Optimaler Wirkungsgrad bei der Verbrennung in KWK-Anlagen - Biogas-Aufbereitung mit spezieller Klimatechnik

Je weniger Wasserdampf und andere Verunreinigungen im Brennstoff enthalten sind, desto höher ist der Wirkungsgrad bei der Verbrennung. Deshalb muss Biogas vorbehandelt werden.
Methoden der Vorbehandlung sind beispielsweise gleichmäßige Erwärmung während des Vermentierungsprozesses und Entfeuchtung durch Abkühlung. Hierfür werden speziell entwickelte Wärmetauscher und Hochleistungs-Kühlaggregate eingesetzt.
Nach den aktuellen Zahlen des FV Bio-gas werden in Deutschland derzeit 3890 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Gesamtleistung von 1380 MW betrieben. Bereits im Jahr 2007 belief sich die Primärerzeugung mit Biogas in der Europäischen Union (EU) auf insgesamt 5901 Kilotonnen Öleinheiten (ktoe) pro Jahr, davon wurden allein 2381 ktoe in Deutschland produziert.
15% des Energiepotenzials von Biogas wurden in Deutschland 2007 dabei zur Wärmeerzeugung genutzt. Diese Zahlen verdeutlichen den Stellenwert dieser innovativen Energieerzeugung und erklären warum zahlreiche deutsche Unternehmen in diesem Bereich weltweit zu den Technologieführern zählen.
Dieser Erfolg ist insbesondere auf die Gesetzgebung zur Förderung von EE zurückzuführen. Dazu gehören unter anderem das MAP der Bundesanstalt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) oder das Programm zur Förderung Erneuerbarer Energien durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Darüber hinaus besteht für Netzbetreiber eine Vergütungspflicht für aus Biomasseanlagen eingespeisten Strom.

KWK mit Biogas
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) als gleichzeitige Erzeugung von Elektrizität und Wärme trägt aufgrund des hohen Wirkungsgrades zur Senkung der Energiekosten bei. Sie verringert zudem klimarelevante Emissionen und schont Energieressourcen. Der entscheidende Vorteil von Blockheizkraftwerken (BHKW) ist ihr großes Energiesparpotenzial, verbunden mit einem hohen Maß an Umweltverträglichkeit.
Das primäre Einsatzfeld für BHKWs liegt nicht in der flächendeckenden Strom- und Wärmeversorgung von Ballungszentren, sondern in der dezentralen Versorgung von überschaubaren Einheiten. Ein BHKW besteht aus einer Motor-Generator-Einheit mit dazugehörenden Wärmetauschern für die Nutzung der Kühlwasser- und Abgaswärme.
Aufgrund ihres relativ hohen Methananteils sowie ihrer regionalen und lokalen Verfügbarkeit eignen sich Biogase für den Betrieb von BHKWs besonders gut. Biogas wird durch anaerobe (sauerstofffreie) Bakterien beim Abbau organischer Substanzen unter Luftabschluss erzeugt. Die einzelnen Bakterienstämme haben relativ enge Temperaturzonen, welche über eine konstante Prozesstemperatur ständig aufrechterhalten werden sollten.
Biogas besteht zu ca. 65% (50 bis 70%) aus brennbarem Methan und zu ca. 30% aus Kohlendioxid. Zum Vergleich: Erdgas besteht zu ca. 80 bis 90% aus Methan. Von hoher Bedeutung für die Qualität des Biogases sind der Wasserdampfgehalt sowie der Schwefelwasserstoffanteil (H2S). Sind diese zu hoch, kann es zu erheblichen Problemen bei der Gasverwertung kommen.
Durch entsprechende Behandlungsmethoden ist es jedoch möglich, diese unerwünschten Stoffe erheblich zu reduzieren. Der Wasserdampfgehalt kann beispielsweise durch Auskondensieren in der Leitung oder dem Gasspeicher gesenkt werden, und die Entschwefelung findet mittels Filtrierung oder durch kontrollierte Zufuhr von Luft (Sauerstoffoxidation) statt. Um Schäden an den technischen Komponenten, insbesondere am Generator zu vermeiden, muss das Biogas vor der Verbrennung entfeuchtet werden.
Mit Biogas betriebene Anlagen sind dennoch besonders umweltfreundlich, da der Beitrag eines Methanmoleküls (CH4) zum Treibhauseffekt 21-mal niedriger als der eines Kohlendioxidmoleküls (CO2) ist. Im Folgenden sollen zwei unterschiedlich betriebene Gas-Blockheizkraftwerke vorgestellt werden.

Biogas-Kraftwerk mit hoher Betriebssicherheit
Die Biogas-Anlage Mönninghausen GmbH bei Lippstadt ist ein Beispiel für ein dezentrales Kraftwerk mit integrierter Biogas-Aufbereitungsanlage. Das Gas wird hier durch Vergärung von organischen Abfällen erzeugt. Die installierte elektrische Leistung beträgt bei einem Biogasdurchsatz von 230 m³/h ca. 537 kW. Der Nutzungsgrad der Anlage liegt bei 97%, das entspricht etwa 8500 Betriebsstunden im Jahr.
Die Anlage braucht nur zwei Stunden pro Tag von einem Mitarbeiter betreut zu werden. Ein neu entwickeltes Steuersystem ermöglicht die Anzeige der aktuellen Betriebsparameter und versendet bei Betriebsstörungen oder Wartungsbedarf automatisch Telefon- oder SMS-Meldungen. Auf diese Weise werden die Ausfallzeiten des Kraftwerks auf ein Minimum begrenzt.
Ein weiterer Grund für die hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage liegt darin, dass ca. 70% der erzeugten Wärme direkt vor Ort für die Sterilisierung der organischen Abfälle, die Temperaturhaltung der Methanisierungsanlage sowie die Heizung der Gebäude und der angrenzenden Hühnerställe genutzt werden können. „In der Regel liegt der ‚Return on Investment’ für unsere Kunden zwischen 2 und 4 Jahren“, sagt Michael Siemer, Vertriebsleiter der SEVA Energie AG, die mit der Entwicklung der Anlage betraut wurde.
Eine zentrale Rolle kommt bei dieser Anlage dem Gasentfeuchtungssystem zu. Es besteht aus einer optimierten Kombination eines Wärmetauschers und eines Kühlaggregates. Bei der Gasentfeuchtung wird das Gas auf Temperaturen zwischen 15 und 5°C abgekühlt, wodurch der relative Wasserdampfgehalt steigt und anschließend kondensiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Teil der im Gas enthaltenen Verunreinigungen mit dem Kondensat abgeleitet wird. Durch die Entfeuchtung wird zudem der Motor geschützt, was die Wartungsintervalle verringert und die Lebensdauer der Biogas-Anlage erhöht. Die komplette Entfeuchtungsanlage wurde bei diesem Kraftwerk von der Firma Ciat aus Frankreich geliefert.
„Wir haben vorher mehrere Systeme von verschiedenen Anbietern ausprobiert, aber immer viele Probleme durch Ausfälle gehabt. Dies galt insbesondere für das im Freien aufgestellte Kühlaggregat“, erläutert SEVA-Projektleiter Klaus Vieth. Eine weitere Stärke sieht Vieth in der Lösungskompetenz des Herstellers: „Bei jeder neuen Entwicklung legen wir unserem Kooperationspartner das Anlagenkonzept vor, damit er uns bei der bestmöglichen Auslegung der zu integrierenden Komponenten unterstützt.“

Grubengasaufbereitung im hohen Leistungsbereich
Die Grubengasverdichterstation König Ludwig 4/5 in Recklinghausen zeichnet sich durch ihre hohe Kapazität aus: Bei einem Durchsatz von 2400 m³/h Grubengas liegt die Stromerzeugung bei 20 GWh/a und entspricht damit etwa einem Windpark von sechs großen Windrädern. Deponiegas ist häufig feucht und mit Spaltprozessen aus einem ungesteuerten, unvollständigen Abbauvorgang belastet. Es ist wassergesättigt und enthält Verunreinigungen, wie beispielsweise organische Siliziumverbindungen (Siloxane) und Schwefelwasserstoff, die die Betriebssicherheit der Gasmotoren in einem erheblichen Maße beeinträchtigen können. Darüber hinaus kann der enthaltene Wasserdampf im Rohrleitungssystem auskondensieren. Die Folgen sind Korrosion der Rohrleitungen, Beeinträchtigung der Armaturen und Gasmesseinrichtungen sowie Druckschwankungen im gesamten System.
Neben Korrosion durch Schwefelwasserstoff kann es dabei auch zu irreversiblen Schäden durch Siloxane im Verbrennungsraum des Gasmotors bis hin zum Totalausfall kommen. Deshalb ist die Entfeuchtung des Grubengases für den reibungslosen Betrieb der Anlage von entscheidender Bedeutung.
Im mittleren Container der Gasverdichterstation wird mithilfe von zwei Gasverdichtern das Gas aus der Grube über ein 400 m tiefes Bohrloch angesaugt. Das Gas wird von einem Kühlaggregat auf dem Dach gekühlt, von einem Wärmetauscher entfeuchtet und anschließend an die vier Gasmotoren der angrenzenden KWK-Anlage weitergeleitet. Auch hier sind Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Aggregate des französischen Herstellers von zentraler Bedeutung für die Rentabilität der Anlage. Denn kontinuierlicher Betrieb, ein Höchstmaß an Verfügbarkeit und minimaler Wartungseinsatz (1 Std./Tag) sind Aspekte, unter denen sich die Anlage für den Betreiber rechnet. Dazu erklärt Jochen Beese, Vorstands-Mitglied der Siloxa Engineering AG, der Betreiberin der Grubengas-Anlage: „Da unsere Anlagen für Gasvolumenströme von 100 m³/h bis 4000 m³/h konzipiert sind, sollten auch die Entfeuchtungsanlagen die komplette Leistungsbreite abdecken. Darüber hinaus ist es wichtig, dass sie sich durch eine hohe Energieeffizienz auszeichnen und so die Rentabilität insgesamt erhöhen.“
Doch unabhängig davon, ob in einem BHKW Bio- oder Grubengas verwendet wird, stellt jedes neu geplante Kraftwerk individuelle Rahmenbedingungen. Die Herausforderung liegt für die Hersteller der klimatechnischen Komponenten darin, sich ohne lange Testphasen auf ein neues Projekt einzustellen und dabei optimale Qualität zu liefern.
„Unsere Marktdurchdringung in Deutschland erlaubt es uns, gemeinsam mit allen Beteiligten unsere Produkte kontinuierlich weiter zu entwickeln und so voneinander zu lernen“, erklärt Marc Schaller, Zielgruppenmanager bei Ciat. „Die Wärmetauscher sind z.B. vereinfacht worden, um sie dem individuellen Einsatzbedarf unserer Kunden präzise anzupassen. So haben wir etwa neu entwickelte strukturierte Flächen integriert, die die Wärme-übertragung erhöhen und die Geräte noch kompakter machen, ohne die Reinigungsanforderungen zu beeinflussen.

Bilder: Ciat Kälte- und Klimatechnik

SEVA Energie AG
Die SEVA Energie AG entwickelt hocheffiziente kleine Biogas-Anlagen. Im Jahr 2006 hat das Unternehmen mit seinen 150 Mitarbeitern insgesamt 170 BHKWs mit einer Gesamtleistung von 54 MW produziert und installiert. Die Philosophie besteht darin, Biogas-Anlagen durch das Angebot von hochproduktiven Anlagen rentabel zu machen. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass die
installierten Anlagen im Dauerbetrieb arbeiten, eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und nur geringe menschliche Interventionen erfordern.

Siloxa Engineering AG
Die 1998 gegründete Siloxa Enginee-ring AG aus Essen hat sich auf die Aufbereitung und Verwertung von Biogasen (aus landwirtschaftlichen und industriellen Biogasanlagen, Deponiegas und Klärgas sowie Sondergasen/Grubengas) spezialisiert. Das Unternehmen beschäftigt 22 Mitarbeiter und zeichnet sich durch eine breite Palette an Lösungen zur Reinigung, Sammlung und zum Transport von Gas über große Entfernungen aus.

Ciat Kälte- und Klimatechnik GmbH
Das französische Unternehmen stellt eine große Auswahl an Lösungen für Biogas-Anlagen bereit und ist in Deutschland u.a. mit einem Markt-anteil von ca. 35?% im Bereich der Gasentfeuchtung vertreten. Auf dem Gebiet der Klimatisierung, Heizung und Kühlung beispielsweise für die Biogasaufbereitung hat sich Ciat umfassende Kompetenzen angeeignet und bietet Systeme für vielfältige Anwendungen an.