Einfluss der Kraftstoffqualität auf das Betriebsverhalten von rapsölbetriebenen BHKW

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1 Einfluss der Kraftstoffqualität auf das Betriebsverhalten von rapsölbetriebenen BHKW, HTWG Konstanz Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner, HTWG Konstanz Prof. Dr.-Ing. Martin Faulstich, TU München Dr. Doris Schieder, TU München 1. Pflanzenöl-BHKW-Forum 27. September 2007, RENEXPO, Augsburg

2 Einleitung Warum Kraftstoffqualität? Momentane Situation: Normal- und Superbenzin DIN EN 228 Diesel DIN EN 590 Biodiesel DIN EN Heizöl DIN Rapsölkraftstoff V DIN Motorenhersteller und umrüster versuchen, durch konstruktive Lösungen und kurze Wartungsintervalle die Kombination Rapsöl + Verbrennungsmotor möglichst lange am Leben zu erhalten. Diese Lösungswege sind aber oft wenig systematisch, weil teilweise die dazu notwendigen Untersuchungsergebnisse fehlen, sowie die Mindestanforderungen der entsprechenden Kraftstoffnorm nicht endgültig bekannt sind.

3 Einleitung Warum Kraftstoffqualität? Kraftstoffproduzenten und lieferanten sind über die tatsächlichen Mindestanforderungen an den Rapsölkraftstoff verunsichert, wollen nicht unnötig viel Aufwand betreiben. Betreiber von Rapsöl-BHKW sind über die erforderliche Kraftstoffqualität verunsichert oder sich der Problematik erst nach Eintritt eines Schadens oder Störfalls bewusst. Systematische Untersuchungen sind erforderlich, um... rapsöltaugliche Motoren (weiter-) zu entwickeln,... eine marktgerechte DIN zu schaffen,... Kraftstoffproduzenten, -lieferanten und BHKW-Betreiber für das wichtige Thema Kraftstoffqualität zu sensibilisieren... einen sicheren Betrieb von geeigneten BHKW mit Rapsölkraftstoff zu ermöglichen.

4 Gliederung 1. Struktur der Untersuchungen 2. Felduntersuchungen: - Kraftstoffqualitäten - Partikelfilter - Einspritzdüse - Verlauf der Abgastemperatur 3. Laboruntersuchungen - Kraftstoffqualitäten und Versuchszyklen - Auslassventil - Kolben - Einspritzdüse - Verlauf der Abgastemperatur 4. Fazit

5 Struktur der Untersuchungen Felduntersuchungen zufällige Kraftstoffqualitäten zufällige Betriebsprofile langer Beobachtungszeitraum große Beobachtungsintervalle wenig Messtechnik Bandbreite der Ereignisse im Realbetrieb kennen lernen, beobachten, was passiert Laboruntersuchungen definierte Kraftstoffqualitäten definierte Betriebsprofile kurzer Beobachtungszeitraum kleine Beobachtungsintervalle viel Messtechnik Durch wissenschaftliche Untersuchungen und Modelle die Beobachtungen verstehen, abstrahieren und prognostizieren Beide Untersuchungsmethoden werden mit BHKW des selben Typs durchgeführt!

6 Eckdaten zum BHKW und zu dem Felduntersuchungen BHKW: Felduntersuchungen: 1-Zylinder-Dieselmotor, direkteinspritzend elektrische Leistung 5,0 kw Vom Hersteller für den Betrieb mit Rapsölkraftstoff modifiziert (Vorserienanlagen). Partikelfilter im Abgasstrang 35 Anlagen Einfamilienhaus... Gastronomie... Gewerbebetrieb Betriebsstunden ca l Rapsölkraftstoff von 20 verschiedenen Lieferanten 99 Kraftstoffanalysen Problembereiche: Ablagerungsansammlung im Partikelfilter Ablagerungsbildung an den Einspritzdüsen

7 Bandbreite der Kraftstoffqualität bei den Felduntersuchungen Anzahl Kraftstoffproben außerhalb V DIN Anzahl Kraftstoffproben außerhalb V DIN Phosphorgehalt [mg/kg] n = 99 Kalzium- und Magnesiumgehalt [mg/kg] Anzahl Kraftstoffproben. außerhalb V DIN Anzahl Kraftstoffproben außerhalb V DIN ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 Oxidationsstabilität [h] Säurezahl [mg KOH/g]

8 Kraftstoffabhängige Massenzunahme des Partikelfilters Phosphorgehalt ca. 1,5 * V DIN V DIN V DIN V DIN V DIN V DIN 51605

9 Vollständig beladener Partikelfilter Kanäle im Inneren der Filterkeramik Anströmseite der Filterkeramik

10 REM-Aufnahmen von Einspritzdüsen der Felduntersuchungen Ausgewählte Kennwerte des Rapsölkraftstoffs Phosphor 8,0 mg/kg 16,3 mg/kg Kalzium + Magnesium 13,8 mg/kg 20,1 mg/kg Oxidationsstabilität 7,0 h 8,4 h Säurezahl 1,352 mg KOH/g 1,354 mg KOH/g Betriebszeit der Einspritzdüse 1023 Bh 812 Bh

11 Zusammensetzung der Ablagerungen an der Einspritzdüsenkuppe Qualitativer Vergleich zwischen den typischen Ablagerungen infolge des Betriebs mit Dieselkraftstoff und den Ablagerungen im Rahmen der Felduntersuchungen. Dieselbetrieb Rapsölbetrieb Überwiegend Kohlenstoff und Sauerstoff Überwiegend Phosphor und Kalzium

12 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Relativ einfach zu messende Größe für Motor-/Betriebszustand Wird beeinflusst von eingespritzter Kraftstoffmenge und dem zeitlichen Ablauf der Verbrennung. Beladener Partikelfilter Ablagerungen auf Einspritzdüse Abgasgegendruck steigt schlechte Kraftstoffzerstäubung unvollständige Verbrennung Kraftstoffverbrauch steigt (bei P Mech = konst.) Verengung des Spritzlochquerschnitts Einspritzdauer steigt Verlagerung der Verbrennung nach spät thermischer Wirkungsgrad sinkt Brennraumtemperatur am Ende des Arbeitstakts höher Abgastemperatur steigt

13 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Wie groß ist der Einfluss von Einspritzdüse und Partikelfilter auf die Abgastemperatur? Untersuchungsergebnisse aus den Feldversuchen: Einzeleinfluss Einspritzdüse neu alt: Einzeleinfluss Partikelfilter neu alt: ca K ca K In der Praxis verschleißen beide Bauteile gleichzeitig, allerdings nicht immer im gleichen Verhältnis. Insbesondere die Ablagerungsbildung an der Einspritzdüse ist quantitativ nur sehr schwer prognostizierbar. Weiterhin ist es bei Einspritzdüsen wesentlich schwieriger, einen Grenzwert für den Verschleiß (die Belagsbildung) festzulegen. Max. gemessener kombinierter Einfluss: ca K

14 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Beide BHKW laufen unter vergleichbaren Betriebsbedingungen mit dem gleichen Kraftstoff Abgastemperatur Motor [ C] Betriebsstunden seit Beobachtung

15 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Leistungsreduzierung durch Servicepartner neue Lieferung Rapsölkraftstoff (Vollraffinat) 455 Abgastemperatur Motor [ C] Zwei BHKW mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten Wartung durchgeführt, Leistung wieder auf Nennwert erhöht Ausschließlicher Betrieb mit Vollraffinat Betriebsstunden seit Beobachtung

16 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Abgastemperatur Motor [ C] Partikelfilter und Einspritzdüse getauscht neue Lieferung Rapsölkraftstoff Betriebsstunden seit Beobachtung

17 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf der Abgastemperatur Wartung: Partikelfilter und Einspritzdüse getauscht Abgastemperatur Motor [ C] P = 11,4 mg/kg Ca + Mg = 18,4 mg/kg P = 1,2 mg/kg Ca + Mg = < 0,5 mg/kg 395 neue Lieferung Rapsölkraftstoff Betriebsstunden seit Beobachtung

18 Gliederung 1. Struktur der Untersuchungen 2. Felduntersuchungen: - Kraftstoffqualitäten - Partikelfilter - Einspritzdüse - Verlauf der Abgastemperatur 3. Laboruntersuchungen - Kraftstoffqualitäten und Versuchszyklen - Auslassventil - Kolben - Einspritzdüse - Verlauf der Abgastemperatur 4. Fazit

19 Eckdaten zu den Laboruntersuchungen Variation folgender Kraftstoffelementkonzentrationen: Phosphor: < 0,5... 9, ,0 mg/kg Kalzium- + Magnesium: < 0, , ,4 mg/kg Dauerlaufbetrieb Taktbetrieb (Abkühlung während der Stillstandszeiten) jeweils 250 Bh 1 h 1 h

20 Bilder von Auslassventilen aus den Laboruntersuchungen Ausgewählte Kennwerte der beiden Rapsölkraftstoffe Phosphor: < 0,5 mg/kg 23,0 mg/kg Kalzium + Magnesium: < 0,5 mg/kg 20,4 mg/kg

21 Bilder von Kolben aus den Laboruntersuchungen Ausgewählte Kennwerte der beiden Rapsölkraftstoffe Phosphor: < 0,5 mg/kg 23,0 mg/kg Kalzium + Magnesium: < 0,5 mg/kg 20,4 mg/kg

22 Bilder von Einspritzdüsen aus den Laboruntersuchungen Ausgewählte Kennwerte der beiden Rapsölkraftstoffe Phosphor: < 0,5 mg/kg 23,0 mg/kg Kalzium + Magnesium: < 0,5 mg/kg 20,4 mg/kg Dauerlauf Taktbetrieb Dauerlauf Taktbetrieb 250 Bh 250 Bh 250 Bh 250 Bh

23 Einfluss der Kraftstoffqualität auf den Verlauf Beladung Partikelfilter Massenänderung Partikelfilter [g] P = 23,0 mg/kg Ca + Mg = 20,4 mg/kg P = 9,5 mg/kg Ca + Mg = 12,1 mg/kg P < 0,5 mg/kg Ca + Mg < 0,5 mg/kg Dauer Prüflauf [h]

24 Fazit (1) Qualitative Aussagen zum Effekt von Phosphor, Kalzium und Magnesium sind möglich, der genaue (funktionale) Zusammenhang zwischen Kraftstoffqualität und Ablagerungsbildung ist jedoch noch nicht für alle Bauteile bekannt. Wahre (absolute) Grenzwerte erfordern weitere Versuche. Sie sind außerdem sehr stark vom verwendeten Motor- und Abgasnachbehandlungskonzept sowie den Anforderungen an die Betriebssicherheit sowie den Wartungsintervallen abhängig. Für die Übertragung auf andere Motoren/BHKW ist eine Kalibrierung dieser allgemeingültigen Ergebnisse auf den jeweiligen Anwendungsfall erforderlich. Dennoch erscheint eine Weiterentwicklung der V DIN in Richtung sinnvoll reduzierter Grenzwerte für Phosphor, Kalzium und Magnesium notwendig. Kritische Bereiche für Funktionsstörungen sind: Partikelfilter (bei bekannter Kraftstoffqualität jedoch vorhersagbar) Einspritzdüse (bislang schwer prognostizierbar) Das Betriebsprofil (Verhältnis Starts/Bh) scheint in diesem Anwendungsfall nur einen untergeordneten Einfluss auf die Betriebssicherheit zu haben.

25 Fazit (2) Konsequenzen für... Betreiber BHKW-Hersteller Kraftstoffproduzenten und -lieferanten Forschung Bewusste Entscheidung für eine bestimmte Kraftstoffqualität, um damit direkten Einfluss auf die Wartungskosten (Partikelfilter, Einspritzdüse) zu nehmen. Partikelfiltersysteme mit großer Speicherkapazität entwickeln Bauteiloberflächentemperaturen im Brennraum absenken Anhaften von Ablagerungen im Brennraum verhindern Unabhängig von den Mindestanforderungen der Norm möglichst konstante hohe Kraftstoffqualität erzeugen und liefern! (wenig Phosphor, Kalzium und Magnesium) Variationen weiterer Kraftstoffparameter (Oxidationsstabilität, etc.) untersuchen Konstruktive Varianten (Temperaturen, Beschichtungen) untersuchen Einfluss des Betriebsprofils auf die Ablagerungsbildung? Additive?

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!