2.1 Herkunft und Zusammensetzung des Biogases
Beim natürlichen .Abbau von organischem Material unter Luftabschluss bildet sich Gas, das je mach dem Ort, wo es entsteht, einen anderen Namen trägt wie Sumpfgas, Grubengas, Deponiegas, Paul-. oder Klärgas. In der Landwirt-schaft spricht man heute Von Biogas, weil jeder Faul- oder Gärprozess durch Bakterien bewirkt wird, also ein biologischer Vbgang ist.
Biogas ist ein Gasgemisch; seine Zusammensetzung ist vor allem vom Ausgangs-material, aber auch vom Ablauf des Abbauprozesses abhängig. Die Hauptbestand-teile sind Methän (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Der Methangehält kann zwi-schen 55 und 80 Volumen-Prozent
(vb14)
betragen und liegt im Mittel bei gut 60 Vol-%. Der Gehalt an Köhlendioxid liegt zwisdhen 20 und 45 V0140 [175]. Diese beiden Gase zusammen machen gewöhnlich 95 bis 98 % desVölu-mens aus [54].
Daneben kann Biogas Schwefelwasserstoff (HS), Ammoniak (NH3), Wasserdampf (H20), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Stickstoff .(N2) enthalten.
Durch Leckagen in der Anlage'ist es möglich, dass auch noch Luft und damit Sauerstoff (02) ins Gas gelangen. '
Ausser dem Stickstoff, dessen Anteil bei ungünstigen Verhältnissen - Luft-einschluss beim Anfahren der Anlage - bis 15 Vol-% betragen kann, norma-lerweise aber nur um 1 Vol-%, liegt, sind die Anteile dieser Gase sehr ge-ring [88]. Ihr EinflUss bei der Lagerung und Verwertung kann deshalb ver-nachlässigt Werden, mit Ausnahme des'Schwefelwasserstaffs, der wegen sei-ner Giftigkeit und korrosiven Wirkung noch näher betrachtet werden muss.
Wenn nachfolgend auch die Haupteigenschaften der unbedeutenden Bestandtei-le kurz beschrieben werden, geschieht dies, weil sie in anderen gasförmi-gen'Kraftstoffen in grösseren Mengen vorkommen.
-23-
Tabelle 1: Zusammensetzung von Biogas E51, 156, 174]
Herkunft des Gases
.Raumanteile in %
CH4 CO2 H2S NH3 H20 H2 N2
Biogas aus
Rindergülle 55-60 40-45 <0,5 <10-3 <5,5 <1 <2 Biogas aus
Schweinegülle 65-70 30-35 <1 <10-3 , <5,5 <1 <2 Klärgas 63-68 32-37 <0,2
-
<5,5 <0,2 <0,2Weil die räumliche Ausdehnung von Gasen temperatur- und druckabhängig Ist, müssen die Raummasse von Gasmengen bei einheitlichen Bedingungen an-gegeben werden. Es ist üblich, als Vergleichsbasis einen Druck von 1,013 bar (760 mm Hg) und eine Temperatur von 00 C anzunehmen. Unter
die-sen Verhältnisdie-sen gemesdie-sene Gasmengen werden in Norm-Kubikmeter (NM3) an-gegeben.
Die Dichte des Biogases hängt von seiner Zusammensetzung ab. Kohlendioxid ist wesentlich schwerer als Methan; mit' zunehmendem CO2-Gehalt nimmt des-halb die Dichte des Biogases zu.
Tabelle 2: Dichte von Methan, Kohlendioxid und Biogas verschiedener Zu-sammensetzung
Raumanteile in % Dichte des Gemisches (kg/Nm3)
CH4 CO2
100 -- 0,72
-
100 1,9880 20 0,97
67 33 1,13
50 50 1,35
Meist werden die Anteile der einzelnen Gase in Gemischen in Raumteilen bzw. Volumen-Prozent angegeben. Formeln und Tabellen für die Umrechnung zwischen Volumen-Prozenten in Gewichts-Prozente sind im Anhang zu finden.
Der Wabserdampfanteil in Gasen ist temperaturabhängig. Die meisten Bio-gasanlagen werden bei zirka 350 C betrieben. Das Gas verlässt den Fermen-ter wasserdampfgesättigt, enthält also zirka 5,5 Vol-% Wasser. In den Gasleitungen kühlt es sich ab. Dadurch kondensiert Wasser, bis der
nSättigungsPunkt für die neue Temperatur erieicht ist. Wird das ausge-fällte Wasser abgeführt, nimmt der Wasserdampfgehalt des Gases bei Wie-dererwärmung nicht mehr zu.
Tabelle 3: Sättigungszustand für Wasserdampf in Biogas mit 2/3 CH 4[169]
Temperatur (0.0 Vol-% H20 81m5 3120
35 . 5,5 39,6
30 4,2 30,4
25 3,1 23,1
20 2,3 l7,3
15 1,7 12,8
10 1,2 9,4
. 5 0,9 6,8
0 0,6 4,8
Direkt aus deM Gärbehälter der Biogasanlage fällt das Gas unter einem Druck von 0 bis 50 mbar und einer Temperatur von zirka 350 C an. Wird das Gas in einem Niederdruckspeicher gelagert, was bei stark schwankenden Verbrauch notwendig ist, nimmt das Gas üheßbungstemperatur an und steht
-mit einem Druck von.5 bis 20 mbar zur Verfügung [54].
-25- 2.2 Haupteigenschaften der Bestandteile
2.2.1 Methan
Methan, ein sehr geeignetes Brenngas, ist ungiftig, geruchlos, wesentlich leichter als Luft, (1= 0,717 kg/NM3) und verbrennt mit Sauerstoff fol-gendermassen:
ca4 + 2 02 = 2 H20 + CO2 (1)
Ein Raumteil Methan. verbrennt mit zwei Raumteilen Sauerstoff zu zwei Baum-teilen Wasserdampf und einem RaumteilKählendiOxid. Bei der Verbrennung von Methan wird mehr Wasser und weniger Kohlendioxid freigeset-it als bei den üblichen Kraftstoffen wie benzin oder Dieselöl. Die Anzahl Moleküle vor der Verbrennungist.gleich der Anzähl Moleküle der Verbrennungspro-dukte.
2.2.2 Kohlendioxid
Kohlendioxid ist inert; es geht keine spontane Verbindung (Verbrennung) mit Sauerstoff ein. Das Kohlendioxid ist aber im Kraftstoff Biogas ein Balaststoff, der sowohl bei der Lagerung als auch im Verbrennungsraum des Motors Platz beansprucht.
Die'Dichte des Kohlendioxids ist mit 1,98 kg/NM3 wesentlich grösser als diejenige von -Luft.
Kohlendioxid hat einen leicht säuerlichen Geruch und wirkt in hohen Kon zentrationen lähmend auf das. Atemzentrum. Bei einer Konzentration über 10 Vol4herrscht akute Erstickungsgeferr [2].
2.2.3 Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoff ist der probIematischste Teil des Biogases i obschon er nur in sehr geringen Konzentrationen vorliegt. Scbmefelwasserstofrist ihoch giftig. Zwar ist das Gas durch seinen charakteristischen Geruchliach
faulen Eiern bei sehr kleinen, unbedenklichen Konzentrationen - 1,3 Ppm H.2S in Luft - wahrnehmbar. Die besondere Gefährlichkeit des Gases liegt
aber darin, dass bei leicht höherer, giftiger Kontentratiön die Geruchs-nerven nach kurzer Zeit betäubt werden, so dass gerade bei lebensgefähr-Meier Konzentration - bei zirka 1'409 ppm - die Warnung durch en Geruch rasch versagt [2, 119].
Das Gas wirkt stark korrosiv, was beim Motorbetrieb und noel' mehr bei der 'Lagerung des Biogases in Metallbehältern unter hohem Druck Probleme
auf-wirft.
Mit Sauerstoff verbrennt Schwefelwasserstoff mach ,der-Formel:
2 H2S +,02 = 2 420 t 2 5 (2) zu Wasser und Schwefel, oder aber bei Luftüberschuss gemäss
2 H2S,+•5 02 = 2 H20 ,+ 2,602 (3) zu Wasser und Schwefeldioxid. Auch Schwefeldioxid ist giftig und wirkt korrosiv, wenn.auch bedeutend weniger ale Schwefelwasserstoff. Korrosions-probleme im Auspuffteil von Verbrennungsmotoren können aber vor allem dann entstehen,. wenn sich durch Kondenswasserbildung schweflige Säure bildet:
SO2 + H20 = H2 S03 (4)
oder daraus sogar, durch Verbindung mit Sauerstoff, SChwefelsäure [54]
2 H2 SO3 + 02 = 2 H2 SO4 (3) Die Dichte von SchWefelwasserstoff,beträgt 1,536 kg/Nm5. •
2.2.4 Ammoniak
Ammoniak ist ein charakteristisch stechend riechendes Ges. In Wasser ist NH3 unter basischer Reaktion gut löslich.
NH3 +H20 (NH4 )+ + OH- (6) Eine wässerige Ammoniaklösung ist daher eine schiacheliase. Sie wirkt leicht ätzend [44].
2.2.5 Wasserdampf
Der maximal mögliche Wasserdampfgehalt in Gasen ist Stark tempeiaturab- , hängig. Wenn ein wasserdampfhaltiges Gas abgekühltvird, köndensiert Was-ser aus, sobald die Sättigungstemperatur untersähritten wird. Holier
Feuchtigkeitsgehalt und insbesondere Kondenswasser sind gefürchtet, weil sie den Angriff von Metallen düräh korrosive Stoffe ermöglichen oder ver-stärken.,
Wasser in Dampfform ist auch in der Luft iämer vorhanden. Bei der Ver-brennung im Motor ist der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes verglichen mit dein schon kleinen Einfluss der Luftfeuchtigkeit unbedeutend.
Kohlenmonoxid
Die Verbrennungsformel für Kohlenmonoxid lautet:
2 CO + 02 = 2 CO2 (7)
Im Gegensatz zu Methan entsteht bei der Verbrennung ausschliesslich
Koh-l
endioxid und kein Wasser. Die Anzahl Moleküle nach der Verbrennung ist kleiner als vor der Verbrennung.Der Brennstoff CO ist sehr giftig; seine Dichte liegt mit 1,25 kg/NM5 sehr nähe bei derjenigen von Luft. In Biogas ist der Anteil an Kohlenmo-noxid vernachlässigbar klein.
2.2.7 Wasserstoff
Vom Verbrennungsprodukt her gesehen ist Wasserstoff der ideale Brennstoff:
2 H2 + 02 = 2 H20 (8)
Bei der Verbrennung entsteht ausschliesslich Wasser. Wasserstoff ist das einzige-Brenngee, das in dieser Beziehung des Methan übertrifft. Zwei Mo-leküle Wasserstoff verbrennen äit einem SauerstoffmoleküL zu zwei Molekü-len Wasser. Die Anzahl Moleküle nimmt durch die Verbrennung in selben Verhältnis wie beim Kohlenmonoxid ab.
Wasserstoff ist das leichteste Gas, seine Dichte ist, 0,0899 kg/NM3.
2.2.8 Stickstoff
Stickstöff ist ein inertes Gas. Bei sehr hohen Temperaturen, wie sie im Verbrennungsmotor vorkommen, kann er sich allerdings mit Sauerstoff zu Stickoxid verbinden. Stickoxide werden meist als NOx geschrieben, weil unterschiedliche Verbindungen vorkommen. Sie sind Schadstoffe, die sich negativ auf die Atemorgane des Menschen aUswitken und deren Menge in den Abgasen von Möt6rfahrzeugen deshalb gesetzlich begrenzt ist [160, 168].
Die Anwesenheit von Stickstoff im Biogas ist aber wie beim Kohlendioxid nur ein Raumproblem, weil Stickstoff in der Verbrennungsluft ohnehin in hoher Konzentration vorkommt. Zudem ist der Stickstoffanteil bei Gas aus einer richtig betriebenen Biogasanlage unbedeutend.
Die Dichte von Stickstoff beträgt 1,25 kg/PM3.
2.3 Energieinhalt
.Bei der Verbrennung werden nicht nur Stoffe umgewandelt, es wird auch Energie in _Form von Wärme freigesetzt; darin liegt die Aufgabe der Kraft-stoffe.
Die Energiemenge, die pro Baum- oder Gewichtseinheit eines Kraftstoffes frei wird, bezeichnet man als Heizwert H oder oberer Heizwert H
o. Im Verbrennungsmotor kann nicht die ganze Energie ausgenützt werden, weil das Wasser den Verbrennungsraum als Dampf verlässt. Man rechnet deshalb mit dem unteren Heizwert Hu, der sich, vom oberen du/thee Verdampfungs-wärme des bei der Verbrennung entstandenen Wassers unterscheidet.
Der Heizwert von Biogas ist direkt vom Anteil an brennbarem Gas - Methan - abhängig.
Reines Methan hat einen unteren Heizwert Hu von 35,8 MJ/Nm3.
- 29 -
Tabelle 4: Heizwert von Methan und von Biogas mit verschiedenem I/Wean, gehalt
Methangehalt in Vol4 Heizwert Hu (MJ/Nm)
100 35,8
80 28,6
67 24,0
55 . 19,7
Ein Vergleich mit anderen Kraftstoffen zeigt die Stellung des Biogases.
Tabelle 94 Untere Heizwerte gasförmiger Kraftstoffe [70, 136]
Art ..
Heizwert% (MZ/lim3)
Wasserstoff H2 10,8
Kohlenmonoxid CO 12,6
Methan CH4 35,8
Propan C5H8 93,6
Butan C4H10 123,6
Erdgas ' 29 - 42
Flüssiggas ' 92 - 117
Biogas 20 - 25
Leuchtgas 17 - 20
Generatorgas aus Holz oder Kohle 4,4 - 6,3
Tabelle 5b: Untere Heizwerte flüssiger Kraftstoffe [4, 5, 6, 28]
Art Heizwert Hu (MJ/kg)
Diesel 42,8
Normalbenzin 44,0
Superbenzin • 43,2
Methylalkohol CH3OH 20,0
Aetbylalkohol C2H5OH 26,9
Pflanzenöle . 37,0
Der Kraftstoffheizwert ist ein Nass für die "Energie-Speicherdichte". Die-se ist grundlegend für die Berechnung von Lager- und Tankkapazitäten. Gas-förmige Kraftstoffe beanspruchen - wenn sie nicht verflüssigt oder stark verdichtet werden - im Vergleich mit flüssigen Kraftstoffen sehr grossen Raum.
2.4 Theoretischer Luftbedarf für die Verbrennung
Für den Motor Mit "innerer Verbrennung" muss zum Kraftstoff auch der Sauerstoff in den Verbrennungsraum gebracht werden. Aus der Verbrennungs-gleichung für Methan (Formel 1, Kapitel 2.2.1) ist ersichtlich, dass für die Verbrennung von einem Teil Methan zwei Raumteile Sauerstoff benötigt werden. In der Praxis arbeitet natürlich jeder Motor mit Luft. Luft ist ein Gemisch, das aus 21 Vol-% Sauerstoff (02) und im übrigen hauptsäch-lich aus dem inerten Gas Stickstoff (N2) besteht. Für die vollständige Vesbrennimg von einem Raumteil Kraftstoff wird somit mindestens folgende Luftmenge benötigt:
"min = Omin 100 (m3 Luft/m3 Kraftstoff) (9) 21
Lmin - minimale Luftmenge in m3 Omin = minimale Sauerstoffenge in m3 Für 1 m3 Methan Wird damit die Mindestluftmenge:9,52 m3.
Die .Berechnungkann aber auch in Massen- bzw. Gewichtsanteilen erfolgen;
für die Berechnung der Verhältnisse können die Molekmlargewichte in die Verbrennungsgleichung eingesetzt werden:
2 02 = CO2 + 2 H20 (1)
16 +-2 • 32 = 44 2 • 18
Für 16 Massenteile Methan werden also 64 Massenteile Sauerstoff benötigt bzw. für 1 Massenteil Methan 4 Massenteile Sauerstoff. Weil der Anteil Sauerstoff in der Luft 23 Gewichts4 ausmacht, wird die Mindestluftmasse
100 ,
Lmin = Omin T3- (kg Luft/kg Kraftstoff) (10
Lmin = minimale Luftmenge in kg Omin = minimale Sauerstoffbenge in kg Die Mindestluftmenge für 1 -kg Methan wird damit 17,4 kg.
-31-
Im Biogas liegt neben dem brennbaren Methan noch das inerte Kohlendioxid vor. Die Luft muss natürlich nur für den- brennbaren Teil des Kraftstoffes zugeführt werden. Für 1 mj Biogas Mit zwei Drittel Raumteilen Methan sind also auch nur zwei Drittel des LuftbedPlees in Kubikmeter für Methan not- • wendig, das heisst 6,35 m3. Zwei Drittel Raumanteile Methan, das ist 67 Vol-%, entsprechen 42,5 Gewichts-% (siehe Anhang). Für 1 kg Biogas mit zwei Drittel Raumteilen Methan wird somit 7,4 kg Luft notwendig.‘
Eine Formel für die Berechnung der Mindestlüftmenge von Kraftstoffen auf-grund der Gewichtsanteilä der Komponenten Kählenstoff, Wasserstoff, Sauer-stoff und Schwefel findet sich im Anhang.
Für flüssige Kraftstoffe wird schliesslich meistens die Luftmenge im Raum-mass pro KraftstoffRaum-masse angegeben.
Tabelle 6: Theoretischer LuftbedArf für gasförmige Kraftstoffe [26, 70, 78, 155] .
Reine Gase Gewichts-% Dichte
kg/Nn23 .Gasgemische: Raumanteile in /0
0,69
'Tabelle 71 Theoretischer Luftbedarf für flüssige Kraftstoffe [4, 5, 6, 28
,alsö soviel Sauerstoff, als für eine vollstän-dige Verbrennung gerade notwendig ist. Man spriöht in diesem Fall auch von einem stöchiometrischen Gemisch.
Theoretisch kann in einem begrenztenRaum, wie er im Zylinderraum des MC-,
tors vorliegt, mit diesem Mischungsverhältnis die grösstmögliche Energie eingebracht werden.. In der Praxis wird aber nur selten mit diesem "che-misch" optimalen Gemisch gefahren.'
Eine vollkommene Verbrennung ist im Verbrehnungsmotor nicht möglich. Aus diesem Grunde kann es sogar,sinnvollsein-wie des beim Ottomotor üblich ist-zur Erzielrng der maximal möglichen Leistung. zuviel Kraftstoff
ein-z
ubringen. Dies mit dem Erfolg, dass der gesamte Sauerstoff gebunden wird,, aber etwas Kraftstoffungenützt den Verbrennungsraum verlässt.Beim Dieselmotör ist die Dauer der Gemischbildung noch wesentlich kür-zer als im Ottomotor. Bleibt für die Kraftstoffteilchen zuwenig. Zeit,um mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen, bildet sich Russ im Abgas: der Mo-tor raucht. Aus diesem Grund muss der Dieselmotör allgemein mit Luftüber-schuss betrieben werden.
-33-
Für die Angabe des tatsächlichen Mischungsverhältnisses wird in der Ver-brennungsmotorentechnik das sogenannte Luftverhältnie X verwendet.
Lambda (X) ist das Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge Leff zur Min-destluftmenge Lmin, das heisst zur Luftmenge, die für das stöchiometri-sche Mischungsverhältnis notwendig ist.
Luftverhältnis X - Leff
Lmin (u)
Der Bereich»1 wird meist als Beräich des Luftüberschusses, oft aber auch als Mägerbereich oder überstöchiometrisches Mischungsverhältnis be-zeichnet. A'ci ist entsprechend der Bereich des Luftmangels, der fette Bereich oder ein unterstöchiometrisches MischungsverhäItnis.
Das Luftverhältnis bei Vollast wird mit dem Ziel grösstmögliöher Leistungs-ausbeute festgelegt. Dabei zwingen natürlich schon seit langem, aber erst recht heute, die Schadstoffkomponenten in den Abgasen zur Abweichung vom leistungsoptimalen Mischungsverhältnis in Hichtung magerer Gemische.
Tabelle 8: Uebliche Luftverhältnisse bei Vollast [70, 80, 84]
Art Luftverhältnis A
Ottomätoren • 0,7 - 1
Diesel -VorkAmmermotoren ' 1,2 - 1,6 Diesel -Wirbelkammermotoren 1,2 - 1,6 Diesel -Direkteinspritzmotoren 1,4 - 2 Otto -Gasmotoren • ' 1,2 - 1,5 Zündstrahl-Gasmotoren 1,2 - 1,5
2.6 Gemischheizwert
Aus dem Heizwert, dem Luftverhältnis und der Mindestluftmenge lässt sich der Gemischheizwert berechnen. He gilt allgemein:
Heizwert Bh Gemischheizwert Hg
Gemischvolumen Vg (12)
•Das Volumen deseemischs ist für gasförMige Kraftstoffe Vg = 1 + XImin und für flüssig in den VerbreUnungaraum eingebrachte Vg = A "mm, weil das Volumen des flüssigen Kraftstöffes im Verhältnis zum Luftvolumen ver-nachlässigbar klein ist. Somit gilt [78):
. Hu
.für gasförmige Kraftstoffe Hg - 4. 2:Lein (13) für flüssige Kraftstoffe Hg _ Hu
Lmin (14)
und flüssigen Kraftstoffen Hg - für Gemisch aus gasförmigen
- -Hu Gas + X • Hu Oel 1 +X(Imin Gas + X Len Gel) X = auf einen m3 Gas entfallende Menge an flüssigem Kraftstoff in kg • Tabelle 9: GeMischheizwert fürlifethan und Biogas mit verschiedenem
Methan-anteii für verschiedene LuftVerhältnisse (MjAM3) Methangehalt,
Tabelle 10: Gemischheizwert für Biogas mit 67 Vol-% Methan ei verschie
-denen Dieselölänteil und verschiedenem Luftverhältnis Q4J/NM32,
Dieselölanteil Duftverhältnis
% Energiemäägekg pro m3 Gas, Ä =1,0 A=1,1 A=1,2 x=1,5 x=1,4 x=1,5
35-
Tabelle 11:. Gemischheizwerte gasförmiger Kraftsteffe bei verschiedenen Luftverhältnis. (EZ/NM3)
Art
•
. Luftverhältnis Ä=l,2 Ä= 1,5
Wasserstoff . 2,80 2,36
Kohlenmonoxid 3,27 2,75
Methan 2,88 2,34
Generatorgas aus golz und Kohle 2,30 _2,02
Tabelle 12: Gemischheizwert flüssigerTraftstoffe bei verschiedenem Luft-verhältnis (1eä31
Art • ,
' •
• Luftverhaltnis
)C=0,.. X.L-1,0 )%...1;2• ,Ä,1,4 k=1,6 Ä=1;8- X=2i0
Aethylalkohol* 3,62 3,05
Pflanzenöle
. 2,72
. , . . 2,38. 2,12 1,91
* für gasförmigen Zustand berechnet.
Gegenüber Benzin liegt der Gemiechheizwert von Biogas und damit die maxi-mal im Verbrennungsraum platzfindende Energiemenge zirka 15% tiefer; Ge-genüber Dieselöl ungefähr 11 %.
Methan Diesel -Biogos2 Biogas
Diesel-Holzgas3)
Reines Methan hat gegenüber Bicgas mit 67 Vol-% Methan nur einen um knapp 5 % höheren Gemischheizwert. Der Einfluss des 002 auf den Gemischheizwert ist klein.
1) 67 Vol-% Methan, 33 Vol-% Kohlendioxid
Benzin 2) Dieselölanleil der Wärmednergie
Dieselöl 3) Dieselblonleil.= .20% der Wörnieenergie
4-MJ/Nm3
2 :•
1
08 tg t 4 t G 118
LuftverhäUni A
Abbildung' 1: Gemischheizwert verschiedener 'Kraftstoffe in Abhängigkeit voaLuftvelhältniä
2.7
Zündtemperatur, ZündverzugDer Ablauf des chemischen Prozesses der Verbrennung ist von der Tempera-tur abhängig. Damit der Vorgang ohne äussere Wärmezufuhr ablaufen kann, muss das Kraftstoff-Luftgemisch eine von den Kraftstoffeigenschaften und vom Mischungsverhältnis abhängige minimale Temperatur aufweisen.
-37-
Für die Zündung, das heisst die Einleitung einer im Folgenden elbsttätig weiterlaufenden Reaktion mit deutlich wahrnehmbarer Flammenbildung und Wärmefreisetzung muss deshalb das Gemisch atif eine bestimmte Temperatur, die Zündtemperatur, erwärmt werden.
EntzUndet sich das Gemisch selbst, nachdem es als Gänzes auf diese Tempe-ratur erhitzt worden 'ist, spricht man von Selbstzündung. Bei Fremdzündung wird die EntflamMung durch eine örtlich starke Ifeberhitzung eingeleitet, zum Beispiel durch einen elektrischen Zündfunken.
Die Zeitspanne, die vom Erreichen' der Zündtemperatur bis zum Einsetzen der Verbrennung verstreicht, wird als 'Zündverzug bezeichnet. Dieser hängt neben der Temperatur auch noch stark vom Luftverhältnis und vom.Druek ab.
MS
, 2 Wiverhenis
Abbildung 2: Zündverzug von Benzin in Abhängigkeit vom fuftverhältnis [135], Selbstzündurerbei
745°
g (4720 C) und 21 bar1 3
0 C 700
300
0 2 4 6 10. 12 bar
Druck
Abbildung 3: Zündtemperatur für stdchiometrisches Gemisch von Mellish und ' Luft in Abhängigkeit des Druckes [91]
Beim Einfluss des Druckes auf den Zündverzug ist nicht der Gesamtdruck, sondern vielmehr der Partialdruck des Sauerstoffes ausschlaggebend. Mit zunehmendem Anteil Kohlendioxid 'im Biogas werden deshalb die Zündverzugs-werte bei gleichem Druck grösser [131. Im Motorbetrieb wird der Zündver-zug allgemein in Grad Kurbelwinkel angegeben. Beim Dieselmotor wird dabei der Drehwinke]. der Kurbelwelle vom Einspritzbeginn bis zum Verbrennungs-beginn - durch den Druckanstieg im Zylinder feststellbar - gemessen; beim Ottomotor der Winkel von der Einieitung des Zündfunkens bis zum Beginn der Verbrennung.
Die Zündtemperatur hängt sehr stark von den Versuchsbedingungen ab. Bei den in Laborgeräten unter atmosphärischen Bedingungen gemessenen Zündtem-peraturen werden sehr grosse Zündyerzüge zugelassen [23],
Im Motor steht für den gesamten Verbrennungsablauf nur pine äusserst kur-ze Zeit zur Verfügung, entsprechend klein - in.der Grössenordnung von ei-ner Millisekunde - dATf hier der Zündverzug sein [4, 135]. Für die siche-re Einleitung der Verbsiche-rennung sind deshalb im Motor höhesiche-re Temperatusiche-ren und Drücke erforderlich. Trotzdem geben die laborgssig ermittelten Zünd-temperaturen ein Mass für die Neigung eines Stoffes zur Selbstzündung oder zur Entzündung an heissen Körpern und damit 'ein Kriterium für die Eignung für bestimmte Verbrennungsverfahren.
-39-
Methan bzw. Biogas weisen mit 7000 C die höchsten Zünatemperatüren aller bekannten Brennstoffe auf, was auf ihre Eignung als Ottokraftstoffe hin-weist.
Tabelle- 1 : Zündtempäraturen von Gasen und Dümpfen 1,36, 80, 82]
Art GemischtemPeratur
. 00
TeMperatlur ärhitz - ter Oberflächen
• 00
•
Wasserstoff .580 -
Kohlenmonoxid 650 -
Methan 700
Propan 525 -
Butan " 405 _
Erdgas
,
- -
•
,Flüssiggas - -
Biogas 700 -
Leuchtgas zirka 600 -
Generatorgas aus holz und Kohle . zirka 600 -
Dieselöl 210 ' 350
NorMalbenzin zirka 250 500 - 600
Superbenzin zirka 250 500 - 600
Methylalkohol zirka 500 - -
Aethylalkohol 475 .
Pflanzenöle . _ - -
. 2.8 Zündgrenzen
Brennstoff-Luft-Gemische sind nur innerhalb bestimmter Mischungsverhält-nisse zündfähig. Dieser Zündbereich liegt zwischen der unteren und oberen Zündgrenze. Die Zündgrenze ist diejenige Zusammensetzung eines brennbaren Gasgemisches, die durch Zündung gerade noch zur Verbrennung bzw..Explosion
gebracht werden kann. Anstelle der Begriffe "Zündbereich" und "Zündgren-ze" werden oft auch die Bezeichnungen "Explosionsbereich" und "E±plosions-grenze" verwendet.
Die Ausnützung der Energie im Motor ist nur innerhalb der Zündgrenzen mög-lich. Dem Luftverhältnis A sind dadurch Grenzen gesetzt. Allerdings haben auch Druck und Zündenergie einen Einfluss auf den Zündvorgang. Der Zünd-bereich wird in der Regel mit zunehmendem Druck und zunehmender Tempera-tur grösser [68, 135].
Im Motorbetrieb hat auch die Gemischaufbereitung, das heisst des Verbren-nungsverfahren grossen Einfluss auf die Zündgrenzen.
1m Otthmotor kann in der Regel der Zündbereich nicht voll ausgenutzt wer-den, weil an der Grenze der Zündverzug zu gross und die Verbrennungsge-schwindigkeit zu langsam wird.
Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff während der Einspritzung mit der be-reits heissen Luft vermischt. Die Verteilung ist sehr unhomogen, von rei-nem Krafistoff bis zur reinen Luft. Um die Kraftstofftropfen bilden sich damit aber immer Zonen mit zündfähigemMischungsverhältnis,von denen die Verbrennung ausgehen kann. per Dieselmotor kann deshalb mit viel magereren, mit "theoretischen Gemisehheizwerten", die weit unterhalb der Zündgrenze liegen, gefahren werden.
Der Zündbereich in Völumenprozenten gibt einen guten Ueberblick über die Gefährlichkeit der Kraftstoffe bei der Lagerung. Je grösser der Bereich, desto grösser die Gefahr, dass sich bei Leckage eines Behälters ein zünd-fähiges Gemisch bildet.
Für den Motorbetrieb ist did Darstellüng in LaMbda-Werten (Luftverhält-nisse) geeignet.
Ein Vergleich der Kraftstoffe zeigt, fle8s Biogas gegenüber Benzin einen in Richtung höherer ›.-Werte verschobenen Zündbereich aufweist.
-41-
Dabelle 14: Zündgrenze von Kraftstoffen in Vol-% und X -Werten [4, 81, 82,
175]
Art Zündgrenze
Vol-%
untere obere
Luftverhältnis untere
A obere
Wasserstoff 4,1 80 9,8
.
0,105
Kohlenmonoxid 12,5 80 2,9 0,105
Methaü 5,3 14 1,9 0,65
Propan . 2,1. 9,5, . 2,0 0,40
Butan :1,5 8;5 2,1 0,35'
Erdgas 5 14. 4,4 ' 0,80
Flüssiggas 1,8 8 1,9 0,41
Flüssiggas 1,8 8 1,9 0,41