BHKW Komponenten
| BHKW-Aufbau: | Antriebskonzepte - Erdgasaggregat im Magerbetrieb - Erdgasaggregat mit 3-Wege Katalysator - Erdgasaggregat im Lamda 1 Betrieb mit - Biogasaggregat im Magerbetrieb
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BHKW Komponenten
- Drehzahl- und Leistungsregelung - Zündung |
Brenngase - Holzgas - Biogase - Erdgas |
Was ist ein BlockHeizKraftWerk (BHKW): zum Anfang
Ein BHKW ist eine Anlage, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt.
Sie wird dadurch charakterisiert, daß als verbrauchernahe Zentraleinheit, eine oder mehrere Verbrennungsmotoren einen jeweils zugeordneten Generator zur Stromerzeugung antreiben.
Die benötigte Energie wird direkt beim Endverbraucher erzeugt. Die Verteilungsverluste des öffentlichen Netzes entfallen.
Bei der Auswahl des Verbrennungsmotors wird besonderer Wert auf eine hohe Lebensdauer gelegt.
Es kann von einer Nutzungsdauer von ca. 15 Jahren ausgegangen werden.
Die anfallende Wärme aus dem Kühlwasser und dem Abgas wird nicht wie im Großkraftwerk ungenutzt in die Umwelt abgegeben. Vielmehr wird sie mittels entsprechender Wärmetauscher zur Erzeugung von Heizwärme genutzt.
Je nach Motortyp sind BHKW Anlagen für verschiedene Brennstoffe geeignet. Meist kommen Ottomotoren zum Einsatz, die jedoch nicht mit Benzin, sondern mit Gasen wie Erdgas, Deponiegas, Klär-/Biogas, Flüssiggas oder Holzgas betrieben werden. Daneben werden auch Dieselmotoren für den Betrieb mit Heizöl oder Pflanzenöl eingesetzt.
Insbesondere durch den BHKW Betrieb mit erneuerbaren Energien wie Biogas und Pflanzenöl kann in wesentlichem Umfang der Ausstoß des klimaschädlichen CO2 vermieden werden.
Kraft-Wärme-Kälte-Verbund zum Anfang
Die jährliche Betriebsdauer von BHKW Anlagen ist meist durch den fehlenden Wärmebedarf in den Sommermonaten begrenzt. Eine Alternative bietet sich durch die Verwendung der BHKW-Abwärme zur Erzeugung von Kälte an.
Dies kann durch den Einsatz einer Absorptionskälteanlage geschehen. Im Gegensatz zur Kompressionskälteanlage wird der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf hierbei nicht mechanisch verdichtet, sondern bei niedrigem Verdampfungsdruck von einem Lösungsmittel aufgenommen „absorbiert“.
Die mit Kältemittel angereicherte Lösung wird durch eine Pumpe auf höheren Verflüssigerdruck gebracht und in den Austreiber gefördert. Durch Wärmezufuhr von der BHKW Anlage wird hier das Kältemittel wieder ausgetrieben. Übrig bleibt eine arme Lösung, die über ein Drosselorgan zum Absorber zurückströmt. Sie wird dort in Rohre verrieselt, um dem zu absorbierenden Kältemitteldampf eine große Oberfläche zu bieten.
Das ausgetriebene Kältemittel wird im Verflüssiger durch Wärmeabgabe an Kühlwasser oder Kühlluft verflüssigt. Nach der Drosselung kann es im Verdampfer Wärme aus dem zu kühlenden Medium aufnehmen. Der dabei entstehende Kältemitteldampf strömt zum Absorber, wo er vom Lösungsmittel erneut absorbiert wird.
Die Lösungsmittelpumpe, die von Verdampfungs- auf Verflüssigerdruck zu fördern hat, ist das einzige bewegte Teil des Kreislaufs. Die Antriebsleistung der Pumpe ist im Verhältnis zur benötigten Heizwärme aus dem BHKW gering.
Das notwendige Temperaturniveau im Austreiber erfordert eine spezielle Auslegung der BHKW Anlage.
Der Verbrennungsmotor treibt über eine torsionselastische Kupplung einen Generator zur Stromerzeugung. Motor und Generator sind mit einer SAE Flanschglocke starr miteinander verbunden und mittels Gummi-Metall-Elementen schwingungsentkoppelt auf einem Grundrahmen in Stahlkonstruktion montiert.
Bei SCHMITT ENERTEC Aggregaten >100 kW kann die elastisch Kupplung über eine Serviceöffnung in der Flanschglocke radial ausgetauscht werden, ohne Motor oder Generator verschieben oder demontieren zu müssen.
Unter dem Motor ist eine Leckölwanne zur Aufnahme des gesamten Ölinhalts der Motorölwanne eingebaut. Das Motorkühlwasser wird in einem Kreislauf durch Motorblock, Ölkühler, wassergekühltes Abgassammelrohr, Abgaswärmetauscher und Übergabewärmetauscher geführt.
Im Übergabewärmetauscher wird die gesamte Motorwärme aus Kühlwasser und Abgas an das bauseitige Heizwasser abgegeben. Im Abgaswärmetauscher werden die Abgase je nach Motorauslegung von 400 - 600 °C auf 120 °C (180°C bei Dieselmotoren und Biogasmotoren) abgekühlt.
Die Aufheizung des Heizwassers erfolgt standardmäßig von 70 auf 90 °C. Die Umwälzung von Kühl- und Heizwasserkreislauf erfolgt durch elektrisch angetriebene Pumpen. Je nach Anforderung an die Konstanz der Temperaturen wird im Heizwasserkreislauf ein Mischventil integriert zur Rücklauftemperaturanhebung.
Die Abgase werden nach dem Austritt aus dem Abgaswärmetauscher durch einen oder mehrere Abgasschalldämpfer geführt.
Der Übergabewärmetauscher ist als Plattenwärmetauscher aus Edelstahl ausgeführt. Der Abgaswärmetauscher wird als Rohrbündel ausgeführt. Als Werkstoff setzt SCHMITT ENERTEC ausschließlich Edelstahl 1.4571 ein, unabhängig vom Brennstoff.
Die BHKW Steuerung und der zugehörige Leistungsteil sind ebenfalls auf dem Grundrahmen montiert, so daß das Aggregat komplett betriebsbereit ausgeliefert werden kann.
SCHMITT ENERTEC Aggregate bis 400 kW sind standardmäßig ab Werk mit einer Schallschutzhaube ausgerüstet. Die Haubenelemente können für die Wartungsarbeiten einfach abgenommen werden.
Für Reparaturarbeiten kann die gesamte Haube demontiert werden. Optional können unsere Aggregate auch ohne Haube geliefert werden. In diesem Fall ist der Maschinenraum mit einer ausreichenden Belüftung auszurüsten.
Erdgasaggregat im Magerbetrieb zum Anfang
Der Antriebsmotor ist ein 4-Takt Otto Motor mit Turbolader und Gemischkühlung. Über Brennraumtemperatursensoren wird und ein Gemischregelventil wird die Verbrennung auf einen emissionstechnisch optimalen Wert ausgeregelt.
Es werden damit die Grenzwerte der TA-Luft bezüglich der CO, NOx und HC Emissionen eingehalten. Erdgas Magermotoren werden mit einem Oxidationskatalysator zur Reduzierung der CO Emissionen ausgestattet.
Die Kühlung des Gas-Luft-Gemischs sowie des Motorschmieröls erfolgt entweder direkt mit Motorkühlwasser oder in einem getrennten kälteren Kreislauf.
Erdgasaggregat mit 3-Wege Katalysator zum Anfang
Der Antriebsmotor ist ein 4-Takt Otto Saugmotor. Über Lambdasonden wird der Restsauerstoff im Abgas ermittelt und über ein Gemischregelventil die Verbrennung so ausgeregelt, daß kein Sauerstoff mehr im Abgas vorhanden ist.
Dies macht den Einsatz eines 3-Wege Katalysators der NOx, CO, und HC in Stickstoff Sauerstoff und CO2 umwandelt möglich. Die NOx Grenzwerte der TA- Luft für Lambda 1 Motoren betragen daher nur die Hälfte des Werts für Magermotoren und können mit SCHMITT ENERTEC Lambda 1 Aggregaten sicher eingehalten werden.
Erdgasaggregat im Lamda 1 Betrieb mit Abgasrückführung zum Anfang
Der Antriebsmotor ist ein 4-Takt Otto Motor mit Turbolader und Gemischkühlung. Über Lambdasonden wird der Restsauerstoff im Abgas ermittelt und über ein Gemischregelventil die Verbrennung so ausgeregelt, daß kein Sauerstoff mehr im Abgas vorhanden ist.
Ein Teilstrom des Abgases wird gekühlt und dem Brenngemisch als Inertgas beigemischt (rückgeführt). Durch den Kühleffekt dieses Inertgasstroms werden die Brennraumtemperaturen auf ähnliche Werte wie im Mager-Turbomotor gehalten.
Die Verbrennungsführung ohne Restsauerstoff im Abgas ermöglicht gleichzeitig den Einsatz eines 3-Wege Katalysators, der NOx, CO, und HC in Stickstoff, Sauerstoff und CO2 umwandelt. Damit können die strengen Grenzwerte für NOx z.B. in USA oder Korea eingehalten werden
Biogasaggregat im Magerbetrieb zum Anfang
Der Antriebsmotor ist ein 4-Takt Otto Motor, selbstansaugend oder mit Turbolader und Gemischkühlung.
Über Brennraumtemperatursensoren und ein Gemischregelventil wird die Verbrennung auf einen für Emissionen und Wirkungsgrad optimalen Wert ausgeregelt.
Es werden damit die Grenzwerte der TA-Luft bezüglich der CO, NOx und HC Emissionen eingehalten. Ein Katalysator wird nicht eingesetzt da im Biogas oder Klärgas enthaltene Begleitstoffe wie H2S und Siloxane den Katalystor innerhalb kürzester Zeit unwirksam machen.
Die TA-Luft sieht daher für Biogasmotoren bezüglich CO einen höheren Grenzwert als bei Erdgasanwendungen vor.
Im Vergleich zu Zündstrahlmotoren liegen z.B. die Stickoxidemissionen um den Faktor 4 niedriger.
Aufgrund des Schwefelwasserstoffs besteht eine höhere Korrosionsgefahr für den Motor. Es werden daher Schmieröle mit hoher Alkalitätsreserve (TBN) eingesetzt.
Zusätzlich sind unsere Aggregate mit vergrößerten Schmierölvolumen ausgerüstet wodurch eine höhere Aufnahmefähigkeit und Laufzeit des Öls erreicht wird. Die regelmäßige Durchführung von Ölanalysen im Rahmen unseres Services ist in jedem Fall dringend erforderlich.
Der Antriebsmotor ist ein Diesel-Direkteinspritzer mit Turbolader und Ladeluftkühlung. Die Ladeluftkühlung erfolgt in einem vom Motorkühlwasser getrennten Kreislauf.
Es werden robusten Dieselmotoren mit angepasstem Einspritzsystem, Kraftstoffvorwärmung und Filterung eingesetzt.
Durch den Eintrag von Pflanzenöl in das Motorschmieröl neigt dieses zur Polimerisation. Zur Veringerung dieses Effekts, ist bei SCHMITT ENERTEC Pflanzenölaggregaten der Schmierölkreislauf der Kraftstoffeinspritzpumpe getrennt vom Hauptschmierkreis des Motors.
Ablagerungen an den Einspritzdüsen, Ventilen und Ventilsitzen erfordern einen höheren Wartungsaufwand bei diesen Motoren.
Für die Stromerzeugung können Asynchron- oder Synchrongeneratoren eingesetzt werden.
Der Einsatz von Asynchrongeneratoren ist eigentlich wegen des hohen Blindstrombedarfs nur bei Aggregaten mit weniger als 100 kW el. Leistung sinnvoll. In manchen Netzen z.B. in Teilgebieten in USA ist der Parallelbetrieb mit dem öffentlichen netz aber nur mit Asynchrongeneratoren erlaubt, wegen der geringeren Beiträge zum Kurzschlußstrom.
Aggregate für Inselbetrieb werden immer mit Synchrongeneratoren ausgeführt. Es werden speziell für den BHKW Betrieb ausgelegte Generatoren mit verbessertem Wirkungsgrad eingesetzt.
Die Steuerung an SCHMITT ENERTEC Kompaktaggregaten ist auf dem Grundrahmen des Aggregats montiert. Sie beinhaltet sowohl den Steuerteil als auch den Leistungsteil.
Die BHKW Steuerung ist in einer SPS realisiert. Sie übernimmt die Steuerung und Überwachung aller Funktionen des Motors und des Aggregats. Sie ist mit einem Bedien- und Anzeigedisplay ausgerüstet mit dem verschiedene Betriebsarten angewählt, sowie alle Soll- und Grenzwerte, Analogwerte und Regelparameter angezeigt und verändert werden können.
Über ein Bussystem können mehrere Aggregate sowie eine zentrale Steuerung miteinander kommunizieren.
Die Zentralsteuerung kann entweder als eigenständige Steuerung realisiert werden oder in eine Aggregatsteuerung integriert werden welche dann als Mastersteuerung fungiert.
Sie übernimmt die An- und Abwahl der einzelnen Aggregate entweder in Abhängigkeit des Wärme- oder Strombedarfs. Die Wärmebedarfsabhängige Steuerung erfaßt die Heizwasserrücklauftemperatur und wählt bei fallenden Werten die Aggregate stufenweise bzw. bei steigenden ab. Ist ein Spitzenkessel installiert so erfolgt dessen Anwahl ebenfalls durch die BHKW Zentralsteuerung.
Die Strombedarfsabhängige Steuerung wählt die Aggregate in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Wirkleistung an und ab. Bei Anlagen die im Netzparallelbetrieb gefahren werden wird der Netzbezug kontinuierlich erfaßt. Die Steuerung errechnet die notwendige BHKW Leistung um den Netzbezug auf einen gewünschten Wert (meist Nullast) auszuregeln. Die erforderliche Leistung wird gleichmäßig auf die jeweils angewählten Aggregate verteilt.
Für jedes Aggregat kann jeweils ein verzögerter und ein unverzögerter Start und Stoppwert über das Bedientableau eingegeben werden um die Start/Stopp Kurve auf die speziellen Bedingungen einer Anlage anzupassen.
Von mehreren Aggregaten wird jeweils das mit den wenigsten Betriebsstunden angewählt, beziehungweise das mit den meisten abgewählt. Die Aggregate werden dadurch gleichmäßig belastet.
Drehzahl- und Leistungsregelung zum Anfang
Die Veränderung von Drehzahl und Leistung erfolgt über die Verstellung der Reglerstange der Einspritzpumpe bei Dieselmotoren bzw. durch Verstellung der Drosselklappe bei Gas-Otto-Motoren.
Die Regelung richtet sich nach dem Leistungsbedarf der angetriebenen Maschine (Generator). Hat der Motor einen Leistungsüberschuß so würde die Drehzahl ansteigen.
Ein am Netz hängender Synchrongenerator verändert seine Drehzahl nicht. Es erhöht sich der Strom der vom Generator erzeugt wird.
Beim Starten des Motors, sowie beim Inselbetrieb arbeitet das System als Drehzahlregelung. Der Istwert der Drehzahl wird über einen Pick up vom Starterkranz des Motors abgegriffen. Der Sollwert beträgt 1500 upm entsprechend 50 Hz bei einem 4-poligen Generator.
Nach dem Zuschalten zum Netz arbeitet das System als Leistungsregelung. Der Istwert der Generatorleistung wird über einen Meßumformer erfaßt. Der Sollwert ist je nach betriebsweise der Gesamtanlage verschieden. Er kann gleich der Nennleistung des Aggregats sein oder aber sich gleitend an den Strombedarf des zu versorgenden Objekts anpassen.
Bei mehreren parallel geschalteten Generatoren, die jedoch nicht mit dem Netz parallel sind, sind nach der Zuschaltung beide Regelungen aktiv. Die Lastanpassung an den Verbrauch erfolgt dabei durch die Drehzahlregelung. Die Leistungsregelung übernimmt die gleichmäßige Verteilung der Last auf die parallel laufenden Generatoren.
Ein Zentralsteuerung muß daher die Summenleistung der Gesamtanlage erfassen, die prozentuale Last für die einzelnen Aggregate errechnen und diesen als Sollwertsignale zuführen
Beim Otto-Gasmotor wird das Gas-Luftgemisch durch Fremdzündung gezündet. Dies geschiet durch einen Hochpannungsfunken einer Zündkerze. Es werden mikroprozessorgesteuerte (digitale) Kondensatorentladungzündanlagen eingesetzt.
Diese Systeme haben keine Verschleißteile und liefern eine hochenergiegeladene, zeitpunktgenaue Zündung was für niedrige Abgasemissionen und lange Standzeiten der Zündkerzen unerläßlich ist. Mittels Hall Effekt Pickups an der Nockenwelle wird die Position der Zylinder erfaßt und zum optimalen Zeitpunkt ein Niederspannungsstromstoß an die Zündspule des entsprechenden Zylinders ausgegeben.
Die Verteilung der Zündung auf die für jeden Zylinder montierten Zündspulen erfolgt niederpannungsseitig ohne bewegte Teile. In der Zündspule wird ein Hochspannungstromstoß induziert welcher an den Kontakten der Zündkerze als Lichtbogen überspringt. Die mikroprozessorgesteuerte Zündung macht die Anpassung an verschieden Gasarten oder schwankende Gasqualität möglich.
Der Zündzeitpunkt kann z.B in Abhängigkeit des Analogsignals eines Methananalysators oder einer Klopfüberwachung verändert werden. Meist wird gleichzeitig eine Leistungsanpassung vorgenommen.
Schmierölver- und Entsorgung zum Anfang
Der im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretende Schmierölverbrauch wird durch eine automatische Nachfüllanlage ergänzt.
SCHMITT ENERTEC Aggregate sind mit einem Nachlauftank ausgerüstet aus dem das im Motor verbrannte Öl über ein Schwimmerventil automatisch in die Ölwanne nachläuft und so den Ölstand reguliert. Das Volumen des Tanks ist so ausgelegt, daß der Intervall zwischen zwei Wartungen sicher überbrückt werden kann.
Erdgas ist ein Gasgemisch dessen Zusammensetzung je nach Fundort sehr unterschiedlich sein kann. Den größten Anteil hat immer Methan. Je nach Herkunft enthalten Erdgase unterschiedliche Anteile an höheren Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Propan, Butan und Ethen.
Diese erhöhen den Heizwert des Gases, senken gleichzeitig aber auch die Methanzahl. Die Methanzahl ist ein Maß für die Klopffestigkeit von Gasen, vergleichbar mit der Oktanzahl bei Benzin.
Für die Verbrennung von Erdgas im Gasmotor hat die Methanzahl eine wichtigere Bedeutung als der Methangehalt oder der Heizwert. Die Methanzahl bestimmt den einstellbaren Betriebspunkt des Motors bezüglich Leistung, Ladedruck und Zündzeitpunkt und damit den Wirkungsgrad.
Biogas, Klärgas oder Deponiegas entsteht durch die künstlich beschleunigte Verrottung von Biomasse oder Zivilisations- und Tierabfällen. Es sind Bakterien, die die verschiedenen Kohlenwasserstoff-Substanzen zu Gas zersetzen.
Biogase bestehen im wesentlichen aus CH4, CO2 und N2. Als Spurengase sind je nach Herkunft des Gases außerdem Anteile an Schwefel, Schwefelwasserstoff, Halogenen und Siliziumverbindungen enthalten. Der Einsatz von Katalysatoren zur Abgasreinigung ist deshalb ohne eine aufwendige vorgelagerte Brenngasreinigung nicht möglich. Spurengase wie H2S und Siloxane beeinträchtigen die Lebensdauer von Katalysatoren sehr stark.
Holzgas wird durch die thermochemische Umwandlung von Holz in Synthesegas erzeugt. Es besteht im wesentlichen aus den Komponenten CO, H2, CO2 und N2. Die Volumenanteile der Einzelkomponenten hängen vom Vergasungsprinzip ab. Das ENERCARB Verfahren läuft authoterm mit Luft als Vergasungsmittel ab, resultierend in hohen Stockstoffanteilen.
Holzgase enthalten je nach Vergasertyp mehr oder weniger Anteile an Holzkohlenteer. Zur motorischen Verbrennung muß der Teeranteil < 20 mg/Nm³ betragen. Im ENERCARB Verfahren wird dies durch die hohen Vergasungstemperaturen von über 1200 °C erreicht. Bei entsprechend langer Verweilzeit in diesen Bedingungen, werden die Teere (langkettige Kohlenwasserstoffe) aufgespalten („gecrackt“).
Holzgas hat einen Heizwert von ca. 1,4 kWh/Nm³ (4,5 MJ/kg) was in etwa 14% des Energieinhalts von Erdgas entspricht. Um ein stöchiometrisches Gemisch aus Gas und Luft zu erhalten ist eine Luftmenge von 1,3 m³/m³ Holzgas nötig.
Biogas benötigt im Vergleich dazu 6,1 m³ Luft. Die spezifische Abgasmenge von Holzgas ist außerdem um 10% niedriger als bei Biogas oder Erdgas. Diese Zahlen verdeutlichen, daß für die motorische Verbrennung von Holzgas besondere Anforderungen an die Verbrennungsführung gestellt werden.
Durch den niedrigen Heizwert des Gemischs aus Holzgas kann einem Motor bei gleichem Füllungsgrad nur eine um ca. 20 % geringere Brennstoffenergie zugeführt werden als es z.B mit Biogas der Fall wäre. Durch die damit im Verhältnis steigenden Reibungs- und Ladungsverluste verringert sich der Nutzwirkungsgrad.
Um dem entgegen zu wirken setzt SCHMITT ENERTEC ausschließlich turbogeladenen Motoren mit Gemischkühlung ein. so daß ein möglichst hoher Füllungsgrad erreicht wird. Hierbei kann ausgenutzt werden, daß Holzgas eine relativ hohe Klopffestigkeit besitzt, was hohe Aufladegrade zuläßt.
SCHMITT ENERTEC Holzgasmotoren sind durch die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses, der Gemischbildung, der Turboladerauslegung sowie der Regelungs- und Überwachungstechnik speziell für den Schwachgasbetrieb ausgelegt.