Verlauf des elektrischen Wirkungsgrades biogasbetriebener BHKW

Anlage

BHKW in der Praxis

Für die ökonomische Betrachtung des Blockheizkraftwerkes (BHKW) einer Biogasanlage spielt der elektrische Wirkungsgrad die Hauptrolle.
Der unter optimalen Bedingungen im Prüfstand ermittelte Wirkungsgrad des BHKW nach Herstellerangabe wird in der Praxis i. A. jedoch nicht erreicht. Der tatsächliche Wert und der Verlauf des elektrischen Wirkungsgrades über die Motorstandzeit, der für die Wirtschaftlichkeit mitentscheidend ist, wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst.

Zielsetzung

Im Rahmen dieses Projektes sollen der durchschnittliche Wirkungsgrad unter Praxisbedingungen über die gesamte Standzeit von Blockheizkraftwerken (BHKW) ermittelt werden.
Gleichzeitig soll bei bei den Motoren auch das Abgasverhalten untersucht werden.

Methode

Die Messungen erfolgen an zehn BHKW unterschiedlicher Leistungsklassen von 30 bis 526 kW elektrischer Leistung. Während einer vierstündigen Dauermessung werden dem BHKW zugeführte Stoffströme (Gasmenge, -temperatur, -druck, -zusammensetzung, sowie zugeführte Verbrennungsluft und Zündölmenge) und vom BHKW abgehende Stoffströme (Abgaszusammensetzung und elektrische Leistung) erfasst. Aus diesen Daten werden in Anlehnung an die DIN 3046-1 der elektrische Wirkungsgrad und die Schadstofffrachten im Abgas ermittelt.

Ergebnisse

Aus den hier vorgestellten Untersuchungen können folgende für die Praxis relevante Schlussfolgerungen gezogen werden:

  • Der elektrische Wirkungsgrad sinkt im Verlauf der Betriebsdauer eines BHKW. Die Höhe des Wirkungsgradabfalls hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab. Eine gute Wartungsstrategie einschließlich einer Generalüberholung kann den Verlauf des elektrischen Wirkungsgrades positiv beeinflussen. Dabei hat sich gezeigt, dass eine Wartung und Generalüberholung ausschließlich durch den Hersteller den besten Effekt erzielt.
  • Im Vergleich zu den Angaben des BHKW-Herstellers sind für eine sichere Kalkulation der monetären Einnahmen bei der Anlagenplanung über die gesamte Laufzeit des BHKW Abstriche von mindestens 3%-Punkten zu machen (siehe Abbildung).
  • Die Motoreinstellung hat einen sehr großen Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad und die Schadgasemissionen. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass ein Konflikt besteht zwischen dem Bestreben, eine möglichst effiziente Verstromung zu erreichen und gleichzeitig die NOx-Grenzwerte einzuhalten. Die energetisch günstigste Einstellung bei der Verbrennung bedingt gleichzeitig sehr hohe NOx-Konzentrationen im Abgas, die außermotorisch derzeit nicht reduziert werden können.
  • Eine Motoreinstellung hin zu einer NOx optimierten Fahrweise erlaubt einerseits die Einhaltung der NOx-Grenzwerte, bedingt aber anderseits durch einen hohen Luftüberschuss im Verbrennungsprozess eine ineffiziente Verbrennung bei geringerem elektrischem Wirkungsgrad und erhöhtem Ausstoß an Kohlenwasser-stoffen und Formaldehyd.
  • Ein Oxi-Kat kann die durch die NOx optimierte Einstellung bedingten Mehremissionen an Formaldehyd sehr gut reduzieren, hat aber keinerlei Einfluss auf die ebenfalls vorhandenen Mehremissionen an Methan, was die Klimabilanz der Verstromung erheblich negativ beeinflusst. Die Reduktion dieser Mehremissionen ist nur in Verbindung mit einer thermischen Nachverbrennung möglich.
  • Für eine ökonomisch wie ökologisch effiziente Verstromung von Biogas wäre eine leistungsoptimierte Motoreinstellung mit einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlung für NOx die beste Variante. Hierfür wäre eine Weiterentwicklung und Adaption der SCR-Technik, wie sie bereits im LKW-Dieselbereich zum Einsatz kommt, wünschenswert. Hierdurch könnten nicht nur die Emissionsfrachten, sondern auch der Flächenverbrauch bei der Biogasproduktion gesenkt werden.
Projektinformation
Projektleitung: Dr. Mathias Effenberger
Projektbearbeitung: Volker Aschmann
Laufzeit: 2008-2011
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten