Wirkungsgrade von BHKW

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DWA – Energietage Kassel 2011
Wirkungsgrade von BHKW – Kritische Anmerkungen aus
Sicht eines Betreibers von Kläranlagen
Dipl.-Ing. Christian Schnatmann
Kronprinzenstr. 37
45137 Essen
Tel. 0201 173-2410
Fax 0201 173-2445
[email protected]
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Vorstellung
•
Ruhrverband
–
Wasserwirtschaft im Einzugsgebiet d. Ruhr
–
72 KA, 110 PW, > 500 NWBA, 13 Talsperren/Stauseen
–
34 KA mit Faulgasanlage, davon 26 (28) mit BHKW
–
Faulgasanlagen „vielfältig“ – Aufbau, Funktion, Gasspeicher
–
BHKW von 50 bzw. 30 kW – 2,5 MW
•
Zentralabteilung M zuständig für Maschinen- und Elektrotechnik
(Bau, Betrieb, prüfpflichtige Anlagen) bis 2010
•
Seit 2011 Abteilung für Instandhaltungsmanagement Maschinenund Elektrotechnik - IME
•
Obmann DWA KA 11/Sprecher KA 11.2 (M 212 und M 275) und
Gast AK 8.2 (M 376)
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Gliederung
•
„Definition“ der verschiedenen Wirkungs- und
Nutzungsgrade
•
Historische Entwicklung
•
Messung der Wirkungsgrade
•
Wirkungsgrad im realen Betrieb
•
Auslegung eines KA-BHKW
•
Nutzungsgradoptimierung
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Definition der Wirkungsgrade
Pab
= ---------Pzu
[Broschüre ASUE]
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Definition der Wirkungsgrade
Definition nach DIN 6280-14:
Elektrischer Wirkungsgrad
Thermischer Wirkungsgrad
Gesamtwirkungsgrad
ges
Pel / Pzu
el
th
el
Pel
wirk
/ V * Hu
Q th / V * Hu
th
Gesamtnutzungsgrad (Jahr) = Qth-nutz + Wel-nutz / Qzu
Faulgas-/Biogas – „Nutzungsgrad“ = VNutzung / VAnfall
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Historische Entwicklung
elektrische Wirkungsgrade BHKW (Biogas)
39,0
Max
38,0
Median < 100 kW el
Min
37,0
Max
Median 100 - 200 kW el
Min
36,0
Max
Median 200 - 400 kW el
35,0
Min
34,0
33,0
32,0
–
Wirkungsgrad steigt mit
Motorgröße
–
Bei kleineren/mittleren
Motorengrößen pro Dekade ca.
1,5 – 2 % Steigerungsrate
–
Bandbreite nimmt in jüngerer
Vergangenheit ab?!
31,0
30,0
< 100 kW el
November 2011
100 - 200 kW el
2005 - 2010
2000 - 2005
1995 - 2000
1990 - 1995
2005 - 2010
2000 - 2005
1995 - 2000
1990 - 1995
2005 - 2010
2000 - 2005
1995 - 2000
29,0
200 - 400 kW el
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1990 - 1995
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Messung der Wirkungsgrade
• (DIN) ISO 3046ff – Hubkolbenverbrennungsmotoren Anforderungen
- Teil 1: Angaben über Leistung, Kraftstoff- und
Schmierölverbrauch und Prüfverfahren
- Teil 3: Messungen bei Prüfungen
- Ergänzende Festlegungen in DIN 6271 zu DIN
ISO 3046 Teil 1 - Leistungstoleranzen
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Messung der Wirkungsgrade
• Zulässige Toleranzen bei den Messungen auf einem
Prüfstand nach (DIN) ISO 3046
- Bremsmoment ± 2%
- Bremsleistung ± 3%
- (spezifischer) Kraftstoffverbrauch ± 3%
• Innerhalb der Toleranzen wären bei einem
angegebenen elektrischen Wirkungsgrad von z.B.
35% auch nur 32,9% real zulässig!
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
– In (DIN) ISO 3064 gibt es keine
Vorgaben zu den Brennstoffeigenschaften und der
Abgaszusammensetzung
– Ohne genaue Vorgaben kann
der Motor wirkungsgradoptimiert geprüft werden –
dieser Wert kann unter
Einhaltung üblicher Grenzwerte
für das Abgas später nicht mehr
erreicht werden
[MWM-Info 1993]
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
• Abweichungen vom Prüfstandslauf z.B. durch
– Normvolumenstrom
Betriebsvolumenstrom
– Realgas - hat nicht die Brenngaseigenschaften wie
das Gas beim Prüfstandslauf (i.d.R. Erdgas ggf. mit
CO2-Zumischung)
– Bedingungen am Aufstellungsort weichen vom
normierten Prüfstand ab (Höhe, Messgeräte-Anzahl
und Qualität..)
– Verschleiß und Ablagerungen führen zu Wirkungsgradeinbußen, die ggf. maßgeblicher sind, als der
Abstand „auf dem Papier“ bei Neumotoren
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
•
•
Problem Gasdurchflussmessungen
–
Untersuchung ergab vor mehreren Jahren bei „guten“ Messungen noch
Abweichungen von rund 10% zum tatsächlichen Normvolumenstrom
–
Einbaulage und Ort mitentscheidend für Messgenauigkeit – Vor-/
Nachlaufstrecken beachten; im (vorhandenen) Gasmessraum bzw.
Gasregelstrecke BHKW häufig nicht realisierbar
–
Gasanfallmessung ist i.d.R. sensibler als Verbrauchsmessungen
(Gasverunreinigungen/Kondensatentfernung), aber der Zustand des
Gases eindeutiger (wasserdampfgesättigt, Temperatur)
–
Umrechnung/Justierung von Betriebskubikmeter auf Normkubikmeter
–
Aktuelle Technik vielfältiger und genauer (aber nicht genau!)
ATV-DVWK M 264 „Messung des Durchflusses von Biogas…“ wird derzeit
aktualisiert und um Bereich Luftmengenmessung erweitert (Bedeutung für
Energieoptimierung)
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
– Nachweis des Wirkungsgrads Vor-Ort meist mit
mehr oder weniger genau
anzeigenden
Durchflussmessungen
– Eine korrekte Nachprüfung
ist somit praktisch nicht
möglich
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
•
Klare Festlegungen in der Ausschreibung notwendig (siehe auch
Hinweise in DIN 6280 bzw. ISO 3046)
– Festlegung der Norm für Angaben des Motorenherstellers
– Angaben zum Biogas (Heizwert, Gasanalysen, mögliche
Änderungen/Bandbreite..)
– Angaben zum Aufstellungsort/Einbausituation
– Viele, relevante Angaben im Leistungsverzeichnis abfragen –
Leistungsangaben auch bezogen auf Erdgas, da (nur) diese
auf dem Prüfstand nachvollzogen werden können
– Randbedingungen eines (möglichen) Prüfstandlaufs
(Gaszusammensetzung (?), Einhaltung von
Abgasgrenzwerten…) vorgeben
– Vorgaben/Abstimmung bzgl. Nachprüfung der
Leistungsangaben Vor-Ort
– …......
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Wirkungsgrad im realen Betrieb
Ablagerungen/Verschleiß im Zylinder/-kopf eines BHKW durch Siloxane
– was bleibt in diesem Fall vom ursprünglichen Wirkungsgrad über?
=> Instandhaltung hat im Betrieb maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad
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Auslegung eines KA-BHKW
•
Auslegung der BHKW-Anlage bei der Faulgasnutzung wichtiger
als der Wirkungsgrad!?
– Gleichbleibender Gasanfall ist nicht realisierbar – Tages-,
Wochen- und Jahresschwankungen unvermeidbar
– Wie wird der maßgebliche Gasanfall definiert – Mittelwert
(von was), Maximalwert, x-Perzentilwert…?
– Ändern sich zukünftig ggf. oder bereits absehbar die
Randbedingungen (Gasanfall, -zusammensetzung,
Schwankungen…)
– Wie wähle ich die Motorengröße (Reserveleistung) und
eine mögliche Leistungsaufteilung
– Wie groß wird der Gasspeicher ausgelegt um eine
optimale(?) bzw. wirtschaftliche Anlage zu erhalten
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Auslegung eines KA-BHKW
Beispiel I: Bandbreite Faulgasanfall
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•
KA- und
Faulbehälterbetrieb
hängen mit Faulgasanfall
eng zusammen
•
Ideale (gleichmäßige)
Faulbehälterbeschickung
nur bedingt möglich
•
Bei üblicherweise
schwankendem
Schlammanfall kann der
Gasanfall nur bedingt
vergleichmäßigt werden
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Auslegung eines KA-BHKW
Beispiel II: Bandbreite Faulgasanfall
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•
Über einen längeren
Zeitraum spielen
witterungsbedingte
Einflüsse eine z.T. große
Rolle
•
Kampagnen/Urlaubszeiten
etc. haben ebenfalls einen
Einfluss
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Auslegung eines KA-BHKW
KA Lennestadt - Energiebilanz 2001/2002
Heizungtheor. BHKW-Wärme RestwärmeKlärgasanfall Verbrauch Heizung - bei 85% -Gasnutzung nutzung in Differenz Wärmeerzeugung Heizölbedarf
in m³
in m³
kWh
in kWh
kWh
Verbrauch in kWh
in l
2001
25795
23368
134600
81388
22287
30924
2917
18075
17323
99780
57030
15617
27133
2560
27047
24754
142583
85339
23369
33876
3196
32089
27793
160088
101247
27725
31116
2935
39177
29913
172299
123611
33849
14839
1400
35798
26263
151275
112950
30929
7396
698
34345
27854
160439
108365
29674
22400
2113
36716
25987
149685
115846
31723
2116
200
26934
21050
121248
84982
23271
12995
1226
34410
26811
154431
108570
29730
16131
1522
30398
25433
146494
95912
26264
24318
2294
28017
24470
140947
88399
24207
28341
2674
Summe
368801
301019 1733869
1163641
318644
251584
23734
Gesamtpreis in € bei 55 cent/l
13054
2002
28417
25154
Summe
26830
32987
32206
35309
30612
27115
30230
29184
21275
31693
325858
23999
26665
25464
25536
21964
19652
21791
23375
18275
25993
257868
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144887
0
138234
153590
146673
147087
126513
113196
125516
134640
105264
149720
1485320
89661
0
84654
104081
101616
111407
96587
85553
95382
92081
67127
99998
1028147
24552
0
23181
28501
27826
30507
26449
23427
26119
25215
18382
27383
281541
30673
0
30399
21009
17230
5173
3477
4215
4016
17344
19756
22339
175631
Gesamtpreis in € bei 55 cent/l
2894
0
2868
1982
1625
488
328
398
379
1636
1864
2107
16569
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Auslegung eines KA-BHKW
Sensitivitätsanalyse BHKWSchlittenbachtal
Investitionskosten
40000
30000
Strompreis
20000
Instandhaltung
10000
0
Zinssatz
-10000
30%
-30%
Faulgasanfall
Veränderung in %
Faulgasanfall und Stromkosten maßgebliche Einflussfaktoren!
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Gewinn in €
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(Gesamt-) Nutzungsgradoptimierung
•
Problem des Betriebs eines BHKW zwischen
wirkungsgradoptimiert und Dauerlauf
– Bei üblicher Bandbreite des Faulgasanfalls führt der
wirkungsgradoptimierte Betrieb zwangläufig zu einem
erheblichen Anstieg der Starts – Anstieg des Verschleißes
ist die Folge
– Angestrebter Dauerbetrieb bedingt auch den Betrieb bei
vermindertem elektrischem Wirkungsgrad – welcher
Teillastbetrieb ist noch akzeptabel?
Es gibt derzeit keine nachweisbar „richtige“ Strategie
Dauerbetrieb mittels Regelung bis zu ca. 65% Nennlast anstreben (RV)
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(Gesamt-) Nutzungsgradoptimierung
Optimierte
Faulbehälterbeschickung und
enggestufte, schnell
reagierende
Leistungsanpassung
ermöglicht nahezu
Dauerbetrieb –
selbst bei kleinem
Gasspeichervolumen
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(Gesamt-) Nutzungsgradoptimierung
•
Problem Überschuss in der wärmeren Jahreszeit – Defizit im
Winter bzw. starre Vorgabe FB-Temperatur
– Nutzung zeitweiser Überschusswärme durch den großen
Wärmepuffer FB
– Bei längerem Ausfall des BHKW Freigabe zur Nutzung
des Faulgases im Heizkessel vorsehen, wenn Maximum
des Gasspeicherfüllstands erreicht ist
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(Gesamt-) Nutzungsgradoptimierung
Optimierungspotential Wärmenutzung:
•
Defizit mindern durch Nutzung weiterer Wärmequellen
•
Weitergehende Nutzung Überschusswärme durch „Latent-Wärmespeicher“
oder Wärmeverbund
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Zusammenfassung
•
Es gibt verschiedene Wirkungs- und Nutzungsgrade, deren Definition,
Ermittlung und Bedeutung sehr unterschiedlich sind (Motoren-spezifisch
bzw. Anlagenrelevant)
•
Die Definition und Ermittlung der Wirkungsgrade beinhaltet maßgebliche
Toleranzen bereits im Neuzustand/beim Prüfstandslauf
•
Der Wirkungsgrad im Neuzustand auf dem Prüfstand lässt sich in der
realen Einbausituation kaum mehr nachweisen, da viele Randbedingungen
maßgeblichen Einfluss haben (Realgas, Gasdurchflussmessungen, Norm/Betriebskubikmeter, Aufstellung der Anlage…)
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Zusammenfassung
•
Veränderungen im Betrieb eines Motors z.B. durch Gasbestandteile
(Siloxane..), Verschleiß und Wartungszustand etc. haben eine so hohe
Bedeutung für den Wirkungsgrad, dass sie besonders beachtet werden
müssen
•
Der Nutzungsgrad eines Faulgas-BHKW hängt primär von einer
geeigneten Auslegung der Anlage ab und erst sekundär vom
Motorwirkungsgrad – unter der Voraussetzung einer guten
Instandhaltung
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