Je effektiver Blockheizkraftwerke Biogas in Strom und Wärme umwandeln, desto größer der Gewinn. Wie die Industrie noch mehr Leistung aus den Maschinen herauskitzelt, erklärt Dr. Waldemar Gruber von der Landwirtschaftskammer in NRW.

Was für Autos die Pferdestärken sind, ist für Blockheizkraftwerke (BHKW) der Wirkungsgrad. An ihm lässt sich die Leistungsfähigkeit des Kraftwerkes ablesen.

Vor nicht einmal fünf Jahren erreichten die Maschinen einen elektrischen Wirkungsgrad von max. 38 %. Das bedeutet: Die Kraftwerke wandelten auch nur 38 % der Energie aus dem Biogas in Strom um. Der Rest ging als Abwärme verloren. Moderne BHKW knacken dagegen heute schon die 43-Prozent-Grenze. Ein Unternehmen wirbt sogar mit einem Spitzenwert von etwa 48 %!

Und das macht sich bezahlt: Eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades um beispielsweise zwei Prozent-Punkte steigert die Wirtschaftlichkeit einer 200-Kilowatt-Biogasanlage unter sonst gleichen Bedingungen um über 10 000 €/Jahr. Bei größeren Anlagen fällt das Ergebnis sogar noch deutlicher aus.

Zwei verschiedene Motorentypen

In der Biogasbranche kommen zwei Motorentechniken in den Blockheizkraftwerken zum Einsatz: Zündstrahl- und Gas-Otto-Motoren. Zündstrahler arbeiten wie Dieselmotoren. Anders als bei Gas-Otto-Motoren zünden hier keine Kerzen das Gemisch. Stattdessen spritzen Injektoren zusätzlich ein Zündöl in den Zylinder, das ähnliche Eigenschaften wie Diesel hat und sich unter Druck selbst entzündet. Wenn der Kolben somit beim Aufwärtsgang im Zylinder das Biogas-Luft-Gemisch verdichtet, explodiert das Öl und verbrennt das Biogas-Luft-Gemisch gleich mit.

Die Dieseltechnik beschert dem Zündstrahler einen entscheidenden Vorteil: Durch das hohe Verdichtungsverhältnis von Luft und Biogas erreicht er einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Allerdings hat sie auch einige Nachteile:

Es muss ein zweiter Brennstoff zugekauft werden (seit 2007 Biodiesel oder Pflanzenöl).

Die Abgaswerte sind häufig schlechter als bei Gas-Otto-Motoren und

der Gesamtwirkungsgrad, der sich aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad zusammensetzt, ist bei Zündstrahlern meist niedriger als bei den Gas-Otto-Maschinen.

Die meisten Anbieter von BHKW für die Verbrennung von Biogas sind so genannte Packager. Das bedeutet: Die Firmen kaufen einzelne Teile zum Bau eines BHKW von verschiedenen Herstellern zu und bauen diese dann zu einem Aggregat zusammen.

Die Motoren stammen meistens von großen Herstellern und wurden oft für LKW oder Schiffe konstruiert. Als Gas-Otto-Motoren verwenden die Packager zum Beispiel Entwicklungen aus den Häusern Mercedes, MAN oder MWM. Für die Zündstrahlmotoren kommen oft Motoren aus dem Hause Scania oder Deutz zum Zuge. Die Grundversionen dieser Maschinen sind allerdings für unterschiedliches Gas konfektioniert (z. B. Erdgas, Deponiegas, Biogas oder Diesel). Daher können sie in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden.

Die Flexibilität geht aber zu Lasten der Leistungsausbeute. Denn jeder Brennstoff hat andere Ansprüche an die Verbrennung, weshalb die Einstellung der Grundversionen dieser Motoren immer nur einen Kompromiss aus den verschiedenen Ansprüchen darstellt. BHKW-Produzenten trimmen ihre Motoren daher anschließend rein auf den Einsatz von Biogas.

Für die Unternehmen ist dies mit einigen Herausforderungen verbunden:

Im Vergleich mit Erdgas hat Biogas einen niedrigeren Energiegehalt, der zudem selbst innerhalb eines Tages stark schwanken kann und

Biogas enthält einen hohen Anteil an Kohlendioxid (CO2). Dieses beeinflusst den Wirkungsrad eines Motors negativ, da die Verbrennung im Motorraum verlangsamt wird.

Während die Motorenbauer auf den Energiegehalt des Biogases keinen Einfluss nehmen können, gibt es im Wesentlichen aber vier verschiedene Methoden, die Motoren an das Biogas anzupassen und so die Leistung zu steigern:

Downsizing

Schadraumminimierung

Reibleistungsminimierung

Emissionsminderung

Das Gas stärker verdichten

Beim Downsizing erhöhen die Ingenieure das Verdichtungsverhältnis in Gas-Otto-Motoren von Gas zu Luft gegenüber den Basismotoren von 1:11 auf bis zu 1:15. Um trotzdem eine gute Verwirbelung des Gemisches zu erreichen und trotz des hohen CO2-Anteils die Verbrennung zu beschleunigen, werden die Kolben mit speziell für diesen Anwendungszweck geformten Brennmulden eingesetzt. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses reicht für eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades um rund 1,5 %.

Wie schon erwähnt, wird die Verbrennung durch die CO2-Anteile im Biogas verlangsamt. Für eine möglichst komplette Verbrennung wird die Brenndauer des Zündfunkens erhöht, um das gesamte Gas-Luftgemisch im Zylinder zu zünden.

Den Verschleiß minimieren

All diese Maßnahmen haben außerdem zur Folge, dass die Abgastemperaturen sinken. Dies ist gewollt, denn dadurch steigt der elektrische Wirkungsgrad und die Motorbauteile werden durch die geringeren Temperaturen mehr geschont.

Das Downsizing hat aber auch einen Nachteil: Es fehlt die Energie in den Abgasen, um den Turbolader des Basismotors ausreichend anzutreiben. Denn dieser wird unter anderem vom Druck beeinflusst, den die Abgase aufbauen können und vom Unterdruck, der im Ansaugtrakt entsteht. Der Drucküberschuss am Turbolader dient als Regelreserve und sofern er nicht benötigt wird, baut ihn beispielsweise eine Drosselklappe wieder ab.

Die BHKW-Bauer müssen beim Downsizing daher teilweise mit Tricks arbeiten, um die Arbeit des Turboladers nicht negativ zu beeinflussen. Beispielsweise setzen sie modifizierte Gasmischer ein, um die Strömungsverluste im Ansaugtrakt zum Turbolader zu minimieren. Aufgrund der deutlich geringeren Strömungsverluste im Gasmischer ist dann der Turbolader noch in der Lage, die notwendige Regelreserve im Ladedruck aufzubauen.

Eine Steigerung der Motorleistung und eine Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades bedeuten für den Motor immer auch höhere thermische Belastungen. Deswegen achten die Entwickler darauf, die Temperaturen an den belasteten Bauteilen im Griff zu halten. So werden beispielsweise die Kolben mit Bohrungen im Kolbenboden versehen. Diese Kühlkanäle werden von unten mit Öl angespritzt und reduzieren somit die Temperaturen am Kolben. Einige Hersteller rüsten beispielsweise jeden Zylinder mit einem Temperaturfühler aus, um bei ansteigenden Brennraumtemperaturen die Leistung runterzuregeln. Andere Unternehmen versehen ihre Kolben mit einer Klopfüberwachung. Hier kontrolliert ein Körperschallsensor den Brennraum auf Selbstzündung (Klopfen) und stellt hiernach den Zündzeitpunkt nach. Grundsätzlich sagt man den Körperschallsensoren eine längere Lebensdauer als Temperaturfühlern nach.

Ein weiterer Ansatz, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist, die Schadraumminimierung zwischen Kolben und Zylinderwand zu verbessern. Hierzu wird mitunter in die obere Zylinderwand eine Nut gefräst, in die ein so genannter „Top-Land-Ring“ (TL-Ring) gesetzt wird. Somit verringert sich der Abstand zwischen Kolben und Zylinder und weniger Gas-Luftgemisch kann aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse entweichen. Gleichzeitig wird durch die bessere Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben der Schmierölverbrauch deutlich reduziert.

Dünnflüssige Öle sind umstritten

Die Leistung eines BHKW kann auch durch den Einsatz von qualitativ hochwertigeren und dünnflüssigeren Ölen verbessert werden. Sie verringern die Reibung im Motor. Prüfstanduntersuchungen weisen auf einen Wirkungsgradanstieg von 0,3 Prozentpunkten hin. Aber nicht alle Motorenentwickler sind davon überzeugt. Die Schmierspalten in den Motoren sind auf die derzeit eingesetzten Öle abgestimmt. Eine zusätzliche Additivierung führt zu Ablagerungen im Motor, was keinesfalls zu tolerieren ist, so das Gegenargument der Kritiker. Die Abstimmung der mechanischen Motorteile auf Öle mit geringer Viskosität würde Neuentwicklungen bedeuten, die eher mittelfristig zu erwarten sind.

Künftig ohne Entschwefelung

Die gesetzlich verankerten Werte bei den Abgasemissionen zwingen alle Motorenhersteller im Bereich der Katalysatoren die Entwicklung voranzutreiben. Durch hochwertige Materialien im Katalysator versuchen beispielsweise einige Hersteller dessen Schwefeltoleranz anzuheben. Zukünftig sollen die Katalysatoren ohne eine Vorbehandlung des Biogases durch einen Aktivkohlefilter arbeiten können. Dadurch will man die Systemkosten, die für die Beschaffung und Entsorgung der Aktivkohle anfallen, verringern. -ro-

Welche Neuheiten die BHKW-Hersteller aktuell in ihrem Programm haben, lesen Sie auf den kommenden Seiten.