Gasmotoren emittieren hohe Konzentrationen von Methan und Formaldehyd. Insbesondere bei Deponie, Klär- und Biogasen ist eine katalytische Abgasreinigung nicht zielführend, da der Katalysator schnell deaktiviert. Zudem sind damit die aktuellen, als auch die zukünftigen Emissionsgrenzwerte nur schwer einzuhalten.
Der Methan-Schlupf des Gasmotors ist wegen des erhöhten GWP von 28 besonders klimawirksam. Dieser Effekt kann Motor-Blockheizkraftwerke (BHKW) mit biogenen Gasen zu effektiven CO2-Emittenten machen, beziehungsweise zumindest deren Klimaschutzeffekt konterkarieren. Die Formaldehyd-Emissionen aus Gasmotoren sind krebserregend und führen zu akuten Gesundheitsgefahren. Unter Gesichtspunkten der Vorsorge und strenger werdenden Grenzwerten ist es unabdingbar, diese Emissionen zu senken, da sonst mittelfristig zahlreiche Anlagen stillgelegt werden.
Ziel des Vorhabens ist es, für diese Problemstellungen ein kompaktes und kostengünstiges Nachverbrennungssystem (TNV) zu entwickeln. Hierfür wird eine Rekuperator-Technik eingesetzt, die sich durch eine effiziente Nutzung der entstehenden Abgaswärme auszeichnet.
Im Rahmen des Projekts soll die neue Technik auf die Anforderungen der motorischen Nachverbrennung hin entwickelt und erprobt werden. Das Ziel ist es, die Emissionen deutlich unterhalb aktueller Grenzwerte zu bringen und die TNV autotherm zu betreiben. Dadurch können im Jahr hunderte Tonnen CO2-Equivalente eingespart werden, die sonst in Form von Methan emittiert würden.
In der ersten von zwei Phasen erfolgen die Entwicklung, der Bau und die Erprobung der Prototypenanlage im Technikum. Dazu gehören die Bestimmung der autothermen Betriebspunkte (Betrieb ohne zusätzliches Stützgas) sowie der Nachweis der Emissionsminderung. Die Erkenntnisse aus den Versuchen sollen dann für den Betrieb und die Untersuchung der neuentwickelten TNV an einem Deponiegas-Motor herangezogen werden, um diesen optimal zu betreiben.
In diesen Feldversuchen wird die TNV auf dem Dach eines Deponiegas-BHKW installiert, wofür der Projektpartner den geeigneten Zugang und die Adaptierbarkeit schafft. Im ersten Schritt wird die Anlage in Betrieb genommen und regelungstechnisch optimiert, um in den folgenden Monaten geeignete Betriebszustände zu ermitteln, Emissionsmessungen durchzuführen und Betriebseffekte zu analysieren. Abschließend erfolgt die Bewertung der Daten mit deren Hilfe die TNV dann auf verschiedene Größen skaliert und Maßnahmen für bauraum- und prozesstechnische Optimierungen erarbeitet werden können.
Zusammenfassend lassen sich die Ergebnisse der Untersuchung als positiv bewerten. Die Arbeiten der ersten Projektphase zeigten, dass eine erfolgreiche Emissionsminderung weit unter die gesetzlichen Grenzwerte für Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, sogar unter Verwendung von kalter Luft mit Erdgas als Substitutionsgas, möglich ist.
Die Effizienz des verwendeten Wärmetauschers ist zudem nach Hochrechnung ausreichend, um sehr nahe an den autothermen Betrieb der Anlage ohne zusätzliches Stützgas heranzukommen. Die Systemdruckverluste sind zudem weit unter den geforderten 50 mbar des Gasmotorenherstellers, sodass ein reibungsloser Betrieb des Gasmotors gewährleistet ist.
Hinsichtlich der Anlagenregelung gab es Restriktionen bei der Zugabe des Stützgases im gewählten Taktbetrieb unter Verwendung eines Pulsweitenmodulations-Reglers. Folgeprojekte sollten daher mit stetig geregelten Magnetventilen ausgeführt sein, um Materialverschleiß und die Homogenität der Verbrennung weiter zu verbessern.
Im praxisnahen Test in der zweiten Projektphase konnten die Ergebnisse weiterverwendet werden. Innerhalb von 4 Monaten Feldtest konnten messbare, aber moderate Druckverlusterhöhungen durch Fouling im Wärmetauscher der TNV festgestellt werden.
Der Stützgasbedarf war bei niedrigen Brennkammertemperaturen nahe des autothermen Betriebspunktes. Das Ziel die Anlage ohne Stützgas zu betreiben, wurde jedoch knapp verfehlt. Zukünftige Optimierungen lassen dieses Ziel aber wieder in erreichbare Nähe rücken.
Ein vollständiger Ausbrand weit unter die Grenzwerte der 44.BImschV sind mit der entwickelten Technik sehr gut erreichbar. Dies bewirkt bei der Anlagengröße eine Jahresminderung an CO2-eq von ca. 900 to.
Bezogen auf die Investitionskosten besteht bis zu einer Leistungsklasse von 200 kWel ein erheblicher Kostenvorteil gegenüber Anlagen zur regenerativen thermischen Oxidation der Abgase (RTO-Technik), wobei nur wenige RTO-Anlagen in diesem Leistungsklassenbereich überhaupt auf dem Markt vorhanden sind.
Neben dem Abschlussbericht sind weitere Verbreitungswege geplant, die im Folgenden beschrieben werden.
Artikel in der Zeitschrift BWK (Brennstoff Wärme Kraft):
In dieser Zeitschrift wurde bereits über die Klimawirkung von BHKW durch Schlupf und Vorkettenemissionen berichtet, deshalb sehen wir hier eine gute Möglichkeit, ein breiteres Publikum auch aus dem Bereich Contracting und Stadtwerke zu informieren.
Konferenzbeitrag:
Es sind Vorträge auf der Dessauer Gasmotorentagung und einer Biogaskonferenz geplant.
Vertriebsaktivitäten:
Es ist angestrebt weiterführende Projekte anzugehen, um eine Anlage im Dauerbetrieb zu testen. Hierzu werden Kooperationen mit Betreibern, Motorenherstellern und Integratoren angestrebt. E-flox ist z.B. mit Anbietern im Gespräch, die Abhitzekessel und SCR Anlagen für BHKW anbietet. Die TNV könnte hier eine sinnvolle Ergänzung für ein lukratives Rundum-Paket sein.
Zukünftig sollte vor allem die TNV-Anlage bei größeren Volumenströmen untersucht, die Effizienzen des Hochtemperatur-Wärmetauschers optimiert und die Partikelverschmutzung reduziert werden, um das Produkt auch bei langen Feldversuchen betreiben zu können. Zudem sollte geprüft werden, inwiefern die Reinigung des Wärmetauschers möglich ist, um einen möglichst langen Betrieb des Hochtemperatur-Wärmetauschers und der TNV zu gewährleisten.