Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW

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1 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW Nr. IV 8/2015 (2. Auflage) Zusammengestellt für die Arbeitsgruppe IV (Bau- und Verfahrenstechnik) im Biogas Forum Bayern von: Volker Aschmann Dr. Mathias Effenberger Simon Tappen Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Landtechnik und Tierhaltung Gerald Ebertsch Bayerisches Landesamt für Umwelt

2 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 1 Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund Wo liegt das Problem bei der Emissionsminderung? Wie können die Schadstoffemissionen minimiert werden? Gasaufbereitung BHKW-Einstellung und Wartung Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung Oxidationskatalysator (Oxi-Kat) Thermische Nachverbrennung Neuere Entwicklungen... 8

3 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 2 1 Hintergrund Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Hubkolbenmotoren sind nach wie vor die wichtigste Technologie für die Verstromung von Biogas. Um die hierbei entstehenden Schadstoffemissionen auf ein Mindestmaß zu reduzieren, definiert die TA-Luft [1] entsprechende Emissionsgrenzwerte. Da sich diese Emissionsgrenzwerte nur auf BHKW mit einer Feuerungswärmeleistung > 1 MW beziehen, wurden im Biogashandbuch Bayern [2] auch für leistungsschwächere BHKW Emissionswerte definiert, die sich an diesen Grenzwerten anlehnen. In der Praxis kommt es jedoch immer wieder zu einem Interessenskonflikt zwischen dem Bestreben, einen möglichst hohen monetären Ertrag zu erwirtschaften und der Vorgabe, die vorhandenen Grenzwerte einzuhalten. Diese Veröffentlichung vermittelt einen Überblick über die Problematik der Emissionsminderung beim Betrieb von BHKW mit Biogas und gibt Hinweise für einen möglichst emissionsarmen Betrieb. 2 Wo liegt das Problem bei der Emissionsminderung? Biogas ist aufgrund des hohen Anteils an CO 2 (wird auch als Löschmittel eingesetzt) zum einen sehr klopffest (geringe Neigung zur Frühzündung) und weist zum anderen eine geringe Flammgeschwindigkeit auf. Die Verbrennung von Biogas kann daher unter sehr hohen Drücken erfolgen, wobei jedoch darauf geachtet werden muss, dass die Energiedichte im Verbrennungsraum ausreichend hoch ist, da sonst aufgrund der geringen Flammgeschwindigkeit die Effizienz der Verbrennung abnimmt. Bei einer optimalen und damit hoch effizienten Verbrennung wird dem Verbrennungsprozess soviel Sauerstoff (Luft) zugegeben, wie für die Oxidation (Verbrennung) der energiereichen Bestandteile (im Wesentlichen Methan) benötigt wird. Dieses Verhältnis Sauerstoff : Brennstoff wird Lambda-Wert (λ) genannt. Je höher der Lambda-Wert, desto sauerstoffreicher aber auch energieärmer (Mager-Gemisch) ist die Verbrennung (Abbildung 1). Bei einem Lambda-Wert im Bereich von 1 entstehen bei der Verbrennung sehr hohe Temperaturen und in Verbindung mit dem Stickstoffgehalt in der Luft hohe Stickstoffoxidemissionen (NO x ). In der Automobilindustrie werden diese Schadgase sowie Kohlenwasserstoffverbindungen (C n H m ) und Kohlenmonoxid (CO) mit Hilfe von Katalysatoren (3-Wege-Kat) reduziert. Biogasmotoren werden zur NO x -Minderung üblicherweise mit einem überstöchiometrischen ( mageren ) Luftgemisch betrieben. Um nun einen möglichst effizienten Verbrennungsprozess (niedriges Lambda) zu erzielen, müssten die bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide außermotorisch bzw. abgasseitig entfernt werden. Dies ist mit der heutigen Technik nicht wirtschaftlich durchführbar (siehe Kap. Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung ). Aus diesem Grund werden biogasbetriebene BHKW im Magerbetrieb gefahren, da hier der hohe Luftgehalt für eine Kühlung der Verbrennung und damit eine Reduktion der Stickoxidemissionen sorgt und so die Emissionswerte der TA Luft eingehalten werden können.

4 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 3 Abbildung 1: Einfluss des Lambda-Wertes (Luftüberschusszahl) auf die Höhe der Abgasemissionen Durch den hohen Luftanteil im Verbrennungsgemisch kommt es allerdings zu einer weiteren Verminderung der laminaren Flammgeschwindigkeit. Dies führt unter anderem zu einer unvollständigen Verbrennung und damit zu einem erhöhten Ausstoß an Kohlenwasserstoffen (C n H m ) (Abbildung 1), unter anderem auch Formaldehyd (HCHO). Durch den Einsatz z.b. von Oxidationskatalysatoren können die Formaldehydemissionen entsprechend gemindert werden (siehe Kap. Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung ). In der Praxis wird die Motoreinstellung oft primär unter dem Gesichtspunkten der Effizienz vorgenommen, ohne die Abgasemissionen in den unmittelbaren Fokus zu stellen, wie Untersuchungen von Aschmann et al [3] gezeigt haben. 3 Wie können die Schadstoffemissionen minimiert werden? Daraus ergibt sich natürlich die Frage, was man tun kann, um eine effektive Verstromung bei geringen Emissionen zu erreichen. Im Folgenden werden hierzu einige Fakten und Hinweise zusammengefasst. 3.1 Gasaufbereitung Die in der Regel an jeder Biogasanlage durchgeführte Entschwefelung und Trocknung des Biogases mittels biologischer oder chemischer Verfahren sowie aktiver oder passiver Kühlung hat bereits einen unmittelbaren Einfluss auf die Höhe der Emissionen (siehe hierzu auch die Fachinformation "Entschwefelung von Biogas in landwirtschaftlichen Biogasanlagen"). Der Schwefelanteil im H 2 S wandelt sich bei der Verbrennung in Schwefeldioxid (SO 2 ) um und kann Probleme bei der Einhaltung des SO 2 -Grenzwertes (350 mg m -3 ) verursachen. Allein deshalb ist die Entschwefelung des Biogases von großer

5 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 4 Bedeutung. Ansonsten verursachen H 2 S bzw. SO 2 Korrosionsprobleme im Motor und Abgaswärmetauscher, und zudem kann das Ölwechselintervall erheblich verkürzt werden. Auch auf eine ausreichende Entfeuchtung des Biogases ist zu achten. In Verbindung mit Schwefeloxiden bildet sich schweflige Säure bzw. Schwefelsäure, die zur Korrosion von Anlagenteilen führen kann. Zur Entfeuchtung des Biogases werden in der Praxis entweder im Boden verlegte Kühlstrecken oder eine aktive Kühlung bzw. beide Varianten verwendet. Bei im Boden verlegten Kühlstrecken ist auf eine ausreichende Länge und eine funktionierende Wasserentnahme zu achten. Fehlerhafte Ausführungen führen oft zu Wassertassenbildung in der Gasleitung bzw. zu einer ungenügenden Entfeuchtungsleistung, vor allem im Sommer. Die aktive Kühlung kann bei richtiger Dimensionierung sehr gute Entfeuchtungsergebnisse bringen, jedoch ist hierfür auch ein gewisser Stromverbrauch mit einzukalkulieren. Auch sollte nach der aktiven Kühlung eine Beruhigungsstrecke vorgesehen werden, damit sich Schwebstoffe und Restfeuchte im Gas absetzen können. 3.2 BHKW-Einstellung und Wartung Durch geeignete Abstimmung des Motors und eine regelmäßige und fachkundige Wartung des BHKW lassen sich die Emissionswerte erheblich beeinflussen. Dies haben Untersuchungen an der LfL [3] gezeigt. Es muss an dieser Stelle auch darauf hingewiesen werden, dass eine Einstellung und Wartung des BHKW nur von fachkundigen Personen bzw. vom Serviceteam des Herstellers vorgenommen werden sollte. Hierdurch lässt sich der Verschleiß und somit auch die Höhe der Emissionen des BHKW vermindern. Bei der Wartung und Einstellung des Motors sind die Abgaswerte des BHKW mit zu prüfen. Nur so lässt sich ein emissionsarmer Betrieb bei gleichzeitig hoher Effizienz gewährleisten. Einige BHKW-Hersteller haben mittlerweile standardmäßig Vorrichtungen zur automatischen Reduktion der NO x -Gehalte während des Betriebes installiert. Hierbei wird das Verbrennungsgemisch soweit abgemagert, bis der erste Zündaussetzer auftritt. Danach wird das Gemisch etwas fetter eingestellt, so dass die NO x -Emissionen gering sind und die Verbrennung ohne Aussetzer erfolgt. Durch diese Maßnahme können sich jedoch die Kohlenwasserstoffemissionen in Form von Methan ( Methanschlupf ) und Formaldehyd erhöhen. Bei der Verbrennung im Motor können Tot- bzw. Kaltraumzonen auftreten, in denen die Verbrennung nicht vollständig erfolgt und Formaldehyd als Zwischenprodukt nicht weiter oxidiert wird. Untersuchungen von Bauer und Wachtmeister 2008 [5] haben den Feuersteg (Raum zwischen Kolbenboden und erstem Abstreifring) als möglichen Entstehungsort lokalisiert. In Messungen des LfU vor 2009, also bevor durch den Luftreinhaltungsbonus des EEG ein finanzieller Anreiz für die Reduzierung der Formaldehydemission auf 40 mg m -3 geschaffen wurde, wurden erhöhte Formaldehydemissionen besonders bei größeren Gas-Otto-Motoren neuerer Bauart mit hohem elektrischem Wirkungsgrad festgestellt [6]. In diesen Fällen wurde selbst der Grenzwert nach TA-Luft von 60 mg m -3 Formaldehyd ohne nachgeschaltete Abgasreinigung nicht eingehalten. Bei den vor 2009 gemessenen Zündstrahlmotoren traten Formaldehydkonzentrationen im Abgas von über 60 mg m -3 deutlich häufiger auf als bei Gas- Otto-Motoren, und zwar vor allem bei Motoren älterer Bauart. Nach 2009 wurden in 96 % der Fälle bei Gas-Otto-Motoren und in allen Fällen bei Zündstrahlmotoren Formaldehydwerte < 40 mg m -3 gemessen.

6 Emissionen im Abgas [mg m ³] el. Wirkungsgrad BHKW [%] NOx, CO und CnHm [mg m ³] el. Wirkungsgrad, Zündölanteil [%] und HCHO [mg m ³] Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 5 Bei Teillast steigt die Kohlenwasserstoff- (Methanschlupf!) und Formaldehydkonzentration im Abgas und der elektrische Wirkungsgrad nimmt deutlich ab (Abbildungen 2 und 3). Die Stickoxid-Konzentration sinkt bei Teillast aufgrund der kälteren Verbrennung NOx CO CnHm HCHO ƞ el. Zündölanteil CO-Grenzwert NOx-Grenzwert 65 HCHO- Grenzwert 82 37,5 37,7 33,9 6,9 8,6 15,6 η-optimiert 67 KWel NO x -optimert 67 KWel Teillast (70%) 47 kwel Abbildung 2: Praxismessungen zum Abgasverhalten eines Biogas betriebenen Zündstrahlmotors in Abhängigkeit von der Motoreinstellung und der Last nach [7] ,1 CO NOx CnHm ƞ el. CO-Grenzwert 39,9 37, NOx-Grenzwert Volllast 100%/250kWel. Teillast 80%/200kWel. Teillast 60%/150kWel Abbildung 3: Praxismessungen zum Abgasverhalten eines Biogas betriebenen Gas-Otto-Motors mit BlueRail -Technologie und Oxi-Kat in Abhängigkeit von der Last

7 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 6 Bei Motoren, die allein durch innermotorische Maßnahmen die Anforderungen an die Emissionsbegrenzungen einhalten, müssen in der Regel Abstriche beim elektrischen Wirkungsgrad in Kauf genommen werden. Insgesamt ist für einen emissionsarmen Betrieb der Motoren auf eine regelmäßige und fachgerechte Wartung zu achten. Diese hat auch einen entscheidenden Einfluss auf den betriebsbedingten Verschleiß des BHKW. So nimmt im Laufe der Betriebsdauer der elektrische Wirkungsgrad ab. Der Verlauf dieser Abnahme kann durch ein gutes Wartungskonzept positiv beeinflusst werden. Messungen in der Praxis zeigten, dass durch eine Generalüberholung ( Bh) der elektrische Wirkungsgrad auf den Ausgangswert zurückgebracht werden konnte [4]. 4 Technologien für die Abgasnachbehandlung Mittlerweile existieren immer effizientere BHKW-Modelle, welche in Verbindung mit einer Abgasnachbehandlung die Vorgaben der TA-Luft erfüllen. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die Technologien zur Abgasnachbehandlung gegeben. 4.1 Oxidationskatalysator (Oxi-Kat) Der Oxidationskatalysator (kurz: Oxi-Kat) ist die am häufigsten eingesetzte Technologie, um Formaldehyd und Kohlenmonoxid (CO) aus dem Abgasstrom zu entfernen. Beim Einsatz von Oxidationskatalysatoren ist in jedem Fall eine weitestgehende Entschwefelung des Biogases erforderlich, um die Vergiftung des Katalysators und Korrosion im Wärmetauschersystem durch die Bildung von SO 3 bzw. von Schwefelsäure bei Taupunktsunterschreitungen zu vermeiden. Dies kann nur durch eine zusätzliche Feinreinigung des Gases auf weniger als 10 ppm H 2 S mittels spezieller Filtersysteme (z. B. Aktivkohle oder Cellulosefasergranulate) gewährleistet werden (siehe hierzu auch die Fachinformation "Entschwefelung von Biogas in landwirtschaftlichen Biogasanlagen"). Zur Kontrolle der Reinigungsleistung empfiehlt sich eine automatische Gasanalyse oder tägliche manuelle Kontrolle, um eine Schädigung des Katalysators zu vermeiden. Zwischenzeitlich liegen von verschiedenen Anlagen in Bayern Erfahrungen beim Einsatz von nachgerüsteten Oxidationskatalysatoren vor. Nach Untersuchungen des Bayerischen Landesamtes für Umwelt (LfU) lagen die Messergebnisse für die Formaldehydkonzentration im Abgas nach Einbau eines Oxidationskatalysators überwiegend im Bereich von 2 bis < 40 mg m -3. Gleichzeitig verminderten sich die CO-Emissionen der Motoren deutlich. Bei einigen Anlagen wurde jedoch auch nach der Nachrüstung von Oxidationskatalysatoren im Motorenabgas der Grenzwert für die Realisierung des Luftreinhaltungsbonus von 40 mg m -3 Formaldehyd nicht eingehalten. In einem Fall konnte sogar der Formaldehyd-Grenzwert der TA Luft von 60 mg m -3 nicht eingehalten werden. Die Entwicklung der Oxi-Kats schreitet in den letzten Jahren jedoch enorm voran. Vor allem auf dem Gebiet der Haltbarkeit und H 2 S- Anfälligkeit sind mittlerweile Fortschritte erzielt worden. Der Auswahl des richtigen Katalysatortyps kommt deshalb entscheidende Bedeutung zu. Die Auswahl und Installation eines Oxi-Kats sollte in jedem Fall in Zusammenarbeit mit dem BHKW-Hersteller erfolgen, da nur dieser den richtigen Einbauort kennt und das BHKW auf die neuen Abgasgegendruckverhältnisse anpassen kann. Ein falscher Einbau kann zu nennenswerten Wirkungsgradverlusten führen.

8 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 7 Fazit zum Oxi-Kat Vorteile Reduktionsvermögen für CO und HCHO von über 90 % kostengünstig (ca bis ) Nachteile sehr anfällig auf H 2 S: Entschwefelung auf unter 10 ppm nötig geringe Haltbarkeit (ca Bh, je nach H 2 S-Gehalt) kein Reduktionsvermögen für NO x kein Reduktionsvermögen für Methan Quelle: Bosch AG Abbildung 4: Schematische Darstellung eines Oxi-Kats 4.2 Thermische Nachverbrennung Bei der nachgeschalteten Verbrennung werden die Abgase auf einem höheren Temperaturniveau oxidiert. Dies ermöglicht eine sichere Einhaltung des Grenzwertes für den Luftreinhaltungsbonus von 40 mg Formaldehyd je m 3 (Anlagen mit einer Nennleistung bis 500 kw el und Vergütung gemäß EEG 2009). Unabhängige Messungen der Wirksamkeit der oxidativ-regenerativen Nachverbrennung liegen zwischenzeitlich von einigen wenigen Anlagen vor. Emissionsmessungen des LfU im Abgas einer solchen Anlage belegen Formaldehydkonzentrationen von < 5 mg m -3 bei einem Abbaugrad von 98 %. Gleichzeitig wurden die CO-Emissionen deutlich reduziert (< 0,1 g m -3 ). Die Methanemissionen des Motors reduzierten sich durch die Nachverbrennung von ca. 1,3 g m -3 auf ca. 10 mg m -3. Thermoreaktoren haben damit den Vorteil, dass klimaschädliche Methanemissionen im Abgas von Biogasmotoren effektiv gemindert werden können. Dieses Verfahren ist allerdings sehr kostenintensiv.

9 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 8 Fazit zur thermischen Nachverbrennung Vorteile Weitgehendes Reduktionsvermögen für CO und Kohlenwasserstoffe lange Haltbarkeit Nachteile hoher Anschaffungspreis (ca ) zusätzlicher Brennstoffbedarf (ca. 2 % des produzierten Methan) kein Reduktionsvermögen für NO x Abbildung 5: Skizze zum Funktionsprinzip der Abgas-Nachverbrennung 4.3 Neuere Entwicklungen Eine interessante Neuentwicklung stellt die Adaption des sogenannten SCR-Kat (selektive katalytische Reduktion) an Biogasmotoren dar. Im PKW- und LKW-Bereich wird dieses Verfahren unter dem Namen Ad-Blue bereits vielfach eingesetzt, um die Stickoxidemissionen von Dieselmotoren zu reduzieren. Hierfür wird zum Abgasstrom eine wässrige Harnstofflösung dosiert. Durch die Reaktion von Ammoniak mit Stickstoffdioxid wird Stickstoff gebildet. Erste Versuche mit diesem Verfahren laufen mit Erfolg auf einer Biogasanlage in Norddeutschland. Die weitere Entwicklung muss jedoch noch abgewartet werden.

10 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 9 Quellenangaben [1] TA-Luft (2002): Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundesimmissionsschutzgesetz: Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (GMBl. Nr / S. 511) in der Fassung vom 24. Juli 2002, S [2] Bayer. Landesamt für Umwelt (Hrsg.): Biogashandbuch Bayern Materialienband, Stand 2007, Augsburg [3] Aschmann, V., R. Kissel, M. Effenberger, R. Eichelser, A. Gronauer (2007): Effizienzsteigerung, Emissionsminderung und CO 2 -Einsparung durch optimierte Motoreinstellung bei Biogas-Blockheizkraftwerken zur dezentralen Stromerzeugung. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben. Bayerisches Landesamt für Umwelt (Hrsg.), Augsburg 2007 [4] Aschmann, V., M. Effenberger, W. Jin, A. Gronauer (2009): Emissionsproblematik und Energieeffizienz biogasbetriebener Blockheizkraftwerke (BHKW) im Verlauf der Standzeit. In: Internationale Wissenschaftstagung Biogas Science, , Erding [5] Bauer, M., G. Wachtmeister (2008): Formaldehydbildung Wirkmechanismen: Untersuchung der Wirkzusammenhänge zur innermotorischen Beeinflussung der Formaldehyd-Bildung und Darstellung der Einflussparameter. Bericht zum Forschungsvorhaben. Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.v. (Hrsg.), Frankfurt a. Main 2008 [6] Ebertsch, G., A. Fiedler (2010): Formaldehyd im Abgas von Biogasmotoranlagen und Erdgas-Blockheizkraftwerken. Wasser und Abfall, Heft 11, S [7] Jin, W. (2010): Emission and electrical efficiency of biogas driven CHPU influenced by different operating conditions. Master Thesis am Wissenschaftszentrum Weihenstephan der Technischen Universität München, Freising, Mai 2010

11 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 10 Abkürzungsverzeichnis Bh BHKW CO CO 2 C n H m EEG el. g HCHO H 2 S kw el. LfU m 3 mg MW ƞ el. NO x ppm SO 2 SO 3 Betriebsstunden Blockheizkraftwerk Kohlenmonoxid Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe Erneuerbare Energien Gesetz elektrisch Gramm Formaldehyd Schwefelwasserstoff Kilowatt elektrisch Bayerisches Landesamt für Umwelt Kubikmeter Milligramm Megawatt Elektrischer Wirkungsgrad Stickoxid parts per million Schwefeldioxid Schwefeltrioxid % Prozent Zitiervorlage Aschmann, V., Effenberger, M., Tappen, S. und G. Ebertsch (2015): Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW In: Biogas Forum Bayern Nr. IV 8/2015 (2. Auflage), Hrsg. ALB Bayern e.v., bener_bhkw_2_auflage.pdf, Stand [Abrufdatum]

12 Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb biogasbetriebener BHKW 11 Das Biogas Forum Bayern ist eine Informationsplattform zum Wissenstransfer für die landwirtschaftliche Biogasproduktion in Bayern. Arbeitsgruppe IV (Bau- und Verfahrenstechnik) Hier erarbeiten Experten Publikationen zu folgenden Themen: Sicherheit Emissionen Funktion System/Standort Mitglieder der Arbeitsgruppe IV (Bau- und Verfahrenstechnik) ABB Automation Products GmbH AEROLOG - Gesellschaft für Informationslogistik Agraferm Technologies AG Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Neustadt a.d. Saale Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Landtechnik und Tierhaltung Bayerisches Landesamt für Umwelt ennox biogas technology f10 Forschungszentrum für Erneuerbare Energien Fachverband Biogas e.v. green contract Gutachtergemeinschaft Biogas Hochschule für angewandte Wissenschaften FH Ingolstadt Landratsamt Neuburg-Schrobenhausen NQ Anlagentechnik Regierung von Oberbayern (Gewerbeaufsichtsamt) Schnell Motoren AG Siemens AG SVLFG Berufsgenossenschaft Technologiezentrum Energie Hochschule Landshut UGN Umwelttechnik GmbH Herausgeber: Arbeitsgemeinschaft Landtechnik und landwirtschaftliches Bauwesen in Bayern e.v. Vöttinger Straße Freising Telefon: 08161/ Telefax: 08161/ Internet:

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