Anwendung des Tandem-Mischers am konkreten Beispiel Optimierung der Gasverwertung durch zusätzlich gasmotorische Schwachgasverwertung auf der Deponie Dreieich Buchschlag Dipl.-Ing. Jürgen Machnow 1. Einleitung Im Auftrag des Umweltamtes der Stadt Frankfurt am Main ist die Rytec GmbH für den Betrieb der Deponieentgasung und gasverwertung der Deponie Dreieich-Buchschlag verantwortlich. Diese Deponie belegt eine Fläche von ca. 40 ha, in die von 1969 bis 1991 etwa 15 Millionen Kubikmeter Abfall, bestehend aus Hausmüll, hausmüllähnlichen Gewerbeabfall, Bauschutt und Baustellenabfällen abgelagert wurden. Gemäß Bescheid des RP Darmstadt vom Februar 1999 befindet sich die Deponie in der Stilllegungsphase. 2. Ausgangssituation Die Deponie verfügt über ein klassisches Zweileiter-Gaserfassungssystem für Gut- und Schwachgas. Aus dem Gutgasstrang werden die Gasmotoren mit Brenngas versorgt. Die mittleren Methangehalte liegen hier im Bereich zwischen 48 und 50 %. Die im Jahr 2012 erfasste Gutgasmenge betrug durchschnittlich 250 Nm 3 /h. Über den Schwachgasstrang werden Gasbrunnen besaugt, die aufgrund der niedrigen Methangehalte im Bereich von 30 bis 40 % über eine Fackelanlage behandelt werden müssen. Die erfasste Schlechtgasmenge betrug 2012 durchschnittlich 85 Nm 3 /h. Das Schwachgas, charakterisiert durch Methankonzentrationen < 40 Vol%, wird am Standort der Deponie Dreieich-Buchschlag über ein Gebläse angesaugt und mittels einer Hochtemperaturfackel verbrannt. Diese Schwachgasverbrennung soll Gasemissionen über die Deponieoberfläche unterbinden, kann aber nur während Wetterbedingungen erfolgen, bei denen der Berg-Innendruck größer oder gleich dem Umgebungsluftdruck ist. Bei umgekehrten Druckverhältnissen sinkt der Methangehalt unter die für den Fackelbetrieb benötige Methankonzentration von 30 Vol% ab. Da die Fackelanlage baugrößenbedingt einen Mindestvolumenstrom von ca. 700 m 3 /h benötigt, ist der Fackelbetrieb durch regelmäßige Unterbrechungen 1
gekennzeichnet. Diese dauern so lange an, bis die Bedingungen für einen Neustart der Fackelanlage wieder gegeben sind. Seit der Umstellung des Gasbetriebes auf Vollverstromung im Jahr 2002 bestand der Wunsch das bisher abgefackelte Schwachgas sinnvoll zu nutzen, statt es ohne ökonomischen und ökologischen Nutzen verbrennen zu müssen. Im Vorfeld der Entscheidung zur Nachrüstung eines Tandemmischers wurden von uns folgende alternative Nutzungsmöglichkeiten untersucht: Einsatz eines Flox-Brenners mit Wärmeauskopplung Einsatz eines Zündstrahlmotors zur Strom und Wärmeerzeugung Einsatz eines Tandem-Mischers für einen bestehenden Gasmotor Mit der Technik des Tandem-Mischers ist es nun möglich, solche niederkalorischen Schwachgase mit Standard-Gasmotoren ohne weitere wesentliche Umbauten zu verstromen. 3. Wie funktioniert der Tandem-Mischer Die Fa. GreenGas Germany GmbH, mit Sitz in Meerbusch hat eine eigene Technik entwickelt und patentieren lassen. Mit dieser ist es möglich, Gase mit Methangehalten unter 40 Vol% in Ottomotoren zu verwerten. Der dazu entwickelte Tandem-Mischer besteht aus zwei nacheinander angeordneten, mit mechanisch festem Verbund gemeinsam geregelten Gasmischern. Durch diese Aneinanderreihung gelingt es, die Methandichte bei konstanter Verbrennungsluftmenge zu erhöhen. Dabei erfolgt kein Eingriff in die Motorensteuerung. Durch dieses System lässt sich Schwachgas gasmotorisch nutzen, welches bisher in Fackelanlagen verbrannt wird. 2
Schema: Prinzipdarstellung Tandem-Mischer (GreenGas Germany GmbH Meerbusch) Abbildungen: MWM-TBG620V16K mit MWM-TBG6161V12K mit TM2012A- TM2012B-620 616 (GreenGas Germany GmbH Meerbusch) 3
4 Konzept für den Standort der Deponie Dreieich-Buchschlag Zur Verwertung des Schwachgases kommt zukünftig der Gasmotor 5 (MWM TBG 616 V12) mit einer elektrischen Leistung von 375 kw zum Einsatz. Die Anbindung erfolgt über eine Rohrleitung DN 100, die über Absperr- bzw. Regelarmaturen sowohl mit der Schwachgasleitung (Druckseite Verdichter zur Fackel) als auch regelbar an die vorhandene Gutgasleitung angeschlossen ist. Die Anbindung an die Gutgasleitung gewährleistet durch die Anhebung der Methankonzentration bessere Startbedingungen. Eine Anpassung der originalen Gasregelstrecke von DN 65 auf DN 100 war im Hinblick auf höhere Gasvolumenströme erforderlich. Die Behörde hat den Betrieb des vorhandenen Gasmotors mit dem Tandemmischer gemäß unserer Änderungsanzeige nach 15, Abs. 1 BImSchG ohne weitere Auflagen gestattet. 5. Resultierende positive Effekte für die Deponie Dreieich-Buchschlag Durch den Verbleib der Fackelanlage ist die Schwachgasverwertung im Fall von Wartungen und Reparaturen sichergestellt. Nach längeren Pausierungen der Gasverwertung kommt es zur Entmischung der Gaskomponenten. Das Schwachgas kann dann immer noch über die Fackelanlage abgeleitet und verbrannt werden, bis stabile Startverhältnisse für den Motor gewährleistet sind. Außerdem ist es möglich mit geringeren Schwachgasvolumenströmen (ca. 150 m 3 /h anstelle von 700 m 3 /h) die Deponie schonender zu besaugen. Damit kann ein unterbrechungsarmer Betrieb des Gasmotors ermöglicht werden, solange der Bergdruck, wie oben beschrieben, größer oder gleich dem Umgebungsluftdruck ist. Durch den Einsatz des Tandemmischers können wir langfristig das bisher abgefackelte Deponiegas energetisch nutzen. Die Investitionen, die im Wesentlichen aus der Rohrleitungsanbindung, einer neuen Gasregelstrecke sowie der Anpassung der Steuerungen besteht, wird sich in weniger als 1,5 Jahren amortisieren. 6. Projektdaten zur Historie der Deponie Dreieich-Buchschlag Planung der Deponiegaserfassung und der Deponiegasverwertung (1989-1992) Betrieb der Anlagen (seit 1992): - Gaserfassung aus 110 Gaserfassungsstellen - Rückbefeuchtung der Deponie - Deponiegasverwertung Gasaufbereitung (seit 1992) 4
- Gastransport in das Heizkraftwerk Niederrad (1992-2002) - Deponiegasverstromung (seit 2002) Stromerzeugung: ca. 6.000 MWh/a - Simultan-Abfackelung (seit 2005) - Ab- und Einschaltkaskade (seit 2007) - Gasmotorenbetrieb mittels Tandem-Mischer (2013) - FID-Emissionsmessungen, Überwachung der Gaspegel 7. Ergebnisse des Deponiebetriebes aus dem Jahr 2012 (noch ohne Schwachgasverwertung mit Tandemmischer) abgesaugte Menge Verwertung: 2.800.000 Nm 3 davon zur Fackel: 700.000 Nm 3 Gasmotoren: 2.100.000 Nm 3 Stromeinspeisung: 2.900.000 kwh Bergdruckregelung Gasqualität für die Gasmotoren: > 40% CH 4 Gasqualität für die Fackel: 30-40% CH 4 Die Gasmotoren starten ab einem CH 4 -Gehalt von 40% und steigendem Bergdruck. Die Betriebszeit der Fackel beträgt ca. 15% der Jahresstunden. Der Gasrückgang pro Jahr lag in den letzten Jahren zwischen 2-10%. 5