Emissionsverhalten der BHKW beim Flex-Betrieb 5. Biogas Fachtagung Thüringen 7.11.218 Dipl.-Ing. (FH) Volker Aschmann 2 Inhaltsübersicht Vorstellung 3 6 Einführung 7 12 Start-Stopp-Verhalten 13 15 Teillastverhalten 16 2 Abgasnachbehandlung 21 3 1
3 IN SIEBEN JAHREN ZUM MARKTFÜHRER IN DER ABGASNACHBEHANDLUNG 4 Produktion - Wicklung der Metallträger - Beschichtung des Katalysators - Anschweißen von Komponenten wie Flanschen und Konen - Fertigung jeden Katalysators zu 1 % im eigenen Haus - Arbeit nach zertifiziertem Managementsystem - Einstellung auf individuelle Anforderungen, da wir keine Vorlieferanten haben - Herstellung Ihres Katalysators, damit er am besten zum Einsatz kommt - Erfolgreiche Umsetzung zeitkritischer Projekte aufgrund einzigartiger Fertigungstiefe 2
5 Produktion Variabler Katalysatordurchmesser Emission Partner fertigt Katalysatoren mit größter Flexibilität Durchmesser variabel von 5 mm bis 1 mm Matrixtiefe variabel von 9 mm bis 18 mm 5 mm 1 mm 9 mm 12 mm 15 mm 18 mm 6 - Drei-Wege-Katalysatoren: Einsatz bei Motoren mit einem Lambda-Wert von 1. Es werden Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe oxidiert und dabei Stickoxide reduziert. Beste Katalysatortechnologie Produktpalette - Oxidationskatalysatoren: Einsatz bei mager betriebenen Motoren und hinter Gasturbinen. Sie dienen nur der Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen. (Formaldehyd) - SCR Katalysatoren: Einsatz bei mager betriebenen Motoren (Gas/Diesel) und Gasturbinen. Eindüsung von Harnstoff als Reduktionsmittel. Reduzierung von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Die Endprodukte sind Wasser, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff. 3
7 Einführung 8 Brenngaseigenschaften: Hauptbestandteile: CH4 (Energieträger)+ CO2 (Löschmittel) Nebenbestandteile: H2S, H2O, O2, H2, NH3 14 Methanzahl 12 1 8 6 4 2 Wasserstoff Methan Propan Butan Biogas verändert nach JENBACHER 22 4
9 Brenngaseigenschaften: Laminare Flammgeschwindigkeit laminare Flammengeschwindigkeit [cm*s -1 ] 4 3 2 1 CH 4 65%CH 4 + 35%CO 2 4%CH 4 + 6%CO 2 Limit 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Lambda verändert nach Elsenbruch 216 1 Brenngaseigenschaften: Einfluss des Luftüberschusses auf die Abgasemissionen NO x, CO, C n H m Konzentration im Abgas hoch gering 1, stöchiometrisch Lambda-Wert ansteigend NO x CO C n H m Magerbetrieb verändert nach JENBACHER 22 5
11 Motoreinstellung 2 175 NO x CO C n H m el. Wirkungsgrad 45, 42,5 NO x, CO und C n H m [mg*m -3 ] 15 125 1 75 5 98 38,8 834 1185 NO x -Grenzwert 488 37,6 82 1375 4, 37,5 35, 32,5 3, el. Wirkungsgrad [%] 25 27,5 leistungsoptimiert NO x optimiert Quelle: Aschmann/LfL 526 kw el. 12 Flexibilisierung: Auswirkung einer Überbauung auf den Anlagenbetrieb Quelle: Kissel/LfL 6
13 Start-Stopp-Verhalten 14 Abgaskonzentration 35 mg 3 m 3 25 2 15 1 5 Start-Stopp-Verhalten Abgasemissionen beim Stoppvorgang CO [5 % O2] NOx [5 % O2] THC [ohne 5 % O2] kw 35 kw 3 25 2 15 1 5 elektrische Leistung Quelle: Tappen/LfL Uhrzeit 7
15 Oxidationskatalysator (Oxi-Kat) Durchbrand durch unsachgemäße Handhabung Katalysator durchgebrannt aufgrund erhöhtem Methanschlupf Foto: Tappen/LfL 16 Teillastverhalten 8
17 Teillastverhalten Probleme des Teillastbetriebes: Ein geringerer Energiegehalt im Brennraum führt zu: niedrigeren Verbrennungstemperaturen und damit zu niedrigeren NO x -Konzentrationen (positiv) höheren CO-Konzentrationen geringerer Kolbenausdehnung => damit zu höherem Methanschlupf (klimawirksam) => und zu vermindertem elektrischen Wirkungsgraden 18 Teillastverhalten Auswirkungen auf Abgasemissionen und Wirkungsgrad El. Leistung BHKW 23 kw [kw] 18 16 14 12 1 8 6 4 2 6 % Last 7 % Last 8 % Last Elektrische Leistung Elektrischer Wirkungsgrad 7 % Last : 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: 2: 21: 22: 23: 36 35 34 33 32 31 3 29 28 27 El. Wirkungsgrad BHKW 23 kw [%] 28. September 217 Quelle: Tappen/LfL 9
19 Teillastverhalten Verlust des elektrischen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb 75 kw GO 23 kw GO 25 kw GO 36 kw GO 265 kw ZS elektrischer Wirkungsgrad 43, 38, 33, 28, 42,1 41,3 4,4 39,9 38,3 37,2 33,7 31,3 29,1 27, 37,3 37,1 35,6 27,4 24,7 23, 1% 8% 6% Leistung Quelle: Aschmann/LfL 2 Teillastverhalten Kosten durch Substratmehrbedarf 18, Annahme: 5 m 3 CH 4 /ha; 18 /ha Mais => 36 ct/m 3 CH 4 ct/kwh 75 kw GO 23 kw GO 25 kw GO 36 kw GO 265 kw ZS Substratkosten 16, 14, 12, 1, 8, 12,4 +,97 +,82 +2,23 +2,46 1,71 +,71 9,44 +,28 +,47 +1,15 8,74 +,92 +,2 8,58 Quelle: 1% 8% 6% Aschmann/LfL Leistung 1
21 Abgasnachbehandlung 22 MCP Richtlinie in Deutschland (44. BImSchV), Verabschiedung im Bundestag, 3.8.218 Gasförmige Brennstoffe CO (g/nm³) NO x (g/nm³) HCHO (mg/nm³) HC, tot. C (g/nm³) NH 3 1) (mg/nm³) SO x (g/nm³) Staub (mg/nm³) Erdgas,25,25,1 3 2 1,3 3,9 - Biogas,5,5,1 2) 3 2 1,3 3) 3,9 5 Klärgas,5,5,5 3 2 1,3 3,9 5 Deponiegas,65,5,5 6 4 (12/24) - 3,31 5 Gültig ab 4) 12/18 12/18 1/25 12/18 1/2 1/25 12/18 12/18 12/18 - Anwendbar für Motorkraftwerke zwischen 1 und 5 MW - Abgasgrenzwerte für Altanlagen gültig ab 1/229 - Bezugssauerstoff 5 %, trockenes Abgas - Bestandsanlage: bis Inbetriebnahme vor dem 2.12.218 1) Nur gültig mit SCR-Katalysator 2) Biogas: Neuanlagen ab 1/223, bis dahin,5 g NO x /Nm³ 3) Biogas: Neuanlagen ab 1/223 4) Abgasgrenzwerte gültig für Neuanlagen Interpretationsstand: Emission Partner, Oktober.218 11
23 Abgasnachbehandlung Oxidationskatalysator (Oxi-Kat) 24 NO x, CO, C n H m, CH 2 O [mg*m -3 ] 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Oxidationskatalysator (Oxi-Kat) Veränderung der Abgasemissionen 454 142 1688 vor Oxi-Kat 92 NO x CO C n H m HCHO 485 76 1621 nach Oxi-Kat CnHm-Grenzwert neu CO-Grenzwert alt NO x -Grenzwert CO-Grenzwert neu HCHO-Grenzwert 7 Quelle: Aschmann/LfL 526 kw el. 12
25 Alterungsdaten aus dem Feld an 8 gleichen Motoren Einfluss der Formaldehydrohemission Durchschnittliche Konvertierung: 85,6 % nach 3. Bh TCG 216 V12 3 h Alterung EP-AL 837 S.V. 98.8 h -1 Erwartete Konvertierung per Applikationsrechner: 79,5 % 26 Thermische Nachverbrennung Prinzip: Vorteil: Nachteil: thermische Oxidation von CO, HC -> CO 2 + H 2 O - Verringerung von CO, C n H m und Formaldehyd - technisch aufwändig und kostenintensiv - weiterer Brennstoff nötig (ca. 2 % des produzierten Biogases) - keine Verringerung von NO x 13
27 Thermische Nachverbrennung Foto: Tappen/LfL 28 Thermische Nachverbrennung Veränderung der Abgasemissionen 1 NOx CO CnHm CO-Grenzwert alt NO x, CO und C n H m [mg m -3 ] 8 6 4 2 59 763 515 65 NO x -Grenzwert CO-Grenzwert neu 81 vor CLAIR nach CLAIR 5 Quelle: Aschmann/LfL 14
29 Selective Catalytic Reduction (SCR-Kat) SCR-Systeme 3 Schalldämpfer-SCR-Einheit Dosiersystem 15
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