6 Auswertung der Messdaten
6.2 Erlacher Höhe I und II
6.2.1 Messergebnisse
Um beurteilen zu können, ob das in der Biogasanlage produzierte Biogas für die Verbrennung im Stirlingmotor geeignet ist und um andererseits Daten für eine Berechnung der Wirkungsgrade zur Verfügung zu haben, wurde Anfang April 2006 das Gasqualitätsmessgerät, Fabrikat Pronova an der Biogasanlage eingebaut. Dieses Gerät misst automatisch gesteuert mehrmals täglich den Gehalt an Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff im Biogas. An der Erlacher Höhe wurde das Gerät so eingestellt, dass jeden Tag dreimal gemessen wurde und zwar um 4:00 Uhr, um 12:00 Uhr und um 20:00 Uhr. Die Messwerte wurden gespeichert und regelmäßig zur Auswertung auf ein Laptop übertragen. In Bild 6.20 sind die Ergebnisse dieser Messungen zusammengestellt. Der Methangehalt im Biogas lag bei Beginn der Messungen bei ca. 57% und stieg bis Mitte August sogar noch auf Werte von 60% an. Damit entspricht der Methangehalt einer Anlage, die mit hohen Anteilen an Mist und nur geringen Anteilen an nachwachsenden Rohstoffen gefüttert wird. Der Gehalt an Kohlendioxid im Gas lag während der Messphase bis Mitte August zwischen 36 und 43%. Der CO2-Gehalt sank leicht von Messbeginn bis Mitte August. Zur Entschwefelung des Biogases wurden kleine Mengen an Luft in der Biogasfermenter eingetragen. Der enthaltene Sauerstoff wird weitgehend von den Schwefelbakterien genutzt, um den Schwefelwasserstoff im Biogas zu elementaren Schwefel zu oxidieren. Es verbleiben geringe Mengen Sauerstoff im Biogas messbar. Diese lagen in der Regel unter 1 %.
Erlacher Höhe
0 10 20 30 40 50 60 70
06.
04.2006 13.04.2
006 20.04.2
006 27.04.
200 6
04.
05.2006 11.05.2
006 18.
05.2006 25.05.
200 6
01.
06.2006 08.06.200
6
15.
06.2006 22.06.
200 6
29.
06.2006 06.07.200
6
13.
07.2006 20.07.
200 6
27.07.2 006 03.08.200
6
10.
08.2006 17.08.
200 6
24.08 .2006
31.08.2 006 07.
09.2006 14.
09.2006 21.09
.2006 28.09.2
006 05.10.
200 6
12.
10.2006 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
CH4 O2 CO2 H2S
Erstaunlich war bei der Anlage der sehr hohe Gehalt an Schwefelwasserstoff im Biogas. Durch die optimale biologische Entschwefelung gelingt es meist, den Schwefelwasserstoffgehalt auf unter 200 ppm zu senken. An der hier beobachteten Anlage lag der H2S-Gehalt dagegen bei Werten zum Teil bis 3.000 ppm. Dies wäre für Biogasverbrennungsmotoren eine extrem hohe Konzentration, die diese relativ schnell schädigen würde. Durch die Erhöhung der Luftzugabe konnte im Verlauf der Messungen der H2S-Gehalt bis auf 1.000 ppm gesenkt werden. Diese Konzentration sollte für den Stirlingmotor mit externer Verbrennung ohne negative Folgen nutzbar sein. An den Messergebnissen in Bild 6.20 ist gut erkennbar, dass am 23. August 2006 an der Biogasanlage eine massive Störung auftrat. Methan– und Kohlendioxidgehalt im Biogas sinken zu dem Zeitpunkt ab, während der Sauerstoffgehalt zeitweise bis auf 20 % ansteigt. Dies kam durch einen mechanischen Schaden an der Biogasanlage zustande. Der Gassack war in ein ausgedientes Getreidesilo eingebaut. Dieses Silo brach an dem genannten Tag ein und beschädigte den Gassack. Von da an wurde vom Messgerät nicht nur das Biogas sondern auch Anteile von einströmender Luft gemessen. Es gab zwar Reparaturversuche zur Abdichtung des Gassacks. Diese waren aber nicht nachhaltig erfolgreich, so dass die Biogasanlage Anfang Oktober vorübergehend stillgelegt wurde. Die Untersuchung der Stirlingmotoren musste damit beendet werden.
Leider war aus verschiedenen Gründen kein kontinuierlicher Betrieb der beiden Stirlingmotor-BHKW möglich. Ein offensichtlicher Grund dafür war die unzureichende Menge Biogas, die dem BHKW zur Verfügung stand, da der Fermentationsprozess nach wie vor durch einen separaten Biogaskessel und nicht mit der von den BHKW erzeugten Wärme beheizt wurde. Zur Dokumentation dieses Verhaltens sind Bild 6.21 die Leistungsverläufe an dem BHKW Erlacher I für den Monat April dargestellt. Eine Darstellung über den gesamten Messzeitraum von fünf Monaten ist nicht sinnvoll, da durch die starken Schwankungen keine Details erkennbar sind.
0 5 10 15 20 25 30 35
01.04.06 04.04.06 07.04.06 10.04.06 13.04.06 16.04.06 19.04.06 22.04.06 25.04.06 28.04.06 01.05.06 Zeit / Tag
Leistungen / kW Brennstoff [kW] Wärme [kW] Strom [kW]
Bild 6.21 Leistungen Erlacher I April 2006
Ein weiteres Problem war das hohe Temperaturniveau des Heizungssystems, in das neben den beiden Stirlingmotor-BHKW ein zusätzlicher Scheitholzkessel bivalent integriert ist. Es ist zu vermuten, dass nach Anfahren des Holzkessels die Kreislauftemperaturen über die für die SOLO Stirling BHKW zulässigen Werte von 65 C bis maximal 75°C im Vorlauf ansteigen und die BHKW daraufhin automatisch abschalteten.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
01.04.06 03.04.06 05.04.06 07.04.06 09.04.06 11.04.06 13.04.06 15.04.06
Temperaturen / °C
Trück Tvor
Bild 6.22 Vor- und Rücklauftemperaturen Erlacher Höhe, exemplarisch
Bild 6.22 zeigt die Temperaturspitzen im Vorlauf am BHKW sehr deutlich. Es ist zu erkennen, dass die Vorlauftemperatur schlagartig in den Bereich über 60°C ansteigt. Der Endwert des Anstiegs vor Abschaltung der Anlage lässt sich nicht genau ermitteln, da die Messdaten nur in einem Rhythmus von 15 min aufgezeichnet werden. Aus der Aufzeichnung geht jedoch hervor, dass die Temperaturspitzen immer um 6:30 oder 6:45 Uhr auftreten, was mit dem Anfahren des Holzkessels am Morgen zusammenfällt und somit die obige Vermutung stützt (Bild 6.23).
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
08.04.2006 00:00
08.04.2006 06:00
08.04.2006 12:00
08.04.2006 18:00
09.04.2006 00:00
09.04.2006 06:00
09.04.2006 12:00
09.04.2006 18:00
10.04.2006 00:00
Temperaturen / °C
Trück Tvor
Die hohen Temperaturen im Heizsystem verhindern des Weiteren die Kondensation im Abgaswärme-tauscher. Dadurch verringert sich zum einen der thermische Wirkungsgrad. Dies ist sehr anschaulich in Bild 6.24 und Bild 6.23 zu erkennen. Am 8. April 2006 liegen die Vor und Rücklauftemperatur anfangs bei 55 / 45 °C und steigen um 6:00h auf über 65 / 55 °C. Im gleichen Zeitraum sinkt der thermische Wirkungsgrad um ca. 8%-Punkte.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
08.04.2006 00:00
08.04.2006 06:00
08.04.2006 12:00
08.04.2006 18:00
09.04.2006 00:00
09.04.2006 06:00
09.04.2006 12:00
09.04.2006 18:00
10.04.2006 00:00
Wirkungsgrade / %
gesamt thermisch elektrisch
Bild 6.24 Wirkungsgrade 8. und 9. April 2008
Durch die ausbleibende Kondensation verstopft zum anderen der Wärmetauscher, da die Partikel im Abgas nicht mehr mit dem Kondensat herausgewaschen werden. Auch dieser Effekt belegt, dass bei der hydraulischen Einbindung eines BHKW, ähnlich wie bei einem Brennwertkessel, auf niedrige Heizkreistemperaturen am Gerät geachtet werden muss.
Unglücklicherweise ist die Biogasanlage an der Erlacher Höhe im September 2006 ausgefallen, so dass kein Biogas mehr für die Verbrennung in den Stirlingmotor-BHKW zur Verfügung stand. Da nicht mit einer baldigen Reparatur der Biogasanlage sowie einer Änderung des Gesamtkonzeptes zu rechnen war, wurden die beiden BHKW nicht mehr für die Untersuchungen im Rahmen des Projektes in Betracht gezogen.