Zuverlässiger Betrieb Ihres Blockheizkraftwerkes als Schlüssel zur Flexibilisierung

Wenn Sie Ihre Biogasanlage flexibilisieren, bauen Sie zusätzliche elektrische Leistung auf. Doch die zugebaute Kapazität alleine sorgt noch nicht dafür, dass Sie deswegen 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 sind für Sie als Anlagenbetreiber vor allem die Primärleistung (PRL) und die Sekundärreserveleistung (SRL) mit positiver oder negativer Regelleistung interessant. Dabei wird Ihr BHKW innerhalb von 30 Sekunden nachgeregelt beziehungsweise 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.

Aber wir von Jenbacher sind darauf vorbereitet – schließlich stehen viele unserer Anlagen im industriellen Umfeld, und da ist Flexibilität schon lange oberstes Gebot.

Welche Herausforderungen mit dem flexiblen Betrieb nun genau auf Ihre Anlage zukommen, warum ein Jenbacher diesen mehr als gewachsen ist 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 jetzt 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, werden sie viel öfter gestartet werden – bis zu dreimal pro Tag, wenn man die Flexibilisierung konsequent umsetzt. Dafür werden die BHKWs deutlich weniger Betriebsstunden pro Jahr haben, Schätzungen gehen von 2000 bis 6000 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 Gas-Qualitäten 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, das BHKW sollte sich auch schnell auf unterschiedliche Gasqualitäten einstellen können und 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. Wichtig ist es im flexiblen Betrieb, diese Bauteile aber möglichst wenig zu verschleißen, um den zusätzlichen Erlös nicht durch Austausch und Reparaturen wieder zunichte zu machen. Denn müssten solche Teile überproportional ausgetauscht werden, würde das richtig ins Geld gehen.

Um den Verschleiß der Motoren während dem Start zu minimieren und schnelle Starts aus dem Stillstand sicherstellen zu können, werden Jenbacher-BHKWs standardmäßig mit einer Vorwärmung ausgerüstet: Hier wird das Motorkühlwasser mittels Heizpatronen während der Stillstandsphasen auf etwa 50 bis 60 Grad Celsius 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 noch einmal 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 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, worauf sich die Hersteller auch bereits eingestellt haben und Lösungen anbieten.

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 Periphere 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 Kolben des Zylinders nach. Das hat zur Folge, dass der Schabering, der sich um den 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 und der Ölverbrauch 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. Ideal wäre natürlich eine dauerhafte Leistung 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, Emissionen 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 ohnehin nicht lange in Kauf genommen werden, weil die Maschinen häufig nur sehr kurz in Teillast gehen beziehungsweise der maximal mögliche Teillastbereich ohnehin nie voll ausgeschöpft wird. Meist fahren die Anlagen im Bereich zwischen 70 und 100 %.

Übrigens: Bei Anlagen mit Wärmenutzung wird der elektrische Wirkungsgrad-Verlust im Normalfall thermisch wieder aufgeholt – man produziert etwas mehr Wärme, so dass 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 Grad in den Tauscher hineinströmt und mit z.B. 180 Grad wieder hinaus. Wird der Motor heruntergefahren, strömt weniger Abgas in den Tauscher – die Fläche, über 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 BHKWs und aller seiner Komponenten auch den Teillastbetrieb beachten. Empfehlenswert ist es, ganz genau die Abgasgastemperatur 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 gesenkt wird beziehungsweise seine Wirkung deaktiviert und er schlussendlich 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 schlussendlich 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 zufrieren? Frostschutzmittel wären hier eine Lösung. 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 erstmal 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 sich vor dem Bau gemeinsam mit dem Hersteller Ihrer Wahl sämtlich Punkte durch und entwerfen Sie gemeinsam einen Plan. Haben Sie alle Rahmenbedingungen gesteckt, steht dem zuverlässigen Verhalten Ihrer flexibilisierten Anlage nichts im Weg.

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