Technische Optimierungspotentiale

8.1.1 Stirlingmotor

Da das Projekt nicht zur Geräteentwicklung gedacht war, sondern auf bestehenden, bereits installierten Geräten aufsetzen sollte, kam als BHKW nur das Gerät der Firma SOLO Stirling in Frage. Zu dem war es das zu der Zeit einzig marktverfügbare Stirlingmotor-BHKW. (Mittlerweile ist das BHKW infolge der Insolvenz der Firma SOLO Stirling nicht mehr verfügbar.)

Die meisten Daten konnten an einer Kläranlage in Rosenfeld gesammelt werden, an der ein derartiges Stirlingmotor-BHKW über einen Zeitraum von drei Jahren mit Klärgas betrieben wurde, wovon zwei Jahre in den Rahmen des Projektes fielen. Nachdem im ersten Betriebsjahr ein durchschnittlicher elektrischer Wirkungsgrad von ca. 17% berechnet werden konnte, sank dieser Wert im 2. Jahr auf teilweise 10 – 13% ab. Als Ursache für diesen Rückgang wurden Partikelablagerungen aus dem Rauch-gas, hier vornehmlich Siliziumdioxid, an den Wärmetauscherflächen, insbesondere im Luftvorwärmer und im Abgaswärmetauscher, identifiziert. Nach Installation eines umgestalteten Luftvorwärmers mit größeren Rippenabständen wurden im 3. Jahr wieder die Anfangswerte von im Mittel 17 % beobachtet.

Dennoch ist auch hier eine Reinigung in regelmäßigen Abständen erforderlich. Diese Erfahrung zeigt, dass ein für den Betrieb mit Erdgas konzipiertes Stirlingmotor-BHKW nicht gänzlich ohne Anpassung auf Bio- oder Klärgas umzustellen ist. Es ist ergänzend anzumerken, dass die verbleibende Differenz des elektrischen Wirkungsgrades zu den Herstellerangaben von 22 – 24 % auf den überwiegenden Teillastbetrieb des BHKW an der betrachteten Kläranlage zurückzuführen ist.

Ein anderes BHKW der Marke SOLO Stirling wurde auf dem Prüfstand am Institut für ZukunftsEnergieSysteme (IZES) [IZES] in Saarbrücken mit Grubengas betrieben. Hier stand die Frage im Vordergrund, wie das Stirlingmotor-BHKW auf Brenngase mit stark schwankender und teilweise sehr niedriger Methan-Konzentration reagiert. Im Rahmen von stationären Prüfstandstests mit Grubengas mit Methankonzentrationen von 32 – 36% konnten die gleichen Leistungsdaten am SOLO Stirling BHKW gemessen werden wie in ähnlichen Prüfstandsversuchen mit Erdgas. Daraus lässt sich ableiten, dass geringe Methangehalte von der λ-Regelung am Brenner eines Stirlingmotor-BHKW abgefangen werden können, so dass keine Rückwirkungen auf den Betrieb des Stirlingmotors verbleiben und das Gerät auch bei extrem niedrigen Methangehalten sicher betrieben werden kann. Erwähnenswert ist weiterhin, dass sich das installierte Stirlingmotor-BHKW auch bei Methangehalten knapp unterhalb von 30 Vol.-% problemlos starten ließ, was vorteilhaft beispielsweise gegenüber Motor-BHKW ist.

An einem anderen Standort mit Biogasbetrieb wurde hingegen die beschränkte Einsatzfähigkeit des verwendeten BHKW der Firma SOLO Stirling infolge der auf 65°C begrenzten Vorlauftemperatur offensichtlich. Hier war das BHKW in einem Nahwärmenetz eingebunden und konnte aufgrund der häufig höheren Systemtemperaturen nicht durchgängig betrieben werden. In einem solchen Anwen-dungsfall ist darauf zu achten, dass das Stirlingmotor-BHKW seriell mit einem zusätzlichen Wärme-erzeuger verschaltet wird, so dass der Stirlingmotor quasi die Vorwärmung des Rücklaufs übernehmen kann, und die letztendlich erforderliche Vorlauftemperatur anschließend durch einen zusätzlichen Wärmeerzeuger eingestellt wird. Dabei ist zu erwähnen, dass Stirlingmotoren prinzipiell mit höheren Vor- und Rücklauftemperaturen betrieben werden können. Dabei sinken jedoch aufgrund der thermo-dynamischen Gesetzmäßigkeiten der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung. Des

Zylinderräumen im Gegensatz dazu ohnehin bei erhöhten Kühlwassertemperaturen von mindestens 75°C betrieben, so dass höhere Systemtemperaturen kein Problem für den Betrieb darstellen.

Zum Biogasbetrieb sei erwähnt, dass auch hier Partikelablagerungen im Rauchgastrakt gefunden wurden, die sich in diesem Fall im Abgaswärmetauscher angesammelt hatten. Bei ausreichend niedrigen Rücklauftemperaturen werden diese Ablagerungen mit dem Kondensat ausgewaschen. Beim Betrieb mit erhöhten Temperaturen, die keine Kondensation im Abgas zulassen, entfällt dieser Effekt jedoch, und im konkreten Fall wurde nachträglich eine externe Spülung installiert, um die Abreinigung der Ablagerungen zu ermöglichen.

Äußerst positiv sind die Abgasemissionen des Stirlingmotor-BHKW an den verschiedenen Standorten aufgefallen. Diese sind zudem durch eine von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) [LUBW] vorgenommene Vergleichsmessung bestätigt worden. Dabei konnten an der zuvor erwähnten Kläranlage im Rahmen einer nach TA-Luft durchgeführten Messung CO-Emission unterhalb von 35 mg/Nm³, SO2-Emissionen von max. 16 mg/Nm³ und NOx-Emissionen unterhalb von 59 mg/Nm³ bestätigt werden (jeweils als ½h-Mittelwerte bezogen auf 5% Rest-O2 im Abgas) [TA-Luft]. Des Weiteren ist das Abgas auf Gesamtkohlenstoff, anorganische Fluoride und Chloride sowie Aldehyde untersucht worden, mit dem Ergebnis, dass die Emissionen all dieser Stoffe unterhalb der Nachweisgrenzen lagen. An dieser Stelle bieten Stirlingmotor-BHKW aufgrund ihrer kontinuierlichen Verbrennung einen erheblichen Vorteil gegenüber Gas-Ottomotor-BHKW, bei denen die Emissionen an Gesamtkohlenstoff und insbesondere Formaldehyd deutlich höher liegen. Teilweise kommt es hier sogar zu einer Überschreitung des Grenzwertes für Formaldehyd nach TA-Luft von 60 mg/Nm³.

Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, die hauptsächlich für das untersuchte Stirlingmotor-BHKW mit einer elektrischen Leistung von max. 9 kW und einer thermischen Leistung von max. 26 kW untersucht wurde, stellen sich im Betrieb an Kläranlagen das Erreichen des angesetzten Wirkungsgrades von 22 % sowie eine hohe jährliche Volllaststundenzahl von mehr als 7.000 Stunden als wesentliche Voraussetzungen dar. Prinzipiell können Stirlingmotor-BHKW derartige Werte erreichen, da von wenig Wartungsaufwand und somit geringen Stillstandszeiten auszugehen ist. Es sollte jedoch eine Klärgasmenge von mindestens 40.000 m³ pro Jahr anfallen, um die zum Erreichen der Wirtschaftlichkeit geforderte Volllaststundenzahl von 7.000 Stunden zu ermöglichen.

Für Biogasanlagen ist das betrachtete Stirlingmotor-BHKW aufgrund seiner geringen Leistung zu klein, um als Haupt-BHKW wirtschaftlich betrieben werden zu können. In Verbindung mit einem großen Motor-BHKW, das eventuell sogar über ein Mikrogasnetz von der Biogasanlage entfernt am Ort des Wärmebedarfs aufgestellt ist, ergibt sich jedoch eine interessante Alternative, in dem das kleine Stirlingmotor-BHKW ausschließlich zur Fermenterbeheizung verwendet wird. Hier ist die Leistungs-größe ausreichend für eine Biogasanlage in der Größenordnung von etwa 150 kWel. Vorteilhaft wären die niedrigen erforderlichen Vorlauftemperaturen, die dem Betrieb und den erreichbaren Wirkungs-graden des Stirlingmotor-BHKW entgegen kommen würden. Diese Variante stellt sich im Vergleich zu einem externen Biogasbrenner zur Fermenterbeheizung vorteilhaft dar, da über die Deckung des Eigen-strombedarfs an der Biogasanlage durch das Stirlingmotor-BHKW, die erhöhten Investitionskosten kompensiert werden können.

8.1.2 Mikrogasturbine

Bei den Optimierungsmöglichkeiten der Mikrogasturbinentechnik muss man unterscheiden zwischen den möglichen Potentialsteigerungen im Bereich der Gasaufbereitung und der eigentlichen Mikrogasturbine sowie dem kompletten Anlagenkonzept.

Das Anlagenkonzept im Bereich heutiger Biogasanlagen sieht auf Grund der großen Gasmengen im Regelfall eine Parallelschaltung mehrerer Mikrogasturbinen vor. Ein wichtiger Aspekt des Gesamt-anlagenkonzeptes ist die Teillastfähigkeit der Anlage. Die grobe Teillastschaltung erfolgt über das Zu- und Abschalten einzelner Turbinen, in den Lastbereichen zwischen diesen groben Stufen sollte mindestens eine Turbine in ihrem oberen Teillastspektrum betrieben werden. Es ist aus energetischer Sicht sinnvoller statt einer Turbine im unteren Teillastbereich und damit bei einem sehr geringen elektrischen Wirkungsgrad besser zwei Turbinen im oberen Teillastbereich zu betreiben, um den elektrischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage höher zu halten. Dieser Aspekt ist allerdings nicht ausreichend untersucht.

Des Weiteren steigen die Schadgasemissionen bei Reduzierung der elektrischen Leistung einer einzelnen Turbine drastisch an, wodurch ein paralleler Teillastbetrieb mehrerer Turbinen im oberen Teillastspektrum wesentlich weniger Emissionen verursacht.

Die Gasaufbereitung muss diesem breiten Teillastspektrum angepasst sein. An der Anlage Kupferzell unterschied sich der Energiebedarf der Aufbereitung im unteren Teillastbetrieb und im Volllastbetrieb beider Mikrogasturbinen nur geringfügig voneinander, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage im Teillastbetrieb durch den hohen Energiebedarf der Aufbereitungstechnik zusätzlich verschlechtert wurde. Den größten Energiebedarf und somit das größte Optimierungspotential der Aufbereitungs-strecke ist bei der Gasverdichtung zu finden. Ein teillastfähiger Verdichter müsste den benötigten Gasdruck konstant halten, während die zu verdichtende Gasmenge variabel ist. Eine Änderung des Konzeptes weg von einem Kolbenverdichter auf einen Schraubenverdichter oder eine Ansteuerung über einen Frequenzumrichter erscheint sinnvoll.

Auch der Bereich der Gaskühlung sollte optimiert werden. Die Kühlung muss große Gasmengen bei hohen sommerlichen Temperaturen genau so gut unter den Taupunkt abkühlen können wie kleine Gas-mengen im Winter. Dies ist wichtig um eine lange Lebensdauer der Turbinen zu ermöglichen. Nach der Gewährleistung einer optimalen Gasentwässerung kann nach der Teillastfähigkeit und damit nach dem Energieverbrauch der Gaskühlung über das gesamte Teillastspektrum geschaut werden. Allerdings ist der Energieverbrauch der Gaskühlung bei weitem nicht so hoch wie der Energieverbrauch der Gaskomprimierung und spielt somit eine untergeordnete Rolle.

Die Optimierungspotentiale an den eigentlichen Mikrogasturbinen sind durch ihre Bauform und Größe begrenzt. Die Mikrogasturbine Capstone CR 65 hat einen sehr geringen Wartungsbedarf (luftgelagerte Einwellenmaschine) und läuft im permanenten Praxiseinsatz sehr zufriedenstellend. Daher bietet sich im Bereich der Mechanik der Mikrogasturbine unserer Meinung nach wenig Möglichkeit zur Optimierung.

Die hier dankenswerterweise von Firma Greenviroment für die Messungen bereitgestellte Versuchs-anlage wurde zur Optimierung und Weiterentwicklung des Anlagenkonzeptes verwendet. Daher war hier kein vollständig optimierter Betrieb möglich. Im Rahmen des Projektes konnten an den weiter-entwickelten Systemen leider keine Messungen durchgeführt werden. Nach Angaben von Greenviroment werden bei diesen neuen Anlagen elektrische Wirkungsgrade bis 28,5% erreicht und ein Eigenstromverbrauch von 9%. Die neue 200kW-Turbine bietet möglicherweise noch weiter verbesserte Wirkungsgrade. Diese soll im Sommer 2009 an der Biogasanlage Karle in Kupferzell eingebaut werden.