Biogas- und Deponiegas-BHKW: Gasaufbereitung, Methanzahl und ISO 8528

Auslegung von Biogas- und Deponiegas-Blockheizkraftwerken mit Siloxan-/H2S-Aufbereitung, Methanzahl-Klopfgrenzen, Kraft-Wärme-Kopplung und ISO 8528 COP.

1. Herausforderungen der Gasqualität bei der Umwandlung biogener Energie

Generatorsätze mit Hubkolben-Gasmotoren, die mit anaerobem Biogas, Klärgas oder Deponiegas betrieben werden, unterliegen im Vergleich zu Pipeline-Erdgas erheblichen Schwankungen in der Kraftstoffqualität. Hohe Feuchtigkeit (100% relative Luftfeuchtigkeit am Fermenterauslass), Schwefelwasserstoff (H2S bis 5000 ppm) und flüchtige organische Siliziumverbindungen (Siloxane) verursachen eine schnelle Zersetzung des Schmieröls, Ablagerungen durch abrasive Kieselsäure (SiO2) im Zylinder und Turboladerkorrosion.

2. Methanzahl, Heizwert und Motorleistungsminderung

GascharakteristikErdgas (Pipeline)AgrarbiogasDeponie-/Klärgas
Methangehalt (CH4)90 - 98 Vol%50 - 65 Vol%38 - 52 Vol%
Unterer Heizwert (LHV)36 - 38 MJ/Nm318 - 23 MJ/Nm314 - 18 MJ/Nm3
Methanzahl (MN)70 - 85> 100 (CO2 Klopfhemmer)> 110
Vorbehandlung erforderlichGrundfiltrationEntfeuchtung + Biologisch H2STiefkühlung (+4°C) + Carbonbett
Einschaltdauer (ISO 8528-1)Grundlast / PeakingDauerbetriebsleistung (COP)Dauerbetriebsleistung (COP)

Die vom Gasstrom abgegebene elektrische Leistung wird wie folgt berechnet:

Pe = ηe · V̇gas · LHVgas [kW]

Wo:

  • ηe ist der elektrische Wirkungsgrad des Magergasmotors (40% - 44% für moderne Turboaggregate).
  • V̇gas ist die normalisierte volumetrische Gaszufuhrrate in Nm3/h.
  • LHVgas = (%CH4) / (100) · 35.8 MJ/Nm3.

3. Kraft-Wärme-Kopplung (CHP) Thermische Integration

In Biogas-KWK-Anlagen übersteigt die Gesamtenergieeffizienz 88% durch die Rückgewinnung von zwei primären Wärmeströmen:

1. Hochtemperaturkreislauf: Abgaswärmetauscher erzeugt Warmwasser (90/70°C) oder Niederdruckdampf (180°C) erholt sich ≈ 40% der Brennstoffwärmeenergie.

2. Niedertemperaturkreislauf: Motormantelwasser, Schmierölplattenkühler und Gemischzwischenkühler der ersten Stufe liefern warmes Wasser (60/45°C) zur Beheizung des Faulbehälters.

4. Spezifikationsanforderungen für die Beschaffung von Gasmotoren

  • Gasentfeuchtungskühler (Taupunkt +4°C) und Aktivkohlefilter vor der Motordrossel vorschreiben.
  • Erfordern eine automatisierte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) mit schnellem Sauerstoffsensor (λ = 1.6 - 1.8 Magerverbrennung), um NOx < 250 mg/Nm3 (TA-Luft 2021) aufrechtzuerhalten.
  • Überprüfen Sie die Isolationsklasse H des Generators mit Temperaturanstieg der Klasse F (105 K) für 24/7 kontinuierlichen Grundlastbetrieb.
  • Geben Sie für korrosive Deponiegase korrosionsbeständige Edelstahlrohre und einen vernickelten Gasmischer an.

*Referenz: ISO 8528-1:2018; ISO 3046-1; DVGW Code of Practice G 262; TA-Luft 2021.*