BHKW-Abgase bleiben ein heißes Thema

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1 Biogas BHKW-Abgase bleiben ein heißes Thema Die lange angekündigten Verschärfungen der Grenzwerte bei den Emissionen von Biogas-BHKW sind nach wie vor nicht beschlossen. Motorenhersteller und Kat-Produzenten stellen sich aber auf deutlich höhere Anforderungen an die Abgasnachbehandlung ein. Für Dienstleister im Bereich Biogas eröffnet sich die Möglichkeit, die Geschäftskontakte mit Nachrüstangeboten aufzufrischen. Carmen Rudolph Das BHKW der Biogasanlage der Agrargesellschaft Pfiffelbach in Thüringen arbeitet seit über zehn Jahren mit einem Abgasnachbehandlungssystem der Firma Emission Partner.

2 Viele nervte die schleppende Regierungsbildung. Doch manchmal ist es ganz gut, wenn es in der Politik nicht so schnell geht. Die gesetzliche Regelung zur Abgasreinigung von biogasbetriebenen Blockheizkraftwerken ist so ein Fall, zumindest aus Sicht der Anlagenbetreiber, die dadurch für die Nachrüstung etwas mehr Zeit gewinnen. An Brisanz hat das Thema allerdings nicht verloren. Denn der Trend bei den Grenzwerten umweltrelevanter Stoffe in den Motorabgasen zeigt eindeutig nach unten. So erhalten BHKW-Betreiber bereits ab dem 1. Juli 2018 nur noch dann eine erhöhte Grundvergütung, wenn die Motoren einen Emissionswert für Formaldehyd von 20 mg/nm³ (Normkubikmeter, siehe Kasten) einhalten. Das betrifft etwa zwei Drittel aller Biogasanlagen in Deutschland. Eine Herausforderung sind ebenso die in der neuen Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) anvisierten 300 mg/nm³ Kohlenmonoxid (CO) sowie der neu eingeführte Grenzwert für den organischem Gesamtkohlenstoff (Methanschlupf) von 1,3 g/nm³. Auch der im Entwurf festgehaltene NOx-Wert von 500 mg/nm³ ist keineswegs in Stein gemeißelt. Auf europäischer Ebene sind bereits 250 mg/nm³, in Deutschland sogar 100 mg/nm³ in der Diskussion. Einstellen muss sich die Branche zudem auf behördliche Überprüfungen ohne Voranmeldung, wie dies bereits in einigen Bundesländern praktiziert wird, oder sogar auf kontinuierliche Messungen der Emissionswerte und deren Aufzeichnung mittels Datenlogger. Ein spezifisches Problem bei der Verstromung von Biogas besteht darin, dass der Kraftstoff zu etwa 40 Prozent aus CO2 besteht. Kraftstoff bestimmt Motorverhalten und Emissionen Und das ist bekanntlich wirksames Löschmittel bei Bränden, erläuterte Volker Aschmann von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) kürzlich bei einem Biogas-Fachgespräch im sächsischen Nossen. Dadurch könne Biogas zwar relativ stark komprimiert werden, ohne dass es sich selbst entzündet. Je stärker die Komprimierung desto höher sei der erzielbare Wirkungsgrad. Auf der anderen Seite behindere das CO2 jedoch bei der Zündung die Ausbreitung der Flamme im Gasgemisch. Fachleute sprechen von einer verringerten laminaren Flammengeschwindigkeit. Der Kraftstoff soll seine Explosionskraft aber möglichst komplett in dem kurzen Zeitraum entfalten, wenn der Kolben des Motors am oberen Punkt ist. Zusätzlich mindert die für die Verbrennung unerlässliche Zuführung von Sauerstoff in Form komprimierter Luft durch den Verdünnungseffekt die Flammengeschwindigkeit. In der dem Brennraum zugeführten Luft befindet sich außerdem Stickstoff, der aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur und weil Biogasmotoren im Magerbetrieb, also mit Luftüberschuss, arbeiten, zu umweltschädlichen Stickoxiden (NOx) reagiert, die den Motor über die Abgase verlassen. Um den NOx-Abgasgrenzwert einzuhalten, justieren die Motorenhersteller die Luftzuführung zwischen einer leistungsoptimierten und einer NOx-optimierten Einstellung. Der Preis dieses Kompromisses ist ein im Schnitt um 1 Prozent verringerter Wirkungsgrad. Will der Betreiber dies durch eine höhere Menge an produziertem Biogas kompensieren, muss er übers Jahr die Ernte von 6 ha Mais zusätzlich füttern, verdeutlicht Aschmann die Konsequenz. An großen Aggregaten ist solch eine Einstellung relativ problemlos realisierbar. Kleinere Motoren laufen bei niedrig geregelten NOx-Emissionen unruhiger. Es kommt zu Zündaussetzern und erhöhtem Zündkerzenverschleiß. In solchen Fällen kann die Entscheidung für eine höhere NOx-Emission und damit einen besseren Wirkungsgrad in Kombination mit einer SCR-Abgasreinigung zur Einhaltung der Grenzwerte wirtschaftlich sinnvoll sein. Eine Besonderheit in deutschen Biogasanlagen sind die Zündstrahlmotoren. Ihnen räumt die derzeit gültige TA-Luft noch höhere CO- und NOx-Grenzwerte ein. In einer EU-harmonisierten Regelung wird es diesen Sonderstatus nicht mehr geben. Die neuen Emissionsvorgaben sind mit der Zündstrahltechnik aber nicht zu schaffen, da bei der Verbrennung des eingespritzten Biodiesels zu hohe NOx-Werte entstehen, sagt Motorenentwickler Hans-Jürgen Schnell. Daher konzipiert er gemeinsam mit einem Kat-Spezialisten für die rund in Betrieb befindlichen Zündstrahlaggregate einen Umrüstsatz, zu dem bei Bedarf auch ein dafür zugeschnittener Oxi-Kat gehört. Überhaupt nutzt ein Kat von der Stange wenig. Die genaue Abstimmung des Materials auf die für den Motorentyp spezifische Abgastemperatur und des Kat-Volumens auf den Abgasmassestrom bestimmen maßgeblich die Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer der Abgasreinigung. Der bei allen Gasmotoren unvermeidliche Methanschlupf (HC) im Abgas lässt sich bei einer Überschreitung des Grenzwertes von 1,3 g/nm³, wie er für die TA-Luft-Novelle diskutiert wird, nur durch eine Nachverbrennungsanlage eliminieren. In jüngster Zeit mehren sich allerdings Stimmen, die fordern, den Grenzwert HC für Biogas-BHKW doch wegfallen zu lassen.

3 Für Flex-Betrieb Gaskonditionierung verbessern Da die Qualität des erzeugten Biogases wechselt und es motorschädliche Begleitstoffe wie Schwefel und Silizium enthält, empfehlen Motorenexperten, bei der jetzt vielerorts geplanten Umstellung der Biogasanlage auf eine nachfrageorientierte Stromproduktion (Flex-Betrieb) auch gleich die Gaskonditionierung auf den neuesten technischen Stand zu bringen. Das betreffe zum einen die Trocknung des Biogases, das den Fermenter immer 100 % wasserdampfgesättigt verlässt. Wenn die Länge der Gasleitung zum BHKW bislang ausreichte, um das Gas durch Abkühlung auf dieser Strecke zu trocknen, ist das gegebenenfalls nicht mehr der Fall, wenn nach der Installation eines zusätzlichen Flex-BHKW eine höhere Menge an Gas durch die Zuleitung strömt. Feuchtes Biogas begünstigt aber die Bildung von Schwefelsäure, die Korrosion verursacht. Eine zusätzliche aktive Kühlung kann daher angebracht sein. Ähnliches gilt für die Feinentschwefelung. Schwefel ist der Hauptfeind des Oxidations-Katalysators (Oxi-Kat), der nach Verabschiedung der neuen BImSchV vielleicht nachgerüstet werden muss, um die Grenzwerte bei Kohlenmonoxid und Formaldehyd einzuhalten. Systeme zur Gastrocknung und Feinentschwefelung haben auch einige Landtechnikhändler im Angebot. Ergänzt wird dies häufig durch eine entsprechende Beratung der Anlagenbetreiber. So bietet die BayWa AG einen Service zu Schmierstoffen für BHKW-Motoren. Dazu gehören Motoröl-Analysen oder Empfehlungen bei Reparaturen und Erweiterungen. Wird das BHKW mit einem Oxidationskatalysator aufgerüstet, um beispielsweise den Formaldehyd-Grenzwert einzuhalten, ist für die Gewährleistung der Standzeit des Abgasnachbehandlungssystems ein Wechsel zu schwefel- und zinkfreien Motorölen unerlässlich, erläutert Holger Börnert, der in Sachsen, Sachsen-Anhalt, Thüringen und Brandenburg für die BayWa im Außendienst tätig ist. Start-Stopp wirtschaftlicher als Teillastbetrieb Versuche des LfL an einer 75-kW-Biogasanlage, die für den Flex-Betrieb um ein zusätzliches BHKW für die Spitzenlast erweitert wurde, zeigten übrigens, dass ein Start-Stopp-Betrieb für das Spitzenlast-BHKW günstiger ist als das Fahren in Teillast. Letztere Fahrweise senkt zwar durch die niedrigere Temperatur im Brennraum die NOx-Konzentration in den Motorabgasen. Gleichzeitig steigt die CO-Emission. Die geringere Kolbenausdehnung führt außerdem zu höherem Methanschlupf und der elektrische Wirkungsgrad vermindert sich. Der Ausgleich des Wirkungsgradverlustes bei 60-prozentiger Last kostet den Betreiber durch den dafür notwendigen Substratmehreinsatz 1 bis 1,5 Cent pro kw, hat Aschmann errechnet. Ein gemäßigter Start-Stopp-Betrieb wirke dagegen nicht negativ auf den Wirkungsgrad und somit auf das Betriebsergebnis.

4 Washcoat bestimmt das Alterungsverhalten BHKW-Abgasreinigungssysteme bestehen grundsätzlich aus einem Edelstahlgehäuse, in dem sich eine metallische oder keramische Matrix befindet. Sie ist als Kreuzgitter oder wabenförmig gestaltet. Fachleute sprechen vom Substrat. Solch eine Konstruktion entsteht zum Beispiel, wenn im Wechsel glattes und gewelltes Edelstahlblech zu einer Rolle aufgewickelt wird. Ziel ist es, den Abgasen beim Durchströmen der Kanäle eine möglichst große Reaktionsfläche zu bieten. Sind Well- und Glattlagen miteinander verlötet, können sie sich bei Verpuffungen und Druckstößen oder durch anhaltende Vibration nicht herausschieben (teleskopieren). Durch das Beschichten der Matrix mit dem sogenannten Washcoat, der eine extrem poröse Struktur hat, vergrößert sich diese Fläche noch einmal um ein Vielfaches. Ein Gramm des Titan- oder Aluminiumoxid basierten Washcoats erzeugt eine Fläche von bis zu 250 m². Pro Liter Abgasvolumen stehen in einer Matrix 500 bis m² zur Verfügung. Die Beschaffenheit des Washcoats mit den herstellerspezifischen Zuschlagstoffen (Dotierungen) hat entscheidenden Einfluss auf das Alterungsverhalten, die Haftfähigkeit und die Beständigkeit gegenüber Temperaturspitzen. Hier hüten die Kat-Hersteller die meisten Geheimnisse. Beim Oxi-Kat dient der Washcoat als Trägersubstanz für gleichmäßig verteilte, mikroskopisch kleine Cluster aus Edelmetall, meist Platin. Sie sind der eigentliche chemische Katalysator. Bei Abgastemperaturen von etwa 400 C sorgen die Platinmoleküle für eine Aufspaltung der Sauerstoff-Doppelbindungen in der Restluft der Abgase des Magermotors. Die Sauerstoffradikale stehen dann für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Formaldehyd zu CO2 und Wasser zur Verfügung. Docken im Abgas enthaltene Schwefelmoleküle auf der Kat-Oberfläche an, ist dem Sauerstoff an dieser Stelle der Zugang verwehrt. Der Katalysator verliert zunehmend an Wirkung. SCR-Katalysatoren zur Entfernung der Stickoxide sind verfahrensbedingt deutlich größer, aber pro Liter Abgasvolumen auch preislich günstiger. In den Washcoat wird bei dieser Technologie nicht Edelmetall, sondern Vanadiumoxid als Aktivkomponente eingesetzt. Auf dem Weg zum gitterförmigen Katalysatorsubstrat wird in das Abgas eine Harnstofflösung (bei Fahrzeug-Dieselmotoren als AdBlue bezeichnet) eingesprüht. Bei Temperaturen über 250 C hydrolysiert Harnstoff zu CO 2 und Ammoniak und homogenisiert sich idealerweise mit dem Abgasmassestrom. Trifft die Mischung auf den Reduktionskatalysator, reagiert das Ammoniak in der heißen Umgebung mit den Stickoxiden zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser. Zu den technischen Herausforderungen beim SCR-System gehören die möglichst gleichmäßige Vermischung der Harnstofflösung mit dem Gasstrom und die Steuerung der Einspritzmenge je nach NOx-Anteil, der durch Umgebungseinflüsse, Motorverschleiß und anderen Faktoren Schwankungen unterliegt. Zu wenig Harnstofflösung minimiert den Reinigungseffekt. Eine Überdosierung führt zu Ammoniakschlupf am Katalysator. Was eine BHKW-Abgasreinigung leisten muss, wird beim Vergleich mit dem Pkw deutlich. Fahrzeug-Katalysatoren haben eine Lebensdauer von bis Stunden und erfüllen ihren Zweck somit selbst bei überdurchschnittlicher Nutzung über mehrere Jahre. Bei einem Kat am BHKW mit Betriebsstunden würde dies bestenfalls für sechs Monate reichen. Normkubikmeter Ein Normkubikmeter (Nm³) ist das Volumen von einem Kubikmeter Gas bei einen Druck von 1,01325 bar einer Luftfeuchtigkeit von 0 % (Trockenes Gas) und Temperatur von 0 C (nach DIN 1343) bzw. 15 C (nach ISO 2533). Für davon abweichenden Bedingungen gibt es Umrechnungsformeln auf den Normzustand. Dadurch ist es möglich, Gasmengen, die ihr Volumen unter dem Einfluss von Druck und Temperatur verändern etwa im Bezug auf ihren Energiegehalt miteinander zu vergleichen. Beispiel: Die Gülle einer Milchkuh liefert im Schnitt pro Jahr 289 Nm³ Methan. Ein Nm³ Methan hat einen Energiegehalt von 9,97 kwh.

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