Blockheizkraftwerke

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Mehr Leistung, weniger Emissionen

Eine Kombination von Abgasturbolader und gekühlter Abgasrückführung bringt eine sensationelle Verbesserung bei stationären Gasmotoren. Der Wirkungsgrad liegt bei 41 % bei gleichzeitig sehr niedrigen Stickoxidemissionen - eine Erfolgsgeschichte an der ETH Zürich.

INHALT
Zürich hat weltweit strengste NOx-Vorschriften
Leistung versus Klopfen
Turbolader bringt Leistung
Weltrekord im Maschinenlabort
Neue Horizonte für die Wärmekraftkopplung
Industriepartner an der Arbeit
Drei Wirkungslinien
Abgasturbolader: Patent Büchi
Schlechter als Gasturbinent
Daten
Emissionsgrenzwerte
Beteiligte

Othmar Humm

Drei Kriterien sind für die Bewertung von BHKW-Antrieben ausschlaggebend: Die Leistungsdichte als Mass für die investitionskosten, der Wirkungsgrad (Betriebskosten) und die Emissionen (gesetzliche Bestimmungen). Erwünscht sind also konstruktive und regelungstechnische Modifikationen, die diese Merkmale des Gesamtsystem Blockheizkraftwerk verbessern. Innerhalb des Gesamtsystems steht der Antrieb, insbesondere der Motor (oder die Turbine) und dessen innermotorischen Eigenschaften im Vordergrund. Dieser konsequente Fokus auf den Kern des BHKW lässt Hoffnungen wachsen, weil davon die grössten Effekte zu erwarten sind. Auf der anderen Seite setzen diese Arbeiten höchste Kompetenz und leistungsfähige Laboreinrichtungen voraus. Am geschichtsträchtigen Maschinenlaboratorium der ETH Zürich ist offenbar beides vorhanden. 

Abbildung 1. Die Wissenschaftler mit ihrer Maschine: Ingenieur Christian Nellen (links) und Professor Konstantinos Boulouchos vom Institut für Energietechnik an der ETH. Foto: Ferenc Hamza.

Zürich hat weltweit strengste NOx-Vorschriften

Von den drei erwähnten Kriterien nehmen die spezifischen Emissionsraten - und unter diesen der Ausstoss an NOx - eine zentrale Stellung ein. Das liegt weniger an der sprichwörtlich largen TA-Luft (BRD) sondern an den Bestimmungen des Kantons und der Stadt Zürich. Diese schreiben für alle Aggregate, die mit fossilen Treibstoffen betrieben werden, NOx-Höchstwerte von 80 mg/Nm3 respektive von 50 mg/Nm3 vor. Ein Gasmotor, der mit einem Ausstoss von typischerweise 30 mg/Nm3 diese Werte erfüllt, hat einen Wirkungsgrad von 35 %. Andere Antriebskonzepte bringen deutlich mehr Leistung auf die Welle, bis zu 45 % des Energieinputs, liegen aber völlig ausserhalb der NOx-Limite für die Stadt respektive für den Kanton Zürich (Dieselmotoren und Gasmotoren im Magerbetrieb und mit Aufladung).

Abbildung 2: NOx-Emissionen in Abhängigkeit der AGR-Rate, jeweils für zwei verschiedene Berechnungsarten und für ein verfügbares Aggregat (MWM). Bei einer AGR-Rate von 25 % werden rund 250 mg/Nm3 NOx emittiert. Dies entspricht dem LRV-Grenzwert für Gasmotoren. Durch den Einsatz eines 3-Weg-Katalysators sinkt der NOx-Ausstoss auf rund 2 mg/Nm3 . Quelle: ETH-LVV

Ganz am Anfang der Geschichte steht ein Diagramm, in dem die NOx-Emissionen in Abhängigkeit des Anteiles der Abgasrückführung (AGR-Rate) aufgetragen sind, und zwar für einen Lambda-1-Motor (Abbildung 2). Das Verhalten von Magermotoren - mit einem λ von typischerweise 1,7 - war diesbezüglich hinreichend bekannt, nämlich die Korrelation von sinkendem NOx-Wert und Abmagerung des Treibstoffgemisches. Das rechnerisch erzeugte Diagramm zeigte bei einer AGR-Rate von 25 % einen NOx-Wert, der demjenigen eines Magermotors entspricht. Rückblickend muss diese Erkenntnis als entscheidendes Signal gewertet werden. Denn dieser Motor lässt sich, weil er strikt stöchiometrisch betrieben wird, mit einem 3-Wege-Katalysator ausrüsten. Und in dieser Gesamtbewertung von Motor und Katalysator fällt der NOx-Wert deutlich unter die Züri-Norm. Für den Magermotor gilt dies nicht; dieser lässt sich zur Reduktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen mit einem Oxidationskatalysator bestücken, aber keinesfalls mit einem 3-Weg-Kat. (Im stöchiometrischen Betrieb wird dem Treibstoff just soviel Verbrennungsluft zugeführt, wie es für eine vollständige Verbrennung braucht, also lediglich die Mindestluftmenge. In diesem Fall ist das Luftverhältnis oder die Luftzahle λ = 1. Lambda ist das Verhältnis zwischen der effektiv zugeführten Luftmenge und der Mindestluftmenge.)

Abbildung 3: Wirkungsgrad und NOx-Emissionen von vier Motorkonzepten.

Bei den Wirkungsgradangaben handelt es sich um "Netto-Werte" der mechanischen Leistung, alle Hilfsbetriebe wie Lader sowie Öl- und Wasserpumpe sind darin eingeschlossen. Der NOx-Ausstoss bezieht sich auf einen Restsauerstoffgehalt (O2) im Abgas von 5 %. Quelle: ETH-LVV

Die ETH-Wissenschaftler liessen einen handelsüblichen Diesel-Industriemotor vom deutschen Hersteller auf Gasbetrieb umbauen. (Tatsächlich sind Gasmotoren in dieser Bauweise und in dieser Leistungsklasse nicht verfügbar.) Am Maschinenlaboratorium wurde die Maschine mit Turbolader, Ladeluftkühler (Wärmetauscher im Zuluftstrom), Abgasrückführung mit Abgaskühler (Wärmetauscher im AGR-Strom) nachgerüstet. Wo immer möglich bauten die Motorenfachleute fixfertige Serienteile ein, um die Entwicklungszeiten zwischen Funktionsmuster und Prototyp zu verkürzen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Führung des Treibstoffes, der Verbrennungsluft und des Abgases beim Swissmotor. Quelle: ETH-LVV

Leistung versus Klopfen

λ -1-Motoren lassen sich nicht ohne weiteres mit einer hohen Aufladung kombinieren, denn dadurch steigen Druck und Temperatur im Brennraum und das fördert die Selbstzündung unverbrannter Treibstoffteile, das sogenannte Klopfen. Die Aufladung, also die Verdichtung der Verbrennungsluft, ist aber zur Leistungssteigerung und zur Wirkungsgradverbesserung des Motors unerlässlich. Andere Massnahmen zur Minderung des Klopfens, beispielsweise die Verschiebung des Zündzeitpunktes, haben ebenfalls eine geringere Leistung (und einen tieferen Wirkungsgrad) zur Folge. Bei dieser Konfiguration stimmt also das Emissionsverhalten, aber die Effizienz und die Leistungsdichte sind ungenügend.

 

Abbildung 5: NOx-Ausstoss in Abhängigkeit des Luftverhältnisses λ für verschiedene Konzepte mit abgemagertem Treibstoffgemisch. Mehrere Konzepte stossen bei einem Lambda von 1,6 und 1,7 in den von der LRV tolerierten Bereich von rund 250 mg/Nm3 vor. Die gerechneten Werte sind bis auf l = 1,8 extrapoliert. Quelle: ETH-LVV

Turbolader bringt Leistung

An diesem Punkt setzen die Arbeiten am Laboratorium für Verbrennungsmotoren und Verbrennungstechnik der ETH Zürich an. Ein Abgasturbolader in Verbindung mit einer gekühlten Abgasrückführung (AGR) löst mehrere Probleme auf einen Schlag:

Abbildung 6: Wirkungsgrad in % und NOx-Emissionen in mg/Nm3 bei 5 % O2 in Abhängigkeit der Leistung in kW. (Die Leistung ist direkt proportional zum Mitteldruck des Motors, der wiederum von der Aufladung abhängt.) Der Basismotor ist mit dem NOx-Wert von 30 mg/Nm3 und dem Wirkungsgrad von 35 % vermerkt. Quelle: ETH-LVV

Weltrekord im Maschinenlabor

Der Erfolg hat selbst das Entwicklungsteam an der ETH überrascht. Von "bis heute unvorstellbar niedrigen Schadstoffraten" und von "einem Weltrekord" ist die Rede. Tatsche ist jedenfalls, dass sowohl der Wirkungsgrad (41,0 %) als auch die Emissionen (Abbildung 3) eine völlig neue Generation von stationären Gasmotoren lancieren. Bei den kritischen Schadstoffen unterschreiten die auf dem Prüfstand der EMPA gemessenen Werte diejenigen von neusten Gasturbinen im 100-MW-Bereich und von Brennern zur Wärmeerzeugung. Die Prozessführung "Aufladung - Abgasrückführung - Lambda-1-Betrieb - 3-Weg-Katalysator" verursacht auch keine höhere mechanische und thermische Belastung der einzelnen Motorbauteile, als sie von der Dieselmotortechnik her bekannt sind. Insofern sind auch bezüglich der Lebensdauer des Motors keine Einschränkungen zu erwarten.

Die Wahl des λ -1-Betriebskonzeptes in Kombination mit der 3-Weg-Katalysator-Technik ist nicht zufällig. In einer Untersuchung [1] des Bundesamtes für Energie wird dessen Zuverlässigkeit für stationäre Gasmotoren belegt. Voraussetzung ist der Einsatz von verbesserten Katalysatoren. Standzeiten von über 25000 Stunden sind deshalb ohne nennenswerte Einbussen an der Konversionsrate üblich. Auch die Lambda-Sonde ist einige Tausend Stunden voll funktionsfähig, sodass sie, wenn überhaupt, einmal pro Jahr ersetzt werden muss. Nach Einschätzung des Projektleiters ist die Abgasrückführung in einem BHKW kaum mit einem apparativen Mehraufwand verbunden, weil die ohnehin installierte Abwärmenutzung als AGR-Kühler verfügbar ist. Die zusätzlich notwendigen Komponenten sind kostenmässig von geringer Bedeutung, meinen die Experten.  

Abbildung 7: Partikel-Ausstoss, jeweils Grösse und Anzahl der Partikel. Im oberen Bereich der Grafik sind zwei Diesel-Maschinen, mit und ohne Partikelfilter, im unteren Bereich der ETH-Gasmotor im stöchiometrischen Betrieb, mit AGR und unter 50 % Last, aufgezeichnet. Der Ausstoss dieser Maschine liegt nahe dem Gehalt an Partikeln in der Luft des Labors. Quelle: ETH-LVV  

Neue Horizonte für die Wärmekraftkopplung

Bezüglich Leistung ist die Technik der gekühlten Abgasrückführung keineswegs empfindlich: Stationäre Motoren mit Leistungen zwischen 10 kW und 10 MW lassen sich damit ausrüsten. Damit eröffnet sich der Wärmekraftkopplung eine neue Dimension. Denn WKK-Anlagen sind typischerweise jährlich einige Tausend Stunden in Betrieb und schlucken bereits im ersten Jahr Treibstoff im Wert der gesamten Anlageinvestition. Bei einer Effizienzsteigerung von geschätzten 6 Prozentpunkten (von 35 % auf 41 %), erhöht sich der Elektrizitätsertrag um eben diese 17 %, was selbst bei wärmegeführten Anlagen praktisch mit einer Ertragsverbesserung in dieser Grössenordnung gleich zu setzen ist. Überall dort, wo WKK-Anlagen knapp unterhalb der Rentabilitätsgrenze liegen, dürfte die neue Technik ein gewichtiges Argument für die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme bringen.  

Industriepartner an der Arbeit

An der industriellen Umsetzung sind zwei Partner beteiligt. Ziel ist ein Transfer der Komponenten - Brennräume, Abgasrückführungssystem und Abgasturbolader - vom Labor-Design in das kommerzielle Umfeld sowie ein grösserer Feldversuch mit einer Nullserie. Noch offen sind insbesondere Fragen der Optimierung, der Regelung sowie der Lebensdauer des Motors respektive der peripheren Komponenten. Nach einem Dauerbetrieb von 1000 Stunden wurde der Motor optisch kontrolliert; es waren keine Anzeichen für Probleme sichtbar.  

Drei Wirkungslinien

In einer vereinfachten Darstellung lassen sich drei Wirkungslinien zeigen:

Abgasturbolader: Patent Büchi

Die Abgase des Motors mit Turboladers strömen bei dieser Bauweise nicht direkt ins Freie, sondern in eine Abgasturbine. Damit wird die Energie im Abgas genutzt; sie ist besonders bei aufgeladenen Motoren erheblich. Die Turbine treibt den auf der gleichen Welle sitzenden Verdichter, der die frische Ladung ansaugt und mit Überdruck in die Zylinder schiebt. Die Kombination von Turbine und Verdichter, der sogenannte Turbolader, geht auf den Schweizer A. Büchi zurück. 1905, vor bald hundert Jahren, meldete Büchi die Konstruktion zum Patent an, doch erst 1925 wurde das Prinzip erstmals in Motoren serienmässig realisiert. Die beiden Viertakt-Dieselmotoren von MAN brachten damals bei sonst gleichen Verhältnissen 40 % mehr Leistung.

Schlechter als Gasturbinen

Heute werden BHKW-Antriebe in der Regel als Ottomotoren mit Fremdzündung und Vormischverbrennung betrieben; die vergleichsweise largen Emissionsgrenzwerte der TA-Luft erfüllen diese Geräte, schneiden aber punkto Schadstoffausstoss schlechter ab als Gasturbinen der gleichen Leistungsklasse. (Gasmotoren in diesem Leistungsbereich weisen aber bessere Wirkungsgrade auf als Gasturbinen.) Um die "Sauberkeit" von Turbinen zu erreichen, müssen Gasmotoren mit einem 3-Wege-Katalysator ausgerüstet sein, was wiederum einen stöchiometrischen Betrieb verlangt. Diese Motoren laufen ohne Aufladung, weil die Verdichtung zu hohen Zuluft- und damit Brennraumtemperaturen führt. Bei diesem Motorkonzept sind Leistungsdichte und NOx-Rate also gegenläufig.

Daten

Motorbezeichnung Liebherr G 926 TI
Zylinderzahl 6
Gesamthubraum 9,96 dm3
Bohrung/ Hub 122 mm/ 142 mm
Verdichtungsverhältnis 12 : 1
Ventilzahe 2
Nenndrehzahl 1500 U/min.
Nennleistung 200 kW (maximal 290 kW)
Mitteldruck 6 bar bis maximal 23 bar

Tabelle 1: Eckdaten des vom ETH-Institut verwendeten Motors. Quelle [2]  

Emissionsgrenzwerte

Vorschrift TA-Luft92
BRD
LRV-97t
Schweiz
Kanton
Zürich
Stadt
Zürich
Stickoxide NOx 500 400/250 400/80 50/50
Kohlenmonoxid CO 650 650/650 650/650 650/650
Nicht-Methan- Kohlenwasserstoffe 150 - / - - / - - / -

Tabelle 2: Emissionsvorschriften in mg/Nm3 bei 5 % O2, jeweils für Biogas, Klärgas/ Erdgas. Quelle [2]  

Quellen

[1] Kühnis, F.; Eicher, H. P.: Langzeit-Betriebsverhalten von Gasmotoren mit Katalysator. BEW-Projekt EF-FOS (89) 003, Schlussbericht 1993.

[2] Nellen, C.; Boulouchos, K.: Aufgeladene Gasmotoren mit AGR und Dreiwege-Katalysator - der Weg zu niedrigsten Emissionen bei hohem Wirkungsgrad und grosser Leistungsdichte. In: MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 1.

Beteiligte

Entwicklung und Funktionsmuster Messungen und Unterstützung Unterstützung Foga Industriepartner
ETH Zürich Institut für Energietechnik
Verbrennungsmotoren und Verbrennungstechnik
Prof. Dr. sc. techn. Konstantinos Boulouchos
Christian Nellen, dipl. Ing. HTL
8092 Zürich
EMPA
Abteilung Feuerung und Verbrennungsmotoren
Thomas Schweizer, dipl. Ing. ETH
8600 Dübendorf
Bundesamt für Energie
Programm Feuerung und Verbrennung
Dr. Alphons Hintermann
Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie
Martin Seifert, dipl. Ing. ETH
8044 Zürich
 
Liebherr Machines Bulle SA
1630 Bulle
Dimag AG
4435 Niederdorf

© Ohmar Humm, Oerlikon Journalisten
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