hohe Betriebstemperaturen in Kühlkreisläufen, die auch in der zunehmenden Verschmutzung der Wärmetauscher liegen. Deshalb sind die Temperaturänderung der Kühlmedien wichtige Indikatoren für anstehende Reinigungsarbeiten an Wärmetauschern und Notkühlern.

2. Schmieröltemperatur im BHKW-Betrieb zu hoch

Schmieröl kann eine Menge Temperatuerhöhung ertragen, bevor der Schmierfilm reisst. Aber weit davor sind wichtige Additive schon zerstört. Und die Schmierölanalyse zeigt hohe Oxidationswerte, die einen vorzeitigen Schmiereölwechsel erfordern. Die Schmieröltemperatur zeigt ein Sympton an (im Motor herrschen zu hohe Temperaturen) und wirkt selbst auf die zu schmierenden Bauteile mit weniger Leistung als Schmieröl (Additive zerstört) ein.

Auch hier gibt es ein Ursachenbündel, das vom verschlammten Ölkühler bis zur klopfenden Verbrennung des Motors reicht. Oft wirken auch mehrere Ursachen gleichzeitig und erfordern daher eine saubere Auswertung der Motor-Betriebsdaten. Wer zu früh mit der Fehlersuche aufhört, wundert sich dann, dass die Temperatur immer noch zu hoch ist.

3. Hohe Gemischtemperatur führt zur Leistungsreduktion oder zum Totalschaden

Gute Motorsteuerungen schützen den Motor vor zu heißem Gemisch und reduzieren die Motorleistung. Bis die Gemischtemperatur wieder ein erträgliches Temperaturniveau erreicht hat. Wer keine Sensorik hierfür hat, läuft Gefahr, dass zu hohe Brennraum-Temperaturen und -Drücke den Motor massiv schädigen. Dies reicht dann bis zum einzelnen oder gemeinschaftlichen Kolbenfresser und Lagerversagen.

4. Ölnebeldämpfe im Brennraum

Der verborgene Champion mit starker Zerstörungskraft im Motor sind Ölnebeldämpfe. Als starke Brandbeschleuniger führen sie ausnahmslos zu massiven Motorschäden. Den Zustand der Ölnebeldampfabscheidung sauber im Auge zu behalten, ist daher eine wichtige Aufgabe im BHKW-Betrieb. Überhaupt hat Schmieröl nichts im Ansaugtrakt zu suchen, kommt es nun von undichten Turboladern oder von verschlissenen Einlassventilführungen.

Je nach Menge des in den Brennraum eingetragenen Schmieröles werden auch Bauteile im Abgastrakt durch harte Beläge und Ölkohleaufbau geschädigt, wie z.B. der Abgasturbolader.

5. Kondensatabführung

Gerade im Winterhalbjahr ist die Gefahr der Kondensatbildung in der Biogasleitung groß. Wenn durch unzureichende Erwärmung oder Rohrisolierung die Feuchtigkeit im Biogas ausfällt, bekommt im schlimmsten Fall der Motor durch die Wassermenge Schluckbeschwerden. Überdies hinaus erhalten die Komponenten wie Nulldruckregler oder Gemischregler mit dem Kondensat auch Schmutzpartikel, die sich in den empfindlichen Bauteilen ablagern und zu Störungen führen.

Freie Kondensatschächte und regelmäßige Entleerung der Kondensatabzüge von Abgaswärmetauschern sind wichtige Programmpunkte im BHKW-Betrieb, da anderenfalls dort auch große Korrosionsgefahr droht.

6. Biogasaufbereitung im BHKW-Betrieb oft vernachlässigt

Die Qualität der Biogasaufbereitung steht und fällt mit dem Fahren im optimalen Bereich der Aktivkohle. Im Seminar „Optimaler BHKW-Betrieb“ wird genau erläutert, welche Bestandteile (u.a. Sauerstoffgehalt) und Zustandsgrößen (Feuchte und Temperatur) zu einer optimalen Beladungsleistung der eingesetzten Aktivkohle führen. Für Schwefelwasserstoff gilt eine Null-Toleranz-Politik, um Lagerschäden, versauerndes Schmieröl und korrodierte Abgaswärmetauscher zu vermeiden. Die penible Überwachung wird mit höherer Verfügbarkeit des Aggregates und geringeren Betriebskosten (insbesondere Instandhaltung und Ausfallkosten) belohnt.

Technische Betriebsführung erfordert Hand am Puls des Biogasmotors

Die im BHKW-Betrieb gewonnenen Motor-Betriebsdaten geben klare Signale, was für einen weiteren störungsfreien Betrieb zu tun ist. Entweder für den Betreiber selbst oder den involvierten Service-Betrieb. Es gäbe also gute Chancen, die heute noch sehr unterschiedlich hohen Ausfallzeiten und Instandhaltungskosten auf ein günstiges Maß zu reduzieren. Wenn Betreiber und Servicepartner die kontinuierlich gemessenen Daten bewerten und dann rechtzeitig (nicht zu früh oder zu spät) gegensteuern.

Häufig sind es die kleinen Stellschrauben, die oft Wunder wirken und den Alltagsstress mit dem BHKW deutlich reduzieren. Wir unterstützen Betreiber hierin, z.B. mit den schon oben angesprochenen Seminaren, die insbesondere auch für den Flex-Betrieb wichtige Hinweise enthalten. Aktuelle Termine sind hier für Nienburg und Freiberg verlinkt.

Qualität der Aktivkohle punktet

28. Januar 2019 by Michael Wentzke

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

die Rohgastemperatur zu tief ist,
die relative Feuchte zu groß oder zu klein ist und
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.