Beschreibung

Der vorliegende Abschlussbericht beschreibt die Ergebnisse eines über insgesamt 3 Jahre angelegten Monitoringprojektes zur Untersuchung von kleinen, dezentralen Stirlingmotor-Blockheizkraftwerken im Einsatz an Klär- und Biogasanlagen. Im Laufe des Projektes erfolgte die thematische Erweiterung auf Mikrogasturbinen, und es sind zusätzlich Ergebnisse einer entsprechenden Anlage enthalten.

Das Projekt wurde in Zusammenarbeit der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim, des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung (ZSW) in Stuttgart und des Reutlingen Research Institutes an der Hochschule Reutlingen durchgeführt. Die Universität Hohenheim brachte ihr Know-how im Bereich der Biogaserzeugung und –verwendung ein; zudem betreute die Universität Hohenheim die Mikrogasturbine. Am ZSW wurde das Gesamtsystem betrachtet und bewertet bis hin zur Erstellung von Wirtschaftlichkeitsanalysen. Die Hochschule Reutlingen übernahm die Betreuung der Anlagen mit Stirlingmotor-BHKW und brachte die Kenntnisse von Prüfstandsuntersuchungen an unterschiedlichen BHKW ein. Die Projektleitung war an der Hochschule Reutlingen angesiedelt.

Der Bericht beginnt mit einer Darstellung der Zielsetzung und des technischen Standes, auf dem aufgesetzt wurde. Darin wird sowohl auf existierende Stirlingmotor-BHKW wie auch auf die verwendete Mikrogasturbine Bezug genommen. Im darauf folgenden Abschnitt sind die einzelnen Anlagen vorgestellt, an denen Messungen vorgenommen wurden und die für Messungen vorgesehen waren. Dazu sei auch an dieser Stelle erläutert, dass die Anschaffung, die Aufstellung und Installation sowie der Betrieb der BHKW nicht im Arbeits- und Finanzierungsumfangs des Projektes enthalten waren. Deshalb waren die Projektteilnehmer darauf angewiesen, die Messungen an bestehenden und laufenden Anlagen durchzuführen. Zudem stand mit dem Stirlingmotor-BHKW der Firma SOLO Stirling nur ein kommerziell erhältliches Gerät zur Verfügung, was die Auswahlmöglichkeiten im Rahmen des Projektes weiter eingeschränkt hat. Aus diesem Grund wurde das Projekt gegen Laufzeitende, wie eingangs angedeutet, auf die Untersuchung der Mikrogasturbine ausgeweitet. Im Einzelnen sind die Betriebsergebnisse des Stirlingmotor-BHKW an der Kläranlage Rosenfeld, an der Biogasanlage "Erlacher Höhe" in Großerlach und am Institut für ZukunftsEnergieSysteme (IZES) in Saarbrücken unter Verwendung von Grubengas diskutiert. Zudem sind die Betriebsergebnisse zweier Mikrogasturbinen an einer Biogasanlage in Kupferzell enthalten.

Zusammenfassend hat sich mit Blick auf die Anlagen mit Stirlingmotor-BHKW gezeigt, dass der nominelle, vom Hersteller angegebene elektrische Wirkungsgrad beim Betrieb mit Biogas und Faulgas nicht erreicht wird. An der Kläranlage Rosenfeld, an der mit einer Dauer von 2 Jahren am längsten gemessen werden konnte, stellte sich am Ende ein elektrischer Wirkungsgrad von im Mittel 17% ein; die Herstellerangabe liegt bei 22-24%, abhängig von der Vor- und Rücklauftemperatur. Ursache für den geringeren Wirkungsgrad an der Kläranlage war zum einen die Tatsache, dass das BHKW aufgrund der zu geringen Klärgasmenge nur in der Teillast betrieben werden konnte. Zum anderen haben der Verschleiß der inneren Dichtungen sowie die Verschmutzung von Erhitzer, Luftvorwärmer und Abgaswärmetauscher zu einem stetigen Absinkenden des Wirkungsgrades geführt. An der Anlage in Großerlach hat sich außerdem die niedrige zulässige Vorlauftemperatur für das verwendete BHKW von 65°C als nachteilig herausgestellt, da der Betrieb in einem bivalent mit Holzkessel betriebenen Nahwärmenetz auf diese Weise nicht möglich war. Positiv aufgefallen sind dagegen die niedrigen Schadgasemissionen des Stirlingmotor-BHKW an den verschiedenen Anlagen. Diese konnten durch eine Messung der LUBW, die an der Kläranlage Rosenfeld im Rahmen des Projektes vorgenommen wurde, bestätigt werden. Dabei wurden mit 25 mg/Nm³ CO und 54 mg/Nm³ NOx (jeweils bezogen auf 5% Rest-O₂ im Abgas) nicht nur äußerst niedrige Werte für Klärgas-BHKW bestimmt, sondern es konnten zudem keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe und keine Aldehyde, insbesondere kein Formaldehyd, im Abgas des Stirlingmotors nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis hat die prinzipielle Eignung und Vorteilhaftigkeit von Stirlingmotor-BHKW im Betrieb an Klär- und Biogasanlagen hinsichtlich der Schadgasemissionen bestätigt. Ebenso konnte im Betrieb mit Grubengas am IZES das Potenzial zur Verwendung von Gasen mit extrem niedrigem Methangehalt nachgewiesen werden, in dem das BHKW mit Grubengas mit einem Methangehalt zwischen 32 und 36% sicher und stabil betrieben werden konnte. Das Monitoring der Mikrogasturbine an der Biogasanlage in Kupferzell hat ebenfalls gezeigt, dass die prognostizierten Werte für den elektrischen Wirkungsgrad nicht erreicht werden können. Beim Betrieb mit Biogas wurde bei Volllastbetrieb ein elektrischer Wirkungsgrad von 25,8% erzielt. Dieser Wert liegt unterhalb der Herstellerangaben von 28,5% und ist möglicherweise mit der nicht optimierten Anlageneinstellung im Versuchsbetrieb zu erklären. In diesem Wert ist der Energiebedarf für die Verdichtung und Konditionierung des Biogases nicht eingerechnet. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Aufbereitung des Biogases sinkt der elektrische Wirkungsgrad des gesamten BHKW-Systems ab. Im Teillastbereich waren sogar noch weiter gesenkte Wirkungsgrade zu beobachten, was auf die schlechte Regelbarkeit der Verdichter zurückzuführen war. Allerdings wurde die Peripherie für zwei Mikrogasturbinen mit insgesamt 130 kW elektrische Leistung ausgelegt. Der Verdichter war bei der Wirkungsgradmessung, die an nur einer Turbine durchgeführt wurde, stark überdimensioniert. Die Fa. Greenvironment GmbH hat in der neuesten Entwicklungsstufe der BHKW den Eigenstromanteil mit Hilfe eines direkt gekoppelten frequenzgesteuerten Schraubenverdichters nach eigenen Angaben unter 9% gedrückt.

Positiv bei der Anlage ist zu verzeichnen, dass die gemessenen Schadgaskonzentrationen im Abgas sehr niedrig sind. Darüber hinaus lag die komplette Abwärme im Abgas und hatte je nach Laststufe eine Temperatur im Bereich von 238 bis zu 293°C. Im Besonderen lag die NOx –Konzentration im Abgas in allen Leistungsstufen bei einem niedrigen Wert unter 6 mg/Nm³ (bezogen auf 15 Rest-O₂ im Abgas). Die CO-Konzentration verringerte sich mit der Erhöhung des produzierten elektrischen Stroms und erreichte beim Volllastbetrieb einen sehr niedrigen Wert von 21 mg/Nm³ (bezogen auf 15 Rest-O₂ im Abgas). Aus den oben ernannten Gründen ist es zu empfehlen, die Mikrogasturbine im Volllastbetrieb zu betreiben.

Da die Abgasqualität aufgrund der hohen Lambdawerte deutlich besser als bei Kolben-Verbrennungsmotoren ist, kann das Abgas noch gut für weitere Zwecke verwendet werden. An der Anlage in Kupferzell wird das Abgas nach Zumischung von Luft und damit Reduzierung der Temperatur zur Trocknung von Gärrest aus der Biogasanlage genutzt. Hierbei wird ein relativ hoher thermischer Wirkungsgrad erreicht, da kein Wärmetausch über ein Kühlsystem erfolgen muss. Die Mikrogasturbine selbst erwies sich als relativ störungsunempfindlich und wartungsarm. Lediglich im Bereich der BHKW-Peripherie traten Störungen auf, insbesondere weil die Anlage am Betrieb Karle auch von Greenviroment als Testanlage für unterschiedliche Verdichterauslegungen verwendet wurde. Somit konnte dieses verschiedentlich vorgeschlagene Konzept im Rahmen des Projektes praktisch begleitet werden. Da die Größe der hier untersuchten Mikrogasturbine mit 65 kW elektrischer Leistung für heutige Praxisbiogasanlagen in der Regel zu klein ist, könnten die Einsatzmöglichkeiten und auch die Betriebsbedingungen bei größeren Systemen (z.B. mit 200 kW) verbessert werden, insbesondere da bei den größeren Systemen mit einem höheren Wirkungsgrad (nach Herstellerangaben werden bis zu 34% erreicht) gerechnet werden kann.

Aufgrund der im Vergleich zum Verbrennungsmotor-BHKW sehr hohen thermischen Wirkungsgrade der Mikrogasturbine ist ein Einsatz an Betrieben mit hohem Wärmebedarf und vor allem mit Wärmebedarf für Trocknungszwecke zu empfehlen.

Im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsanalyse und Potenzialabschätzung wird im Bericht aufgezeigt, welcher Größenbereich und welche Anzahl Klär- und Biogasanlagen für den Betrieb von kleinen Stirlingmotor-BHKW und Mikrogasturbinen in Frage kommen. Mit Blick auf das eingesetzte Stirlingmotor-BHKW der Firma SOLO Stirling bietet sich ein Einsatz an Kläranlagen in den Größenklassen 2 und 3 (1.000 bis 10.000 Einwohnerwerte) an. Unter der Voraussetzung, dass der vom Hersteller angegebene elektrische Wirkungsgrad von 22% an den Anlagen erreicht wird, sich eine jährliche Betriebszeit von über 7.000 Stunden einstellen lässt und die bereitgestellte Wärme vollständig genutzt werden kann, ist dieser Betrieb wirtschaftlich und vorteilhaft im Vergleich zum Einsatz von Gas-Ottomotor-BHKW. Für Biogasanlagen ist die Leistung des Stirlingmotor-BHKW dagegen zu klein. Es besteht aber die Möglichkeit, das BHKW zur Beheizung des Fermenters einzusetzen. Hier läge zum einen keine Beschränkung hinsichtlich der einzustellenden Vorlauftemperatur vor, und die thermische Leistung des BHKW würde zum anderen ausreichen, um den Fermenter einer Biogasanlage mit ca. 100 - 150 kWel zu beheizen. Der Vorteil dieser Variante wäre dadurch gegeben, dass das Haupt-BHKW räumlich von der Biogasanlage getrennt aufgestellt werden könnte, was die Möglichkeiten zur Wärmenutzung wesentlich verbessert. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung sieht diesen Einsatz des Stirlingmotor-BHKW aufgrund der zusätzlichen Stromerzeugung vorteilhaft gegenüber der Fermenterbeheizung mit Hilfe eines Biogasbrenners.

Der Einsatz von Mikrogasturbinen an Kläranlagen ist unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit ebenfalls prinzipiell gegeben. Wichtig ist dabei jedoch ein schlüssiges Wärmenutzungskonzept, dass sich beispielsweise auf die Klärschlammtrocknung beziehen kann. Sinnvolle Anlagengrößen wären Kläranlagen mit 10.000 bis 100.000 Einwohnerwerten. In ähnlicher Weise gestaltet sich das Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsrechnung mit Blick auf den Einsatz an Biogasanlagen in der Größenordnung von 100 - 150 kWel. Hier ist die Wärmenutzung ebenfalls grundlegende Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb. Die Gärresttrocknung mit Hilfe der heißen Abgase der Mikroturbine, wie an der Anlage in Kupferzell praktiziert, stellt dabei eine gute Möglichkeit dar, die im Vergleich zum Zündstrahlmotor trotz des geringeren elektrischen Wirkungsgrades der Mikroturbine vorteilhaft ist. Dabei wirkt sich insbesondere der geringere Wartungsaufwand beim Betrieb einer Mikrogasturbine positiv aus.

Der Einsatz von Stirlingmotor-BHKW und Mikrogasturbinen an Deponien, der im Rahmen der Wirtschaftlichkeits- und Potenzialabschätzung ebenfalls untersucht wurde, ergibt hingegen keinen Vorteil. Ursächlich verantwortlich dafür sind die vergleichsweise geringen elektrischen Wirkungsgrade von Stirling-BHKW und Mikrogasturbine sowie die zurückgehenden Gaserträge auf den Deponien, die keine ausreichende Auslastung der BHKW ermöglicht und damit aufgrund der geringeren Investitionskosten eher für den Einsatz Motor-BHKW sprechen, die ein besseres Verhältnis von Stromertrag zu Investitionskosten aufweisen.