Gas-Otto-Motor oder Zündstrahl-Gas-Motor für Nutzungsmöglichkeiten und deren Einordnung

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1 Gas-Otto-Motor oder Zündstrahl-Gas-Motor für Nutzungsmöglichkeiten und deren Einordnung Dr. Hans-Jürgen Kampmann Anlagen- und Antriebstechnik Nordhausen GmbH Alte Leipziger Straße Bielen Stadt Nordhausen Kurzfassung Zur Nutzung von Biogas in Verbrennungsmotoren z. B. zum Antrieb von Stromerzeugern gibt es zwei eingeführte und funktionierende Technologien. In Abhängigkeit von der Größe der Gesamtanlage, den Ansprüchen für die Verfügbarkeit, den Betriebskosten und den möglichen Erlösen haben jeweils der Gas-Otto-Motor und der Zündstrahl-Gas-Motor Vor- und Nachteile. Für eine optimale Auswahl bzw. Auslegung der jeweiligen Motorenart werden Zusammenhänge dargestellt und aus Betriebserfahrungen betriebswirtschaftliche Aussagen getroffen, die es dem Planer oder den Betreiber ermöglichen, für seinen Einsatzfall das bestmögliche abzuleiten. Mit den Abgaswerten und Weiterentwicklungsmöglichkeiten der Techniken wird das Thema abgerundet, Ziel ist es, maximal nutzbare Energie aus der Biogasenergie herauszuholen.. Motivation Eine Möglichkeit in natürliche Stoffkreisläufe, auch wenn sie vom Menschen mit der Tierhaltung selbst verursacht wurden, zu gelangen, ist die mit der Biogaserzeugung entstandene chemische Energie in wertvollere nutzbare Energie zu wandeln. Dafür bietet sich als eine Form die Verbrennung des Methans im Biogas in Verbrennungsmotoren an. Bei geringem Volumenanfall mit wenigen m³/h können kleine Ottomotoren verwendet werden, die aber in der mechanischen Ausbeute nur unter 3% gegenüber der chemischen Feuerungsenergie liegen. Über 2 m³ Biogas pro Stunde kann mit kleinen Dieselmotoren im Zündstrahlbetrieb (ZS) schon ein höherer um 3 % liegender Wirkungsgrad erreicht werden. Für größere Biogasanlagen mit über 5 m³ Gaserzeugung pro Stunde sollten durchentwickelte ZS-Dieselmotoren mit energetischem Wirkungsgrad über 4 % genutzt werden. Bei noch größeren Anlagen mit über 2 m³ Biogas pro Stunde wird der Gas-Otto-Motor mit einem mechanischen Wirkungsgrad auch nahe an die 4 % am gebrauchsfähigsten. Aus diesem Leistungsspektrum bieten sich relative Optima in der Motoren- oder Anlagengröße an. Parallel zu diesen energetischen Betrachtungen gibt es noch einen vom Menschen verursachten Vorschrifteneinfluß, der über Stromverwertung, Abgasgesetzgebung und Genehmigungsverfahren die Biogasnutzung letztendlich fördert oder behindert. 1. Biogas als Verbrennungsmotorenkraftstoff Verbrennungsmotoren haben von der Baugröße und vom Verbrennungsverfahren her unterschiedliche Wirkungsgrade. Auf 1 kw ausgerichtet ist im Wirkungsgradvergleich nach Bild 1 der Zündstrahlmotor für die Biogasnutzung zu wählen. Während es für Gas-Otto-Motoren ein Zündfenster mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von (,6 < λ < 1,6) gibt, liegt dieses λ-

2 Verhältnis beim Zündstrahlmotor im Magerbereich (λ >> 1,) und ist der Betrieb bis zum 7- fachen Luftüberschuss möglich Wirkungsgrad, Anteil in % Gasanteil Zündstrahlanteil Wirkungsgrad 2 1 Gas-Otto Zündstrahl Motorenart Diesel Bild 1: Wirkungsgrade von Biogasmotoren Die Darstellung des Wirkungsgrades über der Leistung im Bild 2 beruht auf eigenen AAN- Messungen, so dass im Wirkungsgrad vergleichbar eine Orientierung auf die Motorenart der Biogasnutzung gegeben ist. 45 Zündstrahl 4 Wirkungsgrad in % 35 3 Gas- Otto Motorleistung in kw Bild 2: Biogasausnutzung in Motorentypen

3 2. Der Gas-Otto-Motor für Biogas Gas-Otto-Biogasmotoren wurden von Erdgasmotoren abgeleitet. Aufgrund der Anwesenheit von CO 2 als Inertgas konnte das Verdichtungsverhältnis auf 12,5 angehoben werden (wie beim Propangasmotor), die Wirkungsgradsteigerung beträgt dadurch 1 bis 2 % -Punkte. Diese Motoren sind mit Hochleistungs-Zündanlagen ausgerüstet und laufen im Magerbereich (1,3 < λ < 1,6). Diese ausgereifte Technik ermöglicht heute einen sicheren Betrieb unter Einhaltung der Abgasgrenzen nach TA-Luft. Für das Biogas wird eine von heutigen Biogasanlagen lieferbare Qualität gefordert. B io-gas-qualität: Methan CH 4 ca. 6 Vol % Kohlendioxid CO 2 ca. 4 Vol. % Schwefel S < 2,2 g/m³ oder H 2 S <,15 Vol. % Gasfeuchte < 6 8 % Die Motorenbau teile, die mit Schwefelverbindungen in Berührung kommen können (Kupfer, Chrom), sind zu schützen, materialmäßig zu substituieren oder vorbeugend zu wechseln. Da Schwefel normalerweise im Motorbetrieb zu SO 2 aufoxidiert wird, sind SO 2 -Emissionen im Abgas zu beobachten. 3. Der Zündstrahl-Biogasmotor Anfänglich wurden für kleinere Biogasmengen von BHKW-Herstellern normale kleinere Dieselmotoren (um 4 dm³-hubvolumen) genutzt, mit Leerlast/Niedriglast auf Diesel betrieben und über das Ansaugsystem mit einem Gas-Luft-Gemisch versorgt. Eine gezielte Motorenentwicklung wurde nicht durchgeführt, sondern bestenfalls Erfahrungen von Großmotoren umgesetzt. Das ging nur für direkteinspritzende Motoren. Vorkammermotoren erzeugen sich selbst sogenannte Heißstellen, die zu unkontrollierten Fehlzündungen bei Gasbeaufschlagung führen würden. Bleibt der Dieselmotor ein sogenannter Selbstzündungsmotor, kann der selbstzündende Kraftstoff wie ein starker Zündfunken (9-fache Energie) ein Biogas-Luftgemisch, das über die 1 8 V Gas = const. 6 Belastung % V ZS =f (Gasheizwert) 2 V ZS =const Drehzahl / m in -1

4 Ansauganlage angesaugt wird, zünden (Bild 3). Bild 3: Zündstrahl-Biogas-Motor Das geschieht mit der hohen Effektivität von %. Eine Möglichkeit ist der moderne direkteinspritzende Dieselmotor aber mit Modifikationen in der Einspritzanlageneinstellung und die Berücksichtigung der höheren Verbrennungstemperaturen für die Kolbenkühlung. Die AAN- Zündstrahltechnik hat zusätzlich noch als weitere Grundelemente: - einen Kraftstoffstrahl pro Zylinder, - Festlegung der Gleichfüllungstoleranz der Zündstrahlmenge - hohe initiale Luftbewegung, - verzunderungsfreies Kolbenmaterial für Brennraumtemperaturen bis 65 o. Dieser Zündstrahlmotor ist auf der Basis des AAN-Pflanzenölmotors entstanden. Da Biogas nicht immer homogen, also auch von wechselnder Qualität und Energiegehalt ist, wird für konstante Leistungen im Stationärmotor die Kompensation mit Hilfe der Zündstrahlmenge herbeigeführt. Der möglichen besten Gasqualität wird das energetische Volumen von 82 bis 9 % (Zündstrahlmenge 1 18 %) zugeordnet. Sinkt bei konstantem Gasvolumen der Energiegehalt, wird durch Vergrößerung der Zündstrahlmenge die Leistungskonstanz erhalten. Für durchgängigen regenerativen Kraftstoffeinsatz ist die Lösung mit naturbelassenem Pflanzenöl als Zündstrahl und Biogaszuführung analog der Gaszuführungstechnik wie beim Gas-Otto-Motor ausgelegt. Die λ Regelung (Luft-/Gas-Verhältnis) wird durch eine Gaszuführungstechnik ersetzt. Das nun entstehende Kraftstoff-/Luftverhältnis wird noch magerer, analog dem Dieselverfahren. Die Anforderungen an die Gasqualität sind die gleichen wie beim Gas-Otto-Motor. Der Zündstahlmotor ist idealerweise bei einem Kraftstoff-Luft- Verhältnis unter λ < 1,9 zu betreiben. Vorhandenes Biogas wird dann bis zu 15 % besser als beim Gas-Otto-Betrieb ausgenutzt. Der Preis dafür ist das notwendige Zündstrahlmedium und betriebskosten- und anlagenmäßig zu berücksichtigen. 4. Die Abgasemission im Vergleich Ein entscheidender Qualitätsunterschied der Biogasverwertung ist die Abgasemission der beiden Verfahren. Die Nutzung von natürlichen Stoffkreisläufen soll auch mit einer geringen Störung der Umwelt durch schädliche Abgasschadstoffe verbunden sein. Es sollen aus dem natürlich entstehenden Biogas Wasser und Kohlendioxid erzeugt werden. Die Stoffe stehen dann wieder für den Kreislauf Wachstum der Pflanzen, Viehfutter, Biogaserzeugung aus den Ausscheidungen, Oxidation zu Wasser und Kohlendioxid zur Verfügung.

5 Durch die heterogenen Bedingungen bei der motorischen Nutzung in Druck, Temperatur, Sauerstoff- und Stickstoffkonzentration entstehen ungewollte Reaktionsprodukte, die sich im Abgas wiederfinden. Als Leitsubstanzen werden die Stickoxide (NO x ), das Kohlemonoxid (CO) und die Partikel (Staub, Ruß) gesehen. Die beiden Motorenkonzepte haben Rohemission dieser Stoffe entsprechend der Bilder 4 und 5. 1 Abgaskonzentration in mg/m³(5%o 2 ) NO X CO 2 6,8 7 7,2 7,4 7,6 7,8 8 8,2 Mitteldruck in bar Bild 4: Abgasemission beim Gas-Otto-Motor als Funktion der Motorbelastung Mit Optimierung des Zündzeitpunktes beim Gas-Otto-Motor und homogener Gasqualität können die heute geltenden TA-Luft-Limits eingehalten werden (Bild 4). Beim ZS-Betrieb (Bild 5) zeigt der Verlauf der NO x -Konzentration einem dem Dieselmotor ähnlichen Verlauf. Vollkommen anders verhält sich die CO-Konzentration. Im Teillastbetrieb bei λ -Werten > 2 entstehen erhöhte CO-Konzentrationen. Die Reaktionsgeschwindigkeit von CO zu CO 2 ist so langsam, daß ein großer Teil des Verbrennungszwischenproduktes CO ins Abgas gelangt. Zündstrahlmotoren sollten deshalb vorzugsweise als Punkt- oder Volllastmotoren eingesetzt werden. Durch Abgasrückführung auf λ -Werte unter 1,9 würde die CO- Konzentration abgesenkt. Der Einsatz eines Oxidationskatalysator scheidet in der 1. Lesart wegen des Schwefelgehaltes aus, da entweder eine Katalysatorvergiftung auftritt oder SO 3 gebildet wird, das sich mit dem entstandenen Wasser zu Schwefelsäure verbindet und unter der Schwefelkondensattemperatur zur Korrossion der Abgasanlage führt. Beim ZS-Biogasmotor entstandene NO x -Konzentration können durch handelsübliche SCR- Katalysatoren (Selctive Catalytische Reduktion) reduziert werden. Auf Maßnahmen zur Senkung der Partikelkonzentration kann bei beiden Motorsystemen verzichtet werden, da auch im Abgas von ZS-Motoren nur Anteile unter 8 mg/m³ festgestellt wurden.

6 3 Abgaskonzentration in mg/m³(5%o 2 ) CO NO X Mitteldruck in bar Bild 5: Abgasrohemission beim Zündstrahl-Gas-Motor als Funktion der Motorbelastung 5. Die Abgasgesetzgebung und das Motorenkonzept Eine unserer vordringlichsten Aufgaben ist die Erhaltung unserer Umwelt. Aus der Abgasrohemission der 2 Verfahren müssen sich nunmehr die Schlußfolgerungen für einen optimalen Einsatz ableiten. Dem Anspruch, unseren Energiebedarf zu decken, genügen höchste Wirkungsgrade. Dem Treibhauseffekt entgegen wirkt die Verhinderung von Methanbildung aus unkontrollierten Vorgängen gegenüber einer verwertbaren Methanbildung der Biogasanlage und durch Aufoxidation zu in der Natur im Kreislauf nutzbaren CO 2. Die Schädlichkeit von Methan zu CO 2 in der Klimawirksamkeit wird mit 32 gesehen. Die Verminderung der ungewollten Nebenprodukte wie CO und NO x bedarf dann beim ZS-System einer Zusatz- oder Abgasbehandlung. Alle mit der Realisierung verbundenen Maßnahmen müssen investiv in ihrer Höhe berücksichtigt werden. Investitionskosten sind nunmehr wiederum mittelbar proportional einer fossilen CO 2 -Freisetzung. In diesem Umfeld müßte die Abgasschadstoffkonzentration zum Beispiel auf die erzeugten elektrischen Kilowattstunden bezogen werden. Entsprechend der Diskussion zu Abgaswerten in der TA-Luft vom nach Bild 6 sind Abgasemissionen von Zündstrahl-Biogas-Motoren durch die AAN nunmehr auch primär beherrschbar.

7 mg/m³ bezogen auf 5% O Diesel GO- Erdgas ZS- Biogas GO-Biogas ZS-Erdgas CO NOx PM 2 SO Bild 6: TA-Luft (Entwurf ) 6. Wirtschaftlichkeitsvergleich In einer Wirtschaftlichkeitsgegenüberstellung wird versucht, den Stand der heutigen Technik der Biogasverwertung in Verbrennungsmotorenanlagen zur Elektroenergieerzeugung darzustellen. Für unterschiedliche Leistungsgrößen werden die unterschiedlichen Konzepte empfohlen. Für 15 kw +/- 5 kw gilt die Darstellung nach Bild 7, wobei hier im konkreten Beispiel 5 m³ Biogas verstromt werden. Die Nutzung der Gas-Otto-Motorentechnik ergibt bei einem elektrischen Wirkungsgrad von nachgewiesenen % rund 1 kwh el. Aus den zuvor erwähnten 5 m³ werden bei ebenfalls nachgewiesenen % für die Zündstrahltechnik ca. 115 kwh el aus Biogas erzeugt, zusätzlich kommen noch ca. 15 kwh aus dem Medium Zündstrahl hinzu. Bezogen auf die eingesetzten 5 m³ Biogas, die einer Feuerungsleistung um 3 kwh entsprechen, ergibt sich trotz höherer Kosten durch die Wartung, weil das BHKW größer wird, und die Kosten für das ZS-Medium ein deutlich höherer Gewinn für den Betreiber.

8 aus Biogas mit Heizöl / Pflanzenöl Cent pro m³ Biogas BHKW Anlage Erlös Strom Wartung ZS-Kosten Gewinn Bild 7: Wirtschaftlichkeitsvergleich für Anlagen zur Verstromung von 5 m³ Biogas pro h Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für kleinere Anlagen unter 3 m³ Biogas pro h führen auf Grund der Motorenwirkungsgrade von % für kleine Gas-Otto-Motoren und ca. 3 % für kleine ZS-Motoren meist zu negativen Ergebnissen und werden nur durch die sinnvolle Einbeziehung der Wärmenutzung wirtschaftlich. Größere Anlagen mit über 12/2 m³ Biogas pro h sind dann auch bei höheren Investitionskosten mit Wirkungsgraden von 35/4% wirtschaftlich und brauchen nicht die zur Zeit noch vorhandene psychologische Barriere der Zündstrahltechniknutzung zu überwinden. Noch größere Anlagen haben dann auch noch die Gasturbine als weitere Auswahlmöglichkeit für einen wirtschaftlichen Einsatz. Die zuvor verwendeten Wirkungsgrade sind neuste Ergebnisse der Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, die anlässlich eines Biogassymposium am in Leipzig veröffentlicht wurden. Die Auswahl der Motorentechnik für die Biogasverwertung muss somit für den Errichter einer Gesamtanlage die Faktoren - Gülle-, Substrat- oder/und Biomasseanfall pro Zeiteinheit - Größe der Anlage in m³ Biogas pro h - Verfügbarkeit bei Biogasausfall, der ZS-Motor läuft auch 1 % mit Zündstrahl - Forderungen an die Abgasqualität - Wartungskosten, getrennt in Material- und Personalkosten berücksichtigen. Die Weiterentwicklungsschritte in der Motorentechnik werden jetzt (22) wegen der politischen Rahmenbedingungen (EEG) und damit erfolgten erhöhten Nachfrage sowohl in der Gas-Otto- Motoren-Technik als auch in der Zündstrahl-Technik zunehmen. Ausgefeiltere Steuerungstechniken, Beeinflussung der Verbrennungsprozesse z.b. durch Zumischung von Wasser zum Zündstrahl und gezielte Abgasnachbehandlung wie z.b. Auswaschen von Schadstoffen im Abgas durch sonst normal weiter genutzter Gülle werden zu Wirkungsgraderhöhungen und geringeren Abgasbelastungen genutzt und anwendungsbereit ausentwickelt.