BHKW in der Praxis - - Bayern

Biogas – Fortbildungsseminar am 08.02.2011 in Kloster Banz
BHKW in der Praxis -
Einflussfaktoren auf den Betrieb
Dipl.-Ing. (FH) Volker Aschmann
Dr. Mathias Effenberger
Dr. Andreas Gronauer
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
an der
Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-1/ 34

Inhalt
1. BHKW-Allgemein
- Marktübersicht und Trends
2. Elektrischer Wirkungsgrad
- Berechnung
- Einflussfaktoren (Einstellung, Wartung, Standzeit)
- Theorie und Praxis
3. Emissionsproblematik aus der Praxis
- Einflussfaktoren
- Formaldehyd
- Abgasnachbehandlung
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-2/ 34

1. BHKW Allgemein (Marktübersicht)
Herst eller Mot or Prinzip Leist ungsklassen kW el.
GE Jenbacher GE GO 250 kW – 3 MW
MTU ( MDE) MTU GO 120 – 370 kW
Hagl MAN GO 40 – 380 kW
AVS MAN GO 50 – 360 kW
Hochreiter MAN GO ab 30 kW
NQ VW GO 15 – 40 kW ansonsten Hagl
Dreyer& Bosse MWM GO
ZS
Schnell
Enertronic
SUSI
Scania
MAN,
Liebherr
ZS
GO
80 kW – 2 MW
70 – 265 kW
40 – 75 kW
110 – 340 kW
34 kW – 366 kW
Geisberger MWM GO 90 – 500 kW
Köhler& Ziegler GO 100 kW – 1,7 MW
Pro2
GE, MAN
MWM
2 G GE, MAN
MWM
GO
GO
190 kW – 3 MW
35 kW – 1 MW
SEVA GO 50 kW – 2 MW
Völkl Liebherr GO bis 400 kW
Guggem oos
MAN,
MWM
GO
50 kW – 2 MW
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1. BHKW Allgemein (el. Wirkungsgrade)
50
Gas-BHKW
Zündstrahl-BHKW
elektrischer Wirkungsgrad [%]
45
40
35
30
0
0 100 200 300 400 500 600
elektrische Leistung [kW]
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-4/ 34

1. BHKW Allgemein (Trends)
Belarus BHKW: 40 kW el.
Motor: 2.800 €
el. Wirkungsgrad: ca. 29 - 34 % ?
Emissionswerte: ??
Foto: Aschmann
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-5/ 34

1. BHKW Allgemein (Trends)
2G ‚agenitor‘ (MAN): 220kW el.
el. Wirkungsgrad: 40,6 %
„thermodynamische Motoroptimierung“
Foto: 2G
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-6/ 34

1. BHKW Allgemein (Trends)
Schnell SCANIA 2659 GT: 265 kW el.
Gasturbine (30 kW el. ) im Abgastrakt
el. Wirkungsgrad: 47 %
Foto: Schnellmotor
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-7/ 34

1. BHKW Allgemein (Trends)
Schnell Mitsubishi: 400 bis 1.700 kW el.
Zylinder: 6, 12 u. 16
el. Wirkungsgrad: bis 49 %
Zündölverbrauch: 0,5 bis 2 %
Foto: Zäh
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1. BHKW Allgemein (Trends)
MTU Onsite Energy: 770 bis 2.000 kW el.
Zylinder: 6, 12, 16 u. 20
Foto: MTU
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Inhalt
1. BHKW-Allgemein
- Marktübersicht und Trends
2. Elektrischer Wirkungsgrad
- Berechnung
- Einflussfaktoren (Einstellung, Wartung, Standzeit)
- Theorie und Praxis
3. Emissionsproblematik aus der Praxis
- Einflussfaktoren
- Formaldehyd
- Abgasnachbehandlung
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Berechnung)
Berechnung: η el. = produzierte Energie (kW prod. )
zugeführte Energie (kW zug. )
Was brauche ich zur Berechnung:
• Methangehalt im Biogas vor dem BHKW (CH 4 : 9,97 kWh•m -3 )
• Normiertes Gasvolumen: Betriebsvolumen, Temperatur, Druck,
Feuchtigkeit (p 0 = 1013,25 hPa; T 0 = 273,15 K)
V 0 = p 1 •V 1 •T 0 •(T 1 •p 0 ) -1
• vom Generator abgegebene elektrische Arbeit (kWh)
• wichtige abhängige oder unabhängige Hilfsaggregate
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Berechnung)
Bsp.: Gas-BHKW
- Methangehalt: 52,8%
- Normgasverbrauch: 267,1 m 3
- Energieoutput: 524,5 kW
- Nebenaggregate: 3 kW
=> ŋ el. = 37,0%
Auswirkung Messfehler in der Praxis (5% Abweichung):
Methangehalt 55,4% bzw. Normgasverbrauch 270 m 3
=> ŋ el. = 35,2% oder 38,9%
GAF (größter anzunehmender Fehler)
= keine Normierung des Gases
=> ŋ el. = 32,6%
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Berechnung)
Vergleichbarkeit des elektrischen Wirkungsgrades durch
Berechnung nach DIN 3046-1
Normbezugsbedingungen:
25 °C bei 1000 mbar und 30% r F
Einflussfaktoren sind:
- Umgebungsluftdruck
- Umgebungstemperatur
- Ansauglufttemperatur
- Motortyp (Turbolader, Ladeluftkühler)
=>Berechnung eines Korrekturfaktors
für den spezifischen Gasverbrauch
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Berechnung)
Für das Bsp.: Korrekturfaktor 1,009 => η el. = 37,3 %
Laut DIN 3046-1 :
„beträgt die obere Grenzabweichung für
den spezifischen Kraftstoffverbrauch
+5% bei Nennleistung“
D.h. anstatt 267,1 m 3 => 253,7 m 3
=> ŋ el. = 39,0 % gemäß DIN 3046
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-14/ 34

2. Der elektrische Wirkungsgrad (Motoreinstellung)
2000
1750
NO x CO C n H m el. Wirkungsgrad
45,0
42,5
NO n H m [mg*m -3 x , CO und C
]
1500
1250
1000
750
500
980
38,8
834
1185
CO-Grenzwert
NO x -Grenzwert
488
37,6
802
1375
40,0
37,5
35,0
32,5
30,0
el. Wirkungsgrad [%]
250
27,5
0
leistungsoptimiert
NO x optimiert
0
526 kW el.
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Motoreinstellung)
Bsp. 526 kW el. :
η = 38,6% => Gasverbrauch = 260 m 3 •h -1
η = 37,6% => Gasverbrauch = 267 m 3 •h -1
=> Gasmehrverbrauch von 30.000 m 3 •a -1 CH 4 bei 8.500 Bh
1 ha Mais = ca. 5.000 m 3 CH 4
=> 1% Wirkungsgradverlust ≈ 6 ha Mais
Monetäre Bewertung durch entgangenen Nutzen:
30.000 m 3 •a -1 CH 4 = 115.800 kWh Nutzungsausfall
=> 1% Wirkungsgradverlust ≈ 20.000 €
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-16/ 34

2. Der elektrische Wirkungsgrad (Wartung)
3000
42
NO x, CO und C nHm [mg*m -3 ]
2500
2000
1500
1000
38,8
NO x CO C n H m el. Wirkungsgrad
38,8
37,9
38,0
37,6
37,3 37,3
36,0
Generalüberholung
38,1
40
38
36
34
el. Wirkungsgrad [%]
500
32
Bh
0
Messpunkt
3935 6100 8050 10622 17310 23740 29560 33470 37200
06-I 07-I 07-II 07-III 08-I 09-I 09-II 10-I 10-II
30
526 kW el.
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Standzeit)
elektrischer Wirkungsgrad [%]
46
44
42
40
38
36
34
32
30
0
190 kW 324 kW 526 kW-I 526 kW-II 110 kW 250 kW
0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000
Betriebsstunden [Bh]
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Standzeit)
BHKW
geleistete
Betriebsstunden
Ø el. Wirkungsgrad
[%]
Herstellerangaben
[%]
Differenz
190 kW GO 1 46.300 34,8 37,3 - 2,5 %
324 kW GO 40.000 35,3 38,1 - 2,8 %
526 kW GO 37.200 37,8 40,4 - 2,6 %
110 kW ZS 2 33.000 38,2 39,7 - 1,5 %
250 kW ZS 37.000 39,5 43,0 - 3,5 %
1
) GO: Gas-BHKW; 2 ) ZS: Zündstrahl-BHKW
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2. Der elektrische Wirkungsgrad (Theorie und Praxis)
50
Gas-BHKW Zündstrahl-BHKW Gas-BHKW gem. Zündstrahl-BHKW gem.
elektrischer Wirkungsgrad [%]
45
40
35
30
elektrischer Wirkungsgrad [%]
0
0 100 200 300 400 500 600
elektrische Leistung [kW]
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-20/ 34

Inhalt
1. BHKW-Allgemein
- Marktübersicht und Trends
2. Elektrischer Wirkungsgrad
- Berechnung
- Einflussfaktoren (Einstellung, Wartung, Standzeit)
- Theorie und Praxis
3. Emissionsproblematik aus der Praxis
- Einflussfaktoren
- Formaldehyd
- Abgasnachbehandlung
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3. Emissionsproblematik aus der Praxis
NO x , CO, C n H m Konzentration im Abgas
hoch
gering
1,0
stöchiometrisch
Lambda-Wert ansteigend
NO x CO C n H m
Magerbetrieb
verändert nach JENBACHER 2002
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3. Emissionsproblematik (Einflussfaktoren)
Vergleich:
leistungsoptimiert – No x -optimiert – Teillast
Quelle: Jin 2010
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3. Emissionsproblematik (Formaldehyd HCHO)
3000
150
NO x CO C n H m HCHO Zündölanteil el. Wirkungsgrad
NOx und CnHm C [mg*m -3 ]
2500
2000
1500
1000
500
0
36,4
117
121
CO-Grenzwert
86
HCHO-Grenzwert
NO x -Grenzwert
37,9
36,4
247 kW el. 247 kW el. 199 kW el.
4,8
3,9
6,8
eta-optmiert
NO x -optimiert
Teillast
100
50
0
Zündölanteil [%], HCHO [mg*m
-3 ]
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-24/ 34

3. Emissionsproblematik (Formaldehyd HCHO)
4000
400
NO x CO C n H m HCHO el. Wirkungsgrad Zündölanteil
350
NOx, CO und CnHm C [mg*m -3 ]
3000
2000
1000
0
245
CO-Grenzwert
67 kW el.
100
NO x -Grenzwert
77
HCHO-Grenzwert
37,5
37,7
6,9
8,6
15,6
NOx-optimiert
eta-optmiert
33,9
Teillast
67 kW el. 47 kW el.
300
250
200
150
100
50
0
el. Wirkungsgrad und Zündölanteil [%],
HCHO [mg*m
-3 ]
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-25/ 34

3. Emissionsproblematik (Formaldehyd HCHO)
4000
3500
NO x HCHO
117
160
140
3000
120
[mg*m -3 ]
NOx
2500
2000
1500
1000
38
63
77
24
HCHO-Grenzwert
38
100
80
60
40
HCHO [mg*m
-3 ]
500
10 12
2
15 17
NO x -Grenzwerte
20
0
6
1. 2. 1. 1. 1. 1. 2. 1. 2. 1. 1. 2.
0
30 kW el. 100
kW el.
190
kW el.
324
kW el.
526 kW el.
(Oxi-Kat)
75 kW el. 110
kW el.
250 kW el.
Gas-BHKW
Zündstrahl-BHKW
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-26/ 34

3. Emissionsproblematik (Kohlenwasserstoffe C n H m )
3500
3000
C n H m
NO x
NO n H m [mg*m -3 x und C
]
2500
2000
1500
1000
500
0
8000
9120
16375
20354
26850
33670
37170
4900
7595
11400
13525
20690
26980
3935
6100
8050
10622
17310
23740
06-I 06-II 07-I 07-II 08-I 09-I 09-II 06-I 06-II 07-I 07-II 08-I 09-I 06-I 07-I 07-II 07-
III
08-I 09-I
190 kW el. 324 kW el. 526 kW el.
Gas-BHKW
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-27/ 34

8
7
6
5
4
3. Emissionsproblematik („Methanschlupf“)
200
"Methanschlupf"
CO 2 -Äquivalent
175
150
125
100
"Methanschlupf" [%]
06-I
06-II
07-I
07-II
08-I
09-I
06-I
06-II
07-I
07-II
08-I
09-I
06-I
07-I
07-II
07- III
08-I
09-I
06-I
06-II
07-I
07-II
08-I
08-II
09-I
06-I
07-I
07-II
08-I
09-I
09-II
CO2-Äquivalentemissionen [g*kWh
-1 ]
3
2
1
0
75
50
25
0
190 kW el. 324 kW el. 526 kW el. 110 kW el. 250 kW el.
Gas-BHKW Zündstrahl-BHKW
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3. Emissionsproblematik (Abgasnachbehandlung)
Prinzip: Oxidation von CO, HC -> CO 2 + H 2 O
Vorteil:
- sehr preisgünstig
- Verringerung von CO und Formaldehyd
Nachteil:
- sehr anfällig für H 2 S
- sehr gute Gasreinigung nötig
- Standzeit ca. 8.000 bis 10.000 Bh
- keine Reduktion von NO x
Quelle: Bosch AG
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-29/ 34

3. Emissionsproblematik (Abgasnachbehandlung)
NO 2 O [mg*m -3 x , CO, C n H m , CH
]
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
454
1042
1688
NO x CO C n H m CH 2 O
1621
485
92
76
CO-Grenzwert
NO x -Grenzwert
CH 2 O-Grenzwert
7
vor Oxi-Kat
nach Oxi-Kat
526 kW el.
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-30/ 34

3. Emissionsproblematik (Abgasnachbehandlung)
Prinzip: thermische Oxidation von CO, HC -> CO 2 + H 2 O
Vorteil:
- Verringerung von CO, C n H m und Formaldehyd
Nachteil:
Quelle: GE Jenbacher
- technisch aufwändig und kostenintensiv
- weiterer Brennstoff nötig
(ca. 2 % des produzierten Biogases)
- keine Verringerung von NO x
Quelle: Eisenmann
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-31/ 34

3. Emissionsproblematik (Abgasnachbehandlung)
Prinzip:
Reduktion von NO 2 durch NH 3 -> N 2 + H 2 O
Vorteil: - sehr geringe NO x -Emissionen (< 100 mg*m -3 )
- Einsatz bei optimierter Motorleistung
1 Denoxtronic-Fördermodul,
2 AdBlue-Tank,
3 Filter,
4 Temperatursensor,
5 AdBlue-Füllstandssensor,
6 Dosiersteuergerät DCU,
7 Steller,
8 Sensoren,
9 Motor-CAN,
Nachteil:
10 Diagnose-CAN,
11 AdBlue-Dosiermodul,
12 Abgassensor,
13 Oxidations-Katalysator,
14 SCR-Katalysator,
15 Slip-Katalysator
- technisch aufwändig und kostenintensiv
- Vorschaltung eines Oxi-Kats nötig
- Bevorratung eines Brennstoffes (Harnstoff)
- erhöhte Ammoniakemissionen bei Überdosierung
Quelle: Bosch AG
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-32/ 34

6. Zusammenfassung
• Grundlegendes Problem:
keine kostengünstige Möglichkeit NO x nach der
Verbrennung zu reduzieren
=> NO x -optimierte Einstellung der Motoren
negativer Einfluss auf:
- elektrischen Wirkungsgrad
- Kohlenwasserstoffe
- Formaldehyd
⇒ Reduzierung von CO und Formaldehyd durch Oxi-Kat
⇒ keine Reduzierung der klimarelevanten Kohlenwasserstoffe
• Alle über längere Zeit untersuchten BHKW liegen im Mittel bei
Zündstrahl-BHKW 2,5 % und bei Gas-BHKW 3,0 % unterhalb
der Herstellerangaben
Aschm ann I LT2a 111 Av 002-33/ 34

Vielen Dank
für die
Aufmerksamkeit
Weiterführende Informationen unter:
http://www.lfl.bayern.de/itt/umwelttechnik/
oder
http://www.biogas-forum-bayern.de/
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