Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Technische Anforderungen beim flexiblen Betrieb von Biogasanlagen Dipl.-Ing. (FH) Volker Aschmann Institut

Bayerische Landesanstalt fürLandwirtschaft

Technische Anforderungen beim flexiblen

Betrieb von Biogasanlagen

Dipl.-Ing. (FH) Volker Aschmann

Institut für Landtechnik und Tierhaltungan der

Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft

Biogas Spezialberater/-innen am 13./14.10.2014 in Linz

Institut für Landtechnik und Tierhaltung

2

Inhalt

1. Vorstellung

2. Anforderungen bei der Direktvermarktung

3. Anforderungen beim Anbieten von Regelenergie

4. Anforderungen bei der Flexibilisierung

Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014

Aschmannr ILT2a 14-1Av 005


Volker Aschmann 3

Dipl.-Ing. (FH) Volker AschmannFH Weihenstephan Fachbereich Gartenbau

seit 2002 am Institut für Landtechnik und Tierhaltung

an derBayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft

Arbeitsgebiete (Projekte):- „Trockenvergärung“- Entschwefelungsverfahren- seit 2004 BHKW-Messungen in der Praxis- seit 2008 Schulungen im Bereich „Biogas Kompetenz Bayern“- seit 2014 Leitung der Schulungskonzepte

1. Vorstellung


Volker Aschmann 4

www.lfl.bayern.de


Volker Aschmann 5

www.biogas-forum-bayern.de


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Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014



Aschmannr ILT2a 14-1Av 005 7


08.10.2014


Aschmann ILT2c 131 Av 021 8

Foto: dpa

Schnittstelle BHKW- Leitwarte Stromhändler




08.10.2014

Generelle Änderung bei der Direktvermarktung:

Vertrag mit Stromhändler=> Verträge müssen geprüft werden!!

Fernsteuerbarkeit muss gewährleistet werden=> Zugriff auf Anlage durch Dritte verpflichtend ab 01.04.2015

Quelle: Next Kraftwerke

Problem:

Jeder Stromhändler hat seine eigene Box

=> Kompatibilität mit BHKW-Steuerungmuss gewährleistet sein



10

Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014





08.10.2014



Bereitstellung von Regelenergie

08.10.2014




08.10.2014



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Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014




Vorgaben:- Konstante Biogasproduktion- Verstromung nach Fahrplan

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:00

00

:50

01

:40

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:10

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:50

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:40

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:30

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:20

0

20

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60

80

100

120Füllstand Gasspeicher Leistung BHKW

Zeit [h]

BH

KW

-Le

istu

ng

, Ga

ss

pe

ich

er-

fülls

tan

d [

%]

Auswirkung auf Anlagenbetrieb:- Ertüchtigung der Anlagentechnik- Erhöhung der installierten elektrischen Leistung- Erhöhung des Gasspeichervolumens

08.10.2014

4. Flexibilisierung (Anlagentechnik)



08.10.2014




Prüfung:

Aufstellungsbedingungen (BHKW Raum, Anschlüsse)

Ertüchtigung des Einspeisepunktes

Prüfung der Rohrquerschnitte (Gasleitung, Wärmeleitung)

Prüfung der Gasentfeuchtung und Entschwefelung

Prüfung des Gasspeichervolumens

08.10.2014



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Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014




08.10.2014

Probleme:

tatsächlich verfügbare Gasvolumen?

- Brutto-/Netto-Gasspeichervolumen

- Norm-Biogasvolumen

- Gasspeicherfüllstand

- Entleerung paralleler, unterschiedlicher Gasspeicher

Entschwefelung

Entfeuchtung

4. Flexibilisierung (Gasspeicher)




08.10.2014



08.10.2014




08.10.2014




08.10.2014

Vorteile:

keine Änderung der Lufteinblasung

keine Änderung der Entschwefelung (Aktivkohle)

keine Änderung der Entfeuchtung

gute Füllstandüberwachung



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Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014




Wärmespeicher

Technik:- Bedarf : Temperaturmessung, Füllstand, Energiemenge (Wärmezähler)- Bruttokapazität: 1,16 kWh/m3 /K- ∆T(95°C – 55°C)= 40K entspricht Netto ca. 40%- Pro 10 kW Leistungserhöhung 1m3 Speichervolumenbedarf (ohne Wärmeverwertung)

Kosten:- 650 €/ m3 bei 100 m3 Speicher- 230 €/ m3 bei 1000 m3 Speicher- 150 €/ m3 bei 5.000 m3 Speicher- Anbindung 30.000 bis 60.000 €- Betriebskosten (Pumpenstrom): 1.000 bis 2.500 €/a

Wartung:- 1% der Anlagenkosten/a- Austausch Umwälzpumpe nach ca. 20 Jahren


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Inhalt

1. Vorstellung




Anlagentechnik

Gasspeicher

Wärmespeicher

BHKW-Technik

5. Zusammenfassung

08.10.2014



Bsp. 500 kWel.:

BHKW alt: η = 36% => Gasverbrauch = 267 m3∙h-1

BHKW neu: η = 39% => Gasverbrauch = 247 m3∙h-1

=> Bei 52% Methan-Gehalt = 10,4 m3 CH4∙h-1

=> Gaseinsparung von 85.280 m3∙a-1 CH4 bei 8.200 Bh

1 ha Mais = ca. 5.000 m3 CH4

=> Substrateinsparung pro Jahr ≈ 17 ha Mais

27Aschmannr ILT2a 14-1Av 003

Kosten von Mais frei Fermenter ca. 1.800 €∙ha-1

=> Kosteneinsparung pro Jahr ≈ 30.700 €

02.09.2014

4. Flexibilisierung (BHKW-Technik)



Quelle: Schnellmotoren AG

08.10.2014




Probleme:

Ein geringerer Energiegehalt im Brennraum führt zu:

niedrigeren Verbrennungstemperaturen und damit zu

niedrigeren NOx-Konzentrationen (positiv)

höheren CO-Konzentrationen

geringerer Kolbenausdehnung

=> damit zu höherem Methanschlupf (klimawirksam)

=> und zu vermindertem elektrischen Wirkungsgraden



Volllast (100%) Teillast (80%) Teillast (70%) Teillast (60%)60

80

100

120

140

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111

89

81

106

127

137

100

113

130

146

97 96 95

NOx CO CnHmLinear (CnHm) el. Wirkungsgrad Linear (el. Wirkungsgrad)

NO

x,C

O,

Cn

Hm

, u

nd

el.

Wir

ku

ng

sg

rad

[%

]

30Aschmann ILT2c 131 Av 021

190 kWel. Gas-BHKW




Leistung ηel.

Methanverbrauchm3 CH4/kWh

Mehrverbrauchm3 CH4/kWh

Mehrkosten €ct./kWh1)

Volllast (100%) 33,2 0,300

Teillast (80%) 32,4 0,309 0,009 0,38

Teillast (70%) 32,1 0,312 0,012 0,51

Teillast (60%) 31,8 0,315 0,015 0,61




Grotholt 2013

08.10.2014




08.10.2014

Probleme:

Probleme beim Startvorgang

Kondensation im Abgastrakt/Turbolader/Katalysator etc.

=> Korrosionsprobleme (H2S), verminderte Standzeiten

höhere Beanspruchung einzelner Motorkomponenten

=> höherer Verschleiß von Anlasser, Lager, Pleuel etc.

Probleme beim TeillastbetriebVoraussetzungen:

Optimierung des Startvorganges (Verdichter, Gasmischer,

Zündzeitpunkt)

Verbesserung der Gasreinigung (Feinreinigung erforderlich)

Auswahl geeigneter Motorkomponenten

=> Kostensteigerung?




02.09.2014

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,00028

30

32

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36

38

40

42

44

4630 kWGO Linear (30 kWGO) 190 kWGO Linear (190 kWGO)324 kWGO Linear (324 kWGO) 526 kWGO-I Linear (526 kWGO-I)

Betriebsstunden [Bh]

ele

ktr

isch

er

Wir

ku

ng

sgra

d [

%]




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0 100 200 300 400 500 60025

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35

40

45

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Gas-BHKW Logarithmic (Gas-BHKW)

Zündstrahl-BHKW Logarithmic (Zündstrahl-BHKW)

elektrische Leistung [kW]

ele

ktr

isch

er

Wir

ku

ng

sg

rad

[%

]

02.09.2014




4.9

00

7.5

95

11.4

00

13.5

25

20.6

90

25.8

30

30.8

00

34.3

50

39.5

40

44.3

70

47.7

40

06-I 06-II 07-I 07-II 08-I 09-I 09-II 10-I 10-II 11-I 11-II

175

200

225

250

275

300

325

350

375

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

312 313 309314

309 313 313 313 314

299291

35.6

33.9

35.5 35.2 35.4 35.0

33.134.2

33.332.8

31.9

el. Leistung el. Wirkungsgrad

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g [

kW

]

ele

ktr

isch

er

Wir

ku

ng

sgra

d [

%]

02.09.2014

Bh

Messung

324 kWel. Gas-BHKW




02.09.2014

3.9

35

6.1

00

8.0

50

10.6

22

17.3

10

23.7

40

29.7

30

33.4

70

37.2

00

41.6

90

45.0

40

52.0

80

06-I 07-I 07-II 07-III 08-I 09-I 09-II 10-I 10-II 11-I 11-II 12-I

300

350

400

450

500

550

600

34.0

36.0

38.0

40.0

42.0

44.0

46.0

528 529 527 526 523 522 525 527 524 525 522 523

38.437.8 37.6 37.9

37.0 37.0

35.7

38.538.1 38.3 38.0

37.5

el. Leistung el. Wirkungsgrad Linear (el. Wirkungsgrad)

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g [

kW

]

ele

ktr

isch

er

Wir

ku

ng

sgra

d [

%]

Ge

ne

ralü

be

rho

lun

g

Bh

Messung

526 kWel. Gas-BHKW




BHKWElektrischer

Wirkungsgrad: erste Messung

Elektrischer Wirkungsgrad: letzte Messung

Beobachtungs-zeitraum

Gesamtabnahme des el.

Wirkungsgrades

Durchschnittliche Abnahme des el. Wirkungsgrades

[%] [%] [Bh] [%-Punkte] [%•10.000 Bh-1]

190 kW GO 36,7 34,4 52.650 2,2 -0,4

324 kW GO 35,6 31,9 42.840 3,7 -0,7

526 kW GO 38,4 37,5 48.145 0,9 -0,2

02.09.2014




Zunahme des Gasverbrauchs durch verminderten el. Wirkungsgrad

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,00095

100

105

110

115

120

324 kW GO 190kW GO 526 kW GO

Betriebsstunden [Bh]

Zu

na

hm

e G

asve

rbra

uch

[%

]

02.09.2014



Vergleich BHKW ohne vs. mit Generalüberholung (GÜ):

BHKW-Leistung: 500 kWel.

Jahresbetriebsstunden: 8.200 BhLaufzeit insgesamt: 65.000 BhZunahme Gasverbrauch: 3% bzw. 14%

Gaseinsparung mit GÜ: 1.316.000 m3 Biogas

bzw. 132 ha Mais

Kosten von Mais frei Fermenter ca. 1.800 €∙ha-1

Einsparung durch geringeren Substratbedarf:

Gesamt: 236.800 €

pro kWh: 0,73 €ct

pro Bh: 3,64 €∙Bh-1

41Aschmannr ILT2a 14-1Av 003

02.09.2014




190 k

W

324 k

W

526 k

W

250 k

W

50.000 40.000 45.000 35.000Gas-BHKW Zündstrahl-

BHKW

0

20

40

60

80

100

120

98.894.2 96.8

93.4

Verf

üg

bark

eit

[%

]

Messzeitraum

02.09.2014




Verfügbarkeit zwischen 8.180 und 8.650 Bh a-1

BHKW mit GÜ im Schnitt 5% höhere Verfügbarkeit als BHKW ohne GÜ

Ertragsdifferenz bei 5% geringerer Verfügbarkeit: 42.500 € a-1

02.09.2014




Anforderungen an die Anlagentechnik:

1. Ertüchtigung des Einspeisepunktes

2. Überprüfung der Gas- und Wärmestrecke

3. Berechnung des verfügbaren und benötigten Gasvolumens

4. externer Gasspeicher bringt Vorteile

5. Vorteil eines neuen BHKW durch Substrateinsparung

6. Bessere Anpassung neuer BHKW an die Anforderungen

7. Korrosionsproblematik und Standzeiten noch nicht geklärt

8. Feinreinigung des Biogases immer wichtiger

08.10.2014

5. Zusammenfassung



Vielen Dank!!

08.10.2014

Dipl.-Ing. (FH) Volker AschmannInstitut für Landtechnik

Mail: volker.aschmann(at)lfl.bayern.deTel.: 08161/71 4824

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