Flexible Verstromung mit Biogas-BHKW: Anforderungen, Eigenschaften und Auswirkungen

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1 Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Flexible Verstromung mit Biogas-BHKW: Anforderungen, Eigenschaften und Auswirkungen M. Sc. Simon Tappen Biogas Infotage 2017 Ulm,

2 Bewertung der flexiblen Fahrweise 2

3 Methodik Im Projekt gemessene Parameter Elektrischer Wirkungsgrad h el (DIN , ohne Kraftstoffkorrektur) Abgasemissionen: Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (THC) / Methanschlupf, Kohlenmonoxid (CO), (alle normiert) Vor-Ort-Messungen bei verschiedenen Betriebszuständen im Hinblick auf Flexibilisierung : Volllast, 80 % / 60 % Teillast sowie Start-Stopp-Betrieb Sieben Gas-Otto-Motoren, ein Zündstrahl-Motor, zwei Mikrogasturbinen Abgasbehandlung: Oxi-Kat, thermische Nachverbrennung Vier Messungen im halbjährigen Intervall 3

4 Nimmt unter Teillast ab Elektrischer Wirkungsgrad Verluste bei 80 % Teillast: 1,0 2,6 %-Punkte Verluste bei 60 % Teillast: 2,1 6,4 %-Punkte erhöhter Verbrauch und spezifische Treibhausgasemissionen Nebenaggregate: Anteil Leistung nimmt nach Größe ab und bei Teillast zu Praxis: erfolgreiche Optimierung h el durch Messung bei einem Motor (2,6 kw weniger Eigenverbrauch) 4

5 elektrischer Wirkungsgrad Elektrischer Wirkungsgrad 50 % 45 y = 6,4488ln(x) + 0, installierte elektrische Leistung - BHKW Volllast M1 Volllast M2 Volllast M3 Volllast M4 Log. (Volllast) kw 5

6 Konzentration im Abgas Emissionsmessung: Voll- / Teillast (530 kw Gas-Otto-Motor) 1400 mg1200 m ³ Lambda [ʎ]: Volllast = 1,37 Teillast 80 % = 1,42(0) Teillast 60 % = 1,42(3) Methanschlupf Annäherung in %: Volllast = 0,35 Teillast 80 % = 0,60 Teillast 60 % = 0, Bei Motoren mit sinkendem Lambda unter Teillast wurde eine Abschwächung der Tendenzen festgestellt CO 100 % Auswirkungen auf den elektrischen Wirkungsgrad Kompromissbereitschaft bei der Motoreinstellung: CO 80 % CO 60 % NOx 100 % NOx 80 % NOx 60 % THC 100 % Verbrauch gegen Emissionskonzentration THC 80 % THC 60 % 6

7 Effizienzerhaltung unter der Anforderung der TA Luft TA Luft 2002 wird durch die TA Luft 2017 abgelöst Medium Combustion Plant Directive (MCP-Directive Dez. 2015): NO x, SO 2 (SO x ) und Staub zusätzliche/strengere Grenzwerte (Formaldehyd, CO, THC,etc.) Neben der jährlichen Messung wird eine kontinuierliche Messung gefordert (NO x und CO) 7

8 Konzentration im Abgas elektrischer Wirkungsgrad Abgaswerte bei Voll- und 80 % Teillast und nach TA Luft 1000 CO-Grenzwert 50 mg 900 m ³ TA Luft 2017 = gestrichelte Linie CO NOx % THC ƞ el NOx-Grenzwert % 80 % 100 % 80 % 100 % 80 % Quelle: kw Gas-Otto-Motor (BR) mit Oxi-Kat 549 kw Gas-Otto-Motor mit therm. Nachverbrennung NOx-Grenzwert CO-Grenzwert 65 kw Mikrogasturbine ohne Abgasnachbehandlung

9 THC-Konzentration SCR-Katalysator als Lösung für das NOx-Problem? 3500 mg 3000 m ³ 2500 TA Luft 2017: NO x -Grenzwert Lambda kleiner 1,46 Lambda größer 1, Ergebnisse nur unter Volllast TA Luft 2017: THC-Grenzwert Reduzierung von NOx zum Erhalt einer optimierten Fahrweise mg 4500 m ³ 5000 NOx-Konzentration 9

10 Fazit: Motoreneinstellung und Abgasbehandlung Kategorie A: ʎ 1,3 1,4; geringe Verdichtung geringere Motorbelastung, aber hohe NO x -Emissionen SCR-Katalysator notwendig, um TA Luft (neu) einzuhalten Kategorie B: ʎ > 1,5; hohe Verdichtung höhere Motorbelastung, geringere NO x -Emissionen bei erhöhtem Methanschlupf Oxi-Kat ausreichend Einsatz der thermischen Nachverbrennung nur bei kontinuierlichen Fahrweisen sinnvoll Mikrogasturbinen äußerst emissionsarm, aber noch zu ineffizient 10

11 Vorstellung des Intervallbetriebs der BGA in Grub Fermenterbiologie: 5,53% FOS/TAC, ph Wert, TS, etc., NIRS Grundlast-BHKW: 75 Rindergülle Frischmasseanteil (%) kw el. Spitzenlast-BHKW: 203 Rinderfestmist kw el. 0,75% 1,02% 0,41% 13,46% 78,82% Maissilage Grassilage Hafer Maiskornsilage Gasspeicher (Puffer) + Gärrestlager 3,12% 10,91% 23,69% Energieäquivalent (%) Messung BHKW-Eigenschaften, 3,95% Planung Intervallbetrieb Einsatz von Zuckerrübenmus 21,46% 36,87% Rindergülle Rinderfestmist Maissilage Grassilage Hafer Maiskornsilage 11

12 04:15 08:30 12:45 17:00 21:15 01:30 05:45 10:00 14:15 18:30 22:45 03:00 07:15 11:30 15:45 00:15 04:30 08:45 13:00 17:15 21:30 01:45 06:00 10:15 14:30 18:45 23:00 03:15 07:30 11:45 20:15 00:30 04:45 09:00 13:15 17:30 21:45 Stromproduktion BGA / Restverbrauch Grub (aggregiert) Wochenbetrieb: Inbetriebnahme Kalenderwoche kw 350 Spitzenlast-BHKW Residualverbrauch Grundlast-BHkW Überproduktion Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag 12

13 04:15 08:30 12:45 17:00 21:15 01:30 05:45 10:00 14:15 18:30 22:45 03:00 07:15 11:30 15:45 00:15 04:30 08:45 13:00 17:15 21:30 01:45 06:00 10:15 14:30 18:45 23:00 03:15 07:30 11:45 20:15 00:30 04:45 09:00 13:15 17:30 21:45 Stromproduktion BGA / Restverbrauch Grub (aggregiert) Wochenbetrieb: Veränderte Fahrweise Kalenderwoche Spitzenlast-BHKW Residualverbrauch Grundlast-BHkW kw Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag 13

14 Ausblick: Problematik und Anpassung Fehlerquellen Messtechnik, technische Probleme lösen Ziel: Stromkompensation von mind. 70 % des Strombedarfs (Optimierung wöchentlicher Fahrweise) entspricht ca. 1,2 Mio kwh/a bei 20,4 ct/kwh Substitut Euro/Jahr (Einsparung) Ausbau der BGA Grub und Fertigstellung letzter Posten 2017: Größerer Beschicker + ferngesteuerte Zuckerrübenpumpe Folgeprojekte: Ausbau des Wärmenetzes, BHKW- Untersuchungen, Zubau: ORC-Anlage 14

15 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 15

16 Anhang 16

17 Konzentration im Abgas elektrischer Wirkungsgrad NOx-Optimierung und hoher Methanschlupf 5000 mg4500 m ³ 43,2 CO NOx THC ƞ el % ,3 38, ,9 36, Methanschlupf 1,2 %* Methanschlupf 2,6 %* Methanschlupf 0,30 %* Methanschlupf 0,29 %* Methanschlupf 0,35 %* M1-100 % M2-100 % M1-100 % M2-100 % M3-100 % 250 kw Gas-Otto- Motor (BR) 360 kw Gas-Otto- Motor 250 kw Gas-Otto-Motor *Annäherung

18 SCR-Katalysator als Lösung für das NOx-Problem? 18

19 Verbrauch Anlage (Solarstrom berücks.) Planung Lastenmodell: Mitte 2015 Mitte kw Wiederholungen Wochentage aus Zeitraum Aug Juli Hochbetrieb Im Winter 203 kw el. BHKW Ostermontag Minimum Mittelwert Maximum 0 75 kw el. BHKW 2015: alle Wochentage Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag 19