Wenn Sie Ihre Biogasanlage flexibilisieren, bauen Sie zusätzliche elektrische Leistung zu. Doch die zugebaute Kapazität allein sorgt noch nicht dafür, dass Sie Ihre Biogasanlage auch wirklich flexibel nutzen. Soll Ihr Blockheizkraftwerk zu Zeiten hoher Strompreise an der Strombörse Vollgas geben und zu Zeiten niedriger Preise dafür nicht produzieren, brauchen Sie neben Gas- und Wärmespeichern auch die Gewissheit, dass Sie jederzeit auf das zuverlässige Verhalten Ihres Blockheizkraftwerkes zählen können.
Keine Frage, ein flexibler Betrieb ist anders als der Betrieb in Grundlast. In der Strom-Direktvermarktung waren für Sie als Anlagenbetreiber 2018 vor allem die Primärregelleistung (PRL, englisch FCR) und die Sekundärregelleistung (SRL, englisch aFRR) mit positiver oder negativer Regelleistung interessant. Dabei wird Ihr BHKW innerhalb von 30 Sekunden nachgeregelt bzw. in fünf Minuten (SRL) von null auf volle Leistung gebracht, komplett abgeschaltet oder in die Teillast geregelt. Das sind hohe Anforderungen an Ihre Anlage und das BHKW-Modul.
Jenbacher Gasmotoren sind darauf vorbereitet – schließlich laufen viele davon im industriellen Umfeld, und da ist Flexibilität schon lange oberstes Gebot.
Welche Herausforderungen mit dem flexiblen Betrieb nun genau auf Ihre Anlage zukommen, warum Jenbacher Motoren diesen mehr als gewachsen sind und was Sie selbst tun können, um einen erfolgreichen flexiblen Betrieb zu gewährleisten, lesen Sie in diesem Beitrag.
Welche Herausforderungen stellen viele Starts und Stopps an Ihr Blockheizkraftwerk?
Bis zur Flexibilisierung wurden Biogasanlagen als Grundlastlieferanten das ganze Jahr möglichst mit Volllast betrieben. Das Ziel hieß: durchfahren, solange Gas da ist. Abgeschaltet wurde nur zu Wartungszeiten. Werden die Anlagen nun überbaut und mit zusätzlicher Leistung erweitert, müssen sie viel öfter starten – bis zu dreimal pro Tag, wenn man die Flexibilisierung konsequent umsetzt. Dafür werden die BHKW deutlich weniger Betriebsstunden pro Jahr haben, Schätzungen gehen von 2.000 bis 6.000 Stunden aus.
Herausforderung Startzuverlässigkeit im Blockheizkraftwerk
Jeder Startvorgang hat Einfluss auf die Anlage. Hinzu kommt, dass das Biogas im BHKW kein genormter Brennstoff ist, sondern seine Zusammensetzung und seine Qualität bei jedem Start der Anlage auch in Abhängigkeit von der Stillstandszeit anders sein kann. Der Motor im BHKW muss sich also schnell auf unterschiedliche Gasqualitäten einstellen können.
Um die Startzuverlässigkeit zu gewährleisten, muss in den Anlagen ein konstanter Vordruck sichergestellt sein. Außerdem sollte eine schnelle und präzise Gasdosierung möglich sein, und das BHKW sollte mit unterschiedlichen Heizwerten des Biogases zurechtkommen. Und optimal eingestellte Zündkerzen tragen ebenfalls dazu bei, den Startvorgang zu verbessern und einen reibungslosen Ablauf zu garantieren.
Herausforderung Verschleiß im Blockheizkraftwerk
Natürlich steigt bei häufigeren Starts auch der Verschleiß einiger Komponenten. Die erhöhte Startzahl fordert Lager und Kurbelwelle besonders. Im flexiblen Betrieb ist es aber wichtig, den Verschleiß dieser Bauteile möglichst gering zu halten, um den zusätzlichen Erlös nicht durch Austausch und Reparaturen wieder zunichtezumachen. Denn müssten solche Teile überproportional oft ausgetauscht werden, würde das richtig ins Geld gehen.
Um den Verschleiß der Motoren während des Starts zu minimieren und schnelle Starts aus dem Stillstand sicherstellen zu können, werden BHKW mit Jenbacher Motoren standardmäßig mit einer Vorwärmung ausgerüstet: Hier wird das Motorkühlwasser mittels Heizpatronen während der Stillstandsphasen auf etwa 50 bis 60 °C gehalten. Alternativ funktioniert das auch hydraulisch mit (ohnehin vorhandenem) Warmwasser aus dem Pufferspeicher – dieses Prinzip funktioniert bei Anlagen mit Pufferspeicher oder bei Mehrmotorenanlagen sehr gut und hilft zusätzlich, den Hilfsenergiebedarf der Anlage zu reduzieren.
Bei den Baureihen im größeren Leistungsbereich gibt es zusätzlich die Möglichkeit der Vorschmierung: Sobald der Startknopf gedrückt wird, startet der Ölkreislauf und schmiert die Lager vor. Gegebenenfalls wird dann auch beim Abschalten nachgeschmiert.
Sowohl Vorwärmung als auch Vor- und Nachschmierung schonen den Motor, ermöglichen, dass er innerhalb von Sekunden oder wenigen Minuten voll belastet werden kann, und verringern deutlich den Verschleiß.
Natürlich müssen im flexiblen Betrieb bestimmte Bauteile auch öfter gewartet werden. Die bisherigen Wartungspläne basieren rein auf den Betriebsstunden. Der Wartungsplan ist auf eine Betriebsdauer von beispielsweise durchschnittlich acht Stunden pro Motorstart ausgelegt. Spezielle Anwendungen (zum Beispiel die Erzeugung von Regelenergie) erfordern häufigere Starts. Dem damit verbundenen erhöhten Verschleiß ist durch zustandsorientierte Wartung von Bauteilen zu begegnen. Man wird also zukünftig nicht mehr nur auf die Betriebsstunden schauen, sondern auch die Anzahl der Starts bei den Wartungsintervallen mit einfließen lassen. 400 oder mehr Starts pro Jahr bei gleichzeitig geringeren Betriebsstunden erfordern also eine Anpassung. Darauf haben sich die Hersteller bereits eingestellt und bieten Lösungen an.
Herausforderung Kondensation im Blockheizkraftwerk
Das Problem der Kondensation existierte auch bereits in der Vergangenheit, war aber einfach zu umgehen: Da das BHKW so gut wie immer lief, gab es sehr wenig Stillstandszeiten, nichts kühlte aus. Durch die vermehrten Aufwärm- und Abkühlphasen, die damit verbundenen Temperaturschwankungen und lange Stillstandszeiten beim flexiblen Betrieb steigt jetzt allerdings die Kondensationsgefahr in Motor, Generator, Abgasanlage und Aktivkohlefilter. Bei Stillstand der Anlage kann bei kalten Außentemperaturen Wasser in der Gasleitung und auch in einem Aktivkohlefilter kondensieren. Dies lässt sich durch geschickte Leitungsführung oder Begleitheizungen vermeiden. Beim Motor selbst verhindern Warmhalteeinrichtungen und Stillstandsheizungen im Generator, dass Ab- oder Treibgas bei Stillstand auskondensiert. Dadurch, dass sowohl der Motor als auch die Peripherie warmgehalten und geschmiert werden, bildet sich also selbst bei Stillstand kein Kondensat.
Welche Herausforderungen stellt der Teillastbetrieb an Ihr Blockheizkraftwerk?
Für hochwertige Anlagen ist der Teillastbetrieb – genauso wie die vielen Starts und Stopps – eine Herausforderung, die sie locker stemmen können. Fährt die Anlage im Bereich zwischen 50 und 100 Prozent, gibt es ohnehin keine Probleme. Alles, was in den Bereich darunter geht, könnte gewisse Risiken bergen, über die Sie Bescheid wissen sollten:
Herausforderung Brennraumverschmutzung im Blockheizkraftwerk
Im Teillastbetrieb unter 50 Prozent lässt der Druck im Zylinder (Brennraum) nach. Das hat zur Folge, dass der Schaberring (Ölabstreifring), der sich am Kolben befindet und das Schmieröl nach unten abzieht, nicht mehr so stark gespannt ist – der optimale Druck herrscht nur bei Volllast. Infolgedessen würde das Öl nicht mehr richtig abgezogen werden und der Ölverbrauch würde steigen, weil ständig Öl nachfließt. Das könnte zu Brennraumverschmutzung führen. Allerdings werden bei der Entwicklung der Motoren genau diese Betriebszustände bereits berücksichtigt und die Anlagen so konstruiert, dass dies in der Regel nicht passieren kann.
Idealerweise werden die Anlage und sämtliche Komponenten so ausgelegt, dass man in Teillast fahren kann – und das sicher und ohne Nachteile für die Maschine wie beispielsweise Brennraumverschmutzung oder Kondensationsgefahr im Abgaswärmetauscher. Optimal wäre natürlich ein stufenloser Betrieb zwischen 0 und 100 Prozent. Teillastgrenzen sind aber ein Kompromiss zwischen einem höchstmöglichen Wirkungsgrad bei Volllast und der Fähigkeit der Maschine, auch in Teillast zuverlässig zu arbeiten, Emissionsgrenzwerte einzuhalten und keinen erhöhten Verschleiß herbeizuführen.
Herausforderung Wirkungsgradverlust im Teillastbetrieb
In Teillast sinkt der elektrische Wirkungsgrad der Anlage ab. Das ist physikalisch bedingt und lässt sich auch nicht verhindern, da sich die Reibungsverluste in der Maschine nicht proportional zur Leistungsreduzierung verringern. Allerdings hört sich das schlimmer an, als es wirklich ist. Denn je nach Regelenergieart ist die Leistungsreduzierung der Maschinen die Ausnahme und muss nicht lange in Kauf genommen werden, weil die Maschinen häufig nur sehr kurz in Teillast gehen bzw. der maximal mögliche Teillastbereich ohnehin nie voll ausgeschöpft wird. Meist fahren die Anlagen im Bereich zwischen 70 und 100 Prozent.
Übrigens: Bei Anlagen mit Wärmenutzung wird der elektrische Wirkungsgradverlust im Normalfall thermisch wieder aufgeholt – man produziert etwas mehr Wärme, sodass der Gesamtwirkungsgrad nahezu konstant bleibt.
Unterm Strich zeigen die Erfahrungen, dass die Wirkungsgrade im Teillastbetrieb weniger absinken, als dies meist angenommen wird. Mögliche Einbußen können durch den Mehrerlös aus der Regelenergie aufgefangen werden.
Herausforderung Kondensationsgefahr in der Peripherie
Durch vermehrtes Herunterfahren der Anlage im Teillastbetrieb kann es zu Kondensation im Abgaswärmetauscher kommen. Dieser ist ja eigentlich für den Volllastbetrieb ausgelegt, bei dem das Gas mit etwa 400 °C in den Tauscher hineinströmt und mit z. B. 180 °C wieder hinausströmt. Wird der Motor heruntergefahren, strömt weniger Abgas in den Tauscher – die Fläche, an der das Gas gekühlt wird, ist aber die gleiche. Folglich wird das Abgas stärker abgekühlt als bisher, was zu Kondensation führen kann.
Sie sollten also bei der Auslegung des BHKW und aller seiner Komponenten auch den Teillastbetrieb beachten. Empfehlenswert ist es, ganz genau die Abgastemperatur zu überwachen und das Gas zu entschwefeln.
Befindet sich nämlich zu viel Schwefel im Treibgas, könnte es zu Problemen im Oxi-Katalysator und in der Abgasanlage kommen. Denn Schwefel ist ein Katalysatorgift – zu hohe Mengen an Schwefel im Treibgas bedingen, dass die Standzeit des Oxi-Katalysators sinkt, er deaktiviert und schließlich ganz zerstört wird. Möglicher Schwefelwasserstoff im Treibgas wird bei der Verbrennung im Motor zu Schwefeldioxid und über den Katalysator zu Schwefeltrioxid aufoxidiert. In Verbindung mit Wasser, das sich durch die erhöhte Kondensationsgefahr durch Teillastbetrieb und viele Starts und Stopps bilden kann, reagiert dieses Schwefeltrioxid zu Schwefelsäure. Diese wirkt korrosiv – auch bei Edelstahl – und beschädigt schließlich nicht nur den Katalysator, sondern die gesamte Anlage, speziell auch den Abgaswärmetauscher.
Was können Sie als Betreiber tun, um im flexiblen Betrieb ein zuverlässiges Verhalten Ihres Blockheizkraftwerkes zu gewährleisten?
Stellen Sie als Betreiber sicher, dass Ihr BHKW eine vernünftige Gasaufbereitung mit Entschwefelung und Gastrocknung hat. Sie sollten das auch kontinuierlich überwachen und die Gasqualität regelmäßig prüfen.
Machen Sie sich Gedanken, was mit der Anlage und sämtlichen Komponenten im Stillstand passiert. Kann der Abgaswärmetauscher, der im Freien steht, warmgehalten werden? Wie lässt sich verhindern, dass Rohre und Aktivkohlefilter bei kalter Witterung einfrieren? Isolierung, Begleitheizungen und eine gute Kondensatableitung wären hier eine Lösung; Frostschutzmittel eignen sich nur für Wasserkreisläufe. Lässt sich auch der Generator auf Temperatur halten?
Denken Sie auch darüber nach, wie Sie Ihr BHKW zukünftig betreiben wollen. Eine große Überbauung schreckt vielleicht erst einmal ab, hat aber bei genauer Betrachtung enorme Vorteile: Sie erzeugen in weniger Betriebsstunden gleich viel Energie und haben in Summe deutlich weniger Arbeit.
Sie sehen, bei einer flexibilisierten Anlage gilt es, viele Bausteine zusammenzufügen und dennoch das Gesamtsystem im Blick zu haben. Gehen Sie vor dem Bau mit dem Hersteller Ihrer Wahl sämtliche Punkte durch und entwerfen Sie gemeinsam einen Plan. Haben Sie alle Rahmenbedingungen festgelegt, steht dem zuverlässigen Verhalten Ihrer flexibilisierten Anlage nichts im Weg.
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