Brennstoffversorgung im BHKW - Ratgeber für Anlagenbetreiber, Teil 2

Diesmal geht es in unserer Ratgeber-Reihe „Komponenten“ um die Brennstoffversorgung. Sie ist ebenfalls ein wichtiger Baustein, um den bestmöglichen Betrieb Ihrer Anlage zu garantieren. Es gibt einiges, was Sie in Bezug auf die Gasaufbereitung mit Aktivkohlefilter und Gaskühlung, den Gasverdichter und den Gaszähler beachten sollten, damit Ihr Gesamt-System „Biogasanlage“ zuverlässig läuft. Was das ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Die Gasaufbereitung

Warum eine Gasaufbereitung?
Eine Top-Gasqualität an Ihrer Biogasanlage wird immer wichtiger. Gründe dafür gibt es mehrere: Zum einen steigen die gesetzlichen Anforderungen an die Emissionen; Hochleistungskatalysatoren sind erforderlich, um die Grenzwerte einzuhalten. Doch deren Feind Nr. 1 ist der bei Biogas kaum zu verhindernde minimale Schwefelgehalt im Abgas. Zum anderen werden momentan viele mit Biogas betriebene BHKWs auch für die Wärmenutzung optimiert. Das bedeutet: Die Abgastemperaturen werden weiter abgesenkt, wodurch das Risiko von Schwefel und Schwefelsäure in der Abgasanlage steigt. Damit steigt aber auch das Risiko, dass die Abgasanlagen durch den Schwefel geschädigt werden, sobald Kondensation einsetzt. Und schließlich kommt noch der zunehmende Flex-Betrieb mit vielen Starts und Stopps samt häufigeren Temperatur- und Feuchtewechseln hinzu. Dies erhöht das Risiko noch weiter, wodurch neben der Abgasanlage auch der Motor und weitere Komponenten gefährdet sein können.

Eine gute Gasaufbereitung kann all diese Risiken minimieren – und sogar noch dazu beitragen, dass der Wirkungsgrad Ihrer Anlage auf einem hohem Niveau bleibt und sich nicht stetig verschlechtert, weil sich weniger Ablagerungen bilden. Außerdem reduzieren sich auch die Servicekosten, denn die Brennräume sind sauber und müssen weniger gereinigt werden. Und die geringeren Schwefelwasserstoffkonzentrationen lassen das Motoröl nicht so schnell versauern, so dass es seltener gewechselt werden muss.

Wie funktioniert die Gasaufbereitung?
Eine Gasaufbereitungsanlage besteht aus einer Gaskühlung, einem Tropfenabscheider, einer Gaserwärmung und einer Entschwefelung wie beispielsweise einem Aktivkohlefilter. Das in der Gasstrecke zum BHKW bereits teilentfeuchtete Gas durchläuft die Gaskühlung, um den Feuchtegehalt weiter zu reduzieren. Hier wird dem Prozessgasmassenstrom Energie entzogen und über das Kühlmedium abgeleitet. Durch den Energieentzug kann sich das Prozessgas unter den Taupunkt etwa 13 °C abkühlen. Ein Teil der enthaltenen Feuchtigkeit kondensiert und wird über einen Vorlagebehälter abgeführt.
Die Gaserwärmung dient dann dazu, die relative Feuchtigkeit zu senken. Denn direkt nach dem Tropfenabscheider herrscht eine relative Feuchte von 100 %. Durch eine Erwärmung auf etwa 25 °C kann diese um ungefähr 50 % verringert werden.

Die Aktivkohleinheit besteht im Wesentlichen aus einem Behälter (wahlweise aus verschiedensten Materialien wie etwa Stahl oder PE), Aktivkohle, Arbeitspodest, Isolierung und einer Flex-Heizung. Der Gasaufbereitungsbehälter mit der Aktivkohle dient dazu, das Prozessgas von Schwefelwasserstoffen zu befreien, um eine Schädigung des Katalysators und des Abgaswärmetauscher durch den schädlichen Schwefel zu vermeiden. Dies geschieht mittels Adsorption an spezieller Aktivkohle. Der Aktivkohlebehälter wird von unten nach oben durchströmt. Die frische Aktivkohle wird oben eingefüllt und die beladene unten abgelassen. Wenn das BHKW nicht läuft, verhindert die Flex-Heizung erneutes Auskondensieren des Gases und damit eine Befeuchtung der Aktivkohle – was zu vermeiden ist, denn bei feuchter Aktivkohle ist die Umsetzrate deutlich geringer.

Was muss ich bei der Gasaufbereitung beachten?

• Planung und Aufstellung der Gasaufbereitung: Es ist wichtig, in welcher Reihenfolge die einzelnen Bestandteile angeordnet werden. Empfehlenswert ist es, das Rohbiogas im ersten Schritt abzukühlen, zu entfeuchten und dann nachzuerwärmen, damit Feuchtegehalt und Temperatur für den Aktivkohlefilter optimal sind. So muss die Wärme aus dem Kompressionsvorgang nicht unnötig im Gasverdichter mechanisch abgekühlt werden.
• Ableitung Kondensat: Das Kondensat ist aufgrund von Schwefelinhaltsstoffen sehr aggressiv und greift auf Dauer Bauteile an. Um ein sicheres Abführen des Kondensats zu gewährleisten, muss die Kondensat-Leitung groß genug dimensioniert sein und die Funktionstüchtigkeit sollte regelmäßig überprüft werden. Außerdem sollten Sie unbedingt eine Rohrbegleitheizung und Isolierung vorsehen, da das Kondensat im Winter einfrieren kann. Beim Anbringen der Isolierung sollten Besichtigungs- bzw. Reinigungsöffnungen und Sensorik-Anschlüsse zugänglich bleiben.
• Leistung Aktivkohlefilter: Damit eine hohe Beladungsleistung gelingt, sollte der Aktivkohlefilter ausreichend groß angelegt sein, so dass die Verweildauer des Gases beim Durchströmen des Behälters 4-6 Sekunden beträgt. Außerdem sollte der Betriebsbereich für die relative Gasfeuchte eng sein und bei etwa 50 % liegen. Die Gastemperatur liegt im Optimalfall bei etwa 23 °C. Eine zu geringe Gasfeuchte würde die Standzeit der Aktivkohle stark verkürzen und für frühe H2S-Durchbrüche sorgen. Daher wäre eine zu starke Abkühlung (unter 5 °C) und Trocknung (auf weniger als 30 % relative Feuchte) wegen des Stromverbrauchs des Kühlaggregats teuer und kontraproduktiv. Auch eine hohe relative Gasfeuchte (mehr als 80 %) ist zu vermeiden. Sie macht die Entschwefelung langsam und sorgt ebenfalls für frühzeitige, kleine H2S-Durchbrüche. Überdies muss der Aktivkohlefilter isoliert und warmgehalten werden, damit auch bei längeren Stillstandszeiten keine Kondensation erfolgt; sie würde die Funktion der Aktivkohle stark beeinflussen.
• Schwefel-Überwachung: Diese ist gemäß „Technischer Regel für Anlagensicherheit Biogasanlagen“, kurz TRAS 120 Stand der Technik: An geeigneter Stelle (beispielsweise zwischen Aktivkohleadsorber und BHKW) sollte eine automatische Einrichtung zur kontinuierlichen Messung und Erkennung von unerwünschten Reaktionen im Aktivkohleadsorber vorgesehen werden. Beispielsweise kann Kohlenstoffmonoxid oder Schwefeldioxid im Biogas nach dem Adsorber detektiert werden. Die Einrichtung muss dann bei der für den Betrieb verantwortlichen Person und in der Anlage Alarm auslösen können. Zusätzlich sollte der Aktivkohleadsorber am Gasein- und Gasausgang mit Absperrarmaturen ausgestattet sein und über einen Bypass umgangen werden können, auch ein Anschluss zur Inertisierung (etwa mittels Stickstoff) ist empfehlenswert.
• Zugänglichkeit und Bedienfreudlichkeit des Aktivkohlefilters: Achten Sie darauf, dass Sie gut an den Aktivkohlefilter herankommen. Das erleichtert Beladung und Entleerung beim Kohlewechsel ungemein.
• Gaskühlung mittels Kältemaschine: Das Rohgas allein passiv über die Erdleitung abzukühlen, reicht aufgrund von saisonalen Schwankungen und ungleichen beziehungsweise flexiblen Gasmengen nicht aus. Hierüber ließe sich keine verlässliche und dauerhaft konstante Gastemperatur erreichen. Um die Kältemaschine nicht überzudimensionieren (und dann im Betrieb zu viel Energie zu benötigen) oder sie auf zu geringe Gas- und Umgebungstemperaturen auszulegen, sollte man bei der Planung unbedingt die Rohgastemperatur berücksichtigen.

Der Gasverdichter

Warum ein Gasverdichter?
Der Gasverdichter bewirkt einen statischen Druckaufbau im Treibgas. Nach der Gasaufbereitung, die oftmals einen großen Druckverlust mit sich bringt, herrscht ein minimaler Unterdruck vor dem Gasverdichter. Für den Eintritt in die Gasdruckregelstrecke ist aber ein Überdruck abhängig von der Leistungsgröße des BHKW notwendig – mindestens etwa 80 mbar.

Wie funktioniert ein Gasverdichter?
Der Gasverdichter erhöht den Vordruck des Treibgases auf den benötigten Wert. Er kann drehzahlgeregelt betrieben werden. Hier sind zusätzlich ein Frequenzumrichter und ein Druckaufnehmer notwendig. Zu beachten ist speziell bei einer Nachrüstung, dass der Antriebsmotor des Gasverdichters für den Frequenzumrichter-Betrieb ausgelegt sein muss – sonst geht er schnell kaputt! Ein Mehraufwand bei der Investition kann durch niedrigere Betriebskosten sehr schnell neutralisiert werden; denn da der Gasverdichter im Teillastbetrieb nicht andauernd in Volllast arbeitet, sinkt der Strombedarf deutlich.
Angetrieben wird der Gasverdichter mittels eines Riemens. Gasverdichter werden meistens als Radialverdichter ausgeführt: Der Gaseintritt in den Verdichter erfolgt axial, das Gas verlässt durch eine Umlenkung von 90 °C radial den Verdichter.

Was muss ich beim Gasverdichter beachten?

• Auslegung Gasverdichter: Die Fördermenge des Treibgases, die der Gasverdichter erbringen muss, ist entscheidend. Außerdem muss der Gasverdichter nach der richtigen Treibgasart (Biogas oder Klärgas) aufgrund von unterschiedlicher Brennbarkeit und Durchlässigkeit ausgelegt werden.
• Anbringung des Gasverdichters: Es ist empfehlenswert, das Gas erst nach der Abkühlung und Aufwärmung zu verdichten. Würde man den Gasverdichter vor der Gasaufbereitung installieren, kann dies Vorteile haben. Allerdings muss dann die durch die Verdichtung entstandene Wärme wieder durch die Gaskühlung abgekühlt werden – wie oben bereits bei der Planung und Aufstellung der Gasaufbereitung erwähnt.
• Keilriemen: Sie dehnen sich im Laufe des Betriebs aus und müssen deshalb regelmäßig geprüft und nachgespannt werden.
• Ventilator: Hier müssen die Lager regelmäßig geschmiert werden. Außerdem sollte der Fettgeber für die Lippendichtung (Fettkartusche) regelmäßig geprüft und erneuert werden (etwa alle sechs bis 12 Monate), um Schäden zu vermeiden. Eine komplette Revision des Biogas-Ventilators sollte nach 20.000 Betriebsstunden erfolgen, spätestens aber nach drei Jahren. Dabei werden die Bauteile auf Verschleiß und Korrosion überprüft, Dichtungen und Lager werden erneuert.

Der Gaszähler

Warum ein Gaszähler?
Ein Gaszähler misst den Volumenstrom des Treibgases. Das bedeutet, dass Sie mithilfe des Heizwertes nachvollziehen können, wie viel Energie dem Motor zugeführt wird. Dies wiederum erlaubt Rückschlüsse auf den gesamten Wirkungsgrad der Anlage.

Wie funktioniert ein Gaszähler?
Gaszähler gibt es in unterschiedlichen Bauformen und mit unterschiedlichen Messprinzipien. Ein Turbinenradzähler misst mithilfe einer kleinen Turbine in der Strömung die Geschwindigkeit des Gases. Mittels der Querschnittsfläche kann der Volumenstrom bestimmt werden. Ein anderes Messprinzip beruht auf Piezosensoren. Hier wird der Totaldruck im Strömungsrohr gemessen. Eine Umrechnung führt zum Volumenstrom. Eine weitere Methode ist Ultraschall, mit dem die Geschwindigkeit ermittelt wird. Wie beim Turbinenradgaszähler wird das Ergebnis dann in Volumenstrom umgerechnet. Eine letzte Methode ist das thermische Messverfahren, bei dem zwei Fühler ins Treibgas eingebracht werden. Einer der beiden ist beheizt, der andere misst die Temperaturerhöhung – je höher diese ausfällt, desto niedriger ist der Volumenstrom.

Was muss ich beim Gaszähler beachten?

Messgenauigkeit: Um das Ergebnis so exakt wie möglich zu bekommen, sollten Sie Beruhigungsstrecken vor und nach dem Gaszähler einplanen. So entsteht eine laminare Strömung des Treibgases. Verfälschungen des Messergebnisses durch Turbulenzen können auf diese Weise nahezu ausgeschlossen werden.

Soweit die wichtigsten Infos rund um das Thema „Brennstoffversorgung“. Sie hängt tatsächlich von mehreren Faktoren ab. Als Betreiber sollten Sie die Betriebsbedingungen so weit wie möglich optimieren, damit die Brennstoffversorgung und damit auch Ihre Anlage effizient läuft. Eine Top-Gasqualität trägt auch dazu bei, die Betriebskosten zu senken und Schäden am Motor frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden.

Bei allen weiteren Fragen zur Gasaufbereitung, zum Gasverdichter und zum Gaszähler sind wir natürlich wie immer Ihr kompetenter Ansprechpartner.

Schauen Sie auch bei den anderen Teilen unseres Ratgebers vorbei: In Teil 1 unserer Reihe erfahren Sie alles Wissenswerte zum Thema Abgas und Abgaswärmetauscher für BHKW.
Im nächsten Beitrag erfahren Sie alles Wichtige rund um die SCR-Komponente, die in Zukunft wohl Standard bei der Abgasnachbehandlung sein wird.