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Die neuen Stickoxidgrenzwerte kosten richtig Geld.

Es viel schnell auf: Nach dem Einbau einer Softwarelösung, um die Grenzwerte für Stickoxide zu reduzieren, verbrauchte die Biogasanlage über eine Tonne mehr Maissilage. Bei 500 kW macht das schnell über 14.000 € Mehrausgaben pro Jahr aus. Unsere ersten Erfahrungen aus der Praxis und Untersuchungen zeigen, dass der Biogasanlagenbetreiber das saubere Abgas durch einen geringeren elektrischen Wirkungsgrad und damit einem höheren Substratverbrauch erkauft. Was ist die Ursache und welche Lösungsstrategien gibt es?

Bestandsanlagen haben noch bis 2029 Zeit ihre BHKWs an die verschärften Grenzwerte für Stickoxid, Kohlenwasserstoffe (Methanschlupf), Ammoniak und Kohlenmonoxid anzupassen. Sie müssen lediglich die Einhaltung von 500 mg/m³ NOx dokumentieren, wenn sie über 300 Stunden im Jahr betrieben werden.
Neuanlagen oder Anlagen, die Ihren Gasmotor gegen einen Neuen austauschen, müssen diese Grenzwerte von 100 mg/m³ NOx bis spätestens 2023 einhalten.
Zur Zeit wird häufig eine Softwarelösung inklusive Dokumentation der Messwerte angeboten. Eine technische Lösung mittel Katalysator oder thermischen Nachverbrennung hat zur Zeit scheinbar noch keine Praxisreife.

Wie funktioniert die Softwarelösung?

Für die Verbrennung von Biogas ist Sauerstoff notwendig. Den höchsten Wirkungsgrad haben Gasmotoren wenn genau soviel Sauerstoff zugeführt wird, wie für die Verbrennung notwendig ist. Das Maß für diese Luftzufuhr wird als Lambda angegeben, auch Luftüberschusszahl genannt. Ist das Verhältnis 1 zu 1 ist Lambda gleich 1. Der Nachteil: In diesem Bereich ist dann aber der Gehalt der Luftschadstoffe am höchsten.
Wird weniger Luft dosiert wird das Gemisch fetter, wird mehr Luft dosiert wird das Gemisch magerer. Um die bisherigen Schadstoffgrenzen einzuhalten, fahren die Gasmotoren im mageren Bereich, also mit deutlichem Luftüberschuss.

Zusammenhang zwischen Luftüberschuss und Schadstoffe im Abgas (GE-Jenbacher 2004)

Um die zukünftigen NOx-Werte von unter 500 mg/Nm³ wird dann das Gemisch noch magerer gefahren. Der Nachteil: Der elektrische Wirkungsgrad nimmt ebenfalls ab:

Zusammenhang zwischen Lambda und Wirkungsgrad (Aschmann 2018)

Warum wird der elektrische Wirkungsgrad schlechter?

Für einen hohen elektrischen Wirkungsgrad ist es notwendig, dass die Methanmoleküle alle möglichst zur gleichen Zeit im Kolben verbrennen. Dazu müssen sie sehr eng nebeneinanderliegen. Durch den höheren Luftanteil wird das Gas jedoch verdünnt und die Methanmoleküle liegen weiter von einander entfernt. Dadurch ist die Verbrennung nicht mehr so explosiv und es entsteht weniger Bewegungsenergie, dafür aber mehr Wärme.

Die Lösung – Der SCR Katalysator

Dieser Katalysatortyp reduziert mit Hilfe von Harnstoff (AdBlue) die Stickoxide selektiv katalytisch (selective catalytische reduction). Aus den Stickoxiden wird Wasser und elementarer gasförmiger Stickstoff.
Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Motor in einer verbrauchsoptimierten Fahrweise betrieben werden kann, dass heißt der Biogasmotor fährt mit einem fetteren Gemisch. Der Wirkungsgrad steigt und dementsprechend wird der Gasverbrauch geringer und die zu fütternden Substratmengen weniger. Einsparungen zwischen 3 bis 8% sollen möglich sein. Das würde bei 500 kW Biogasanlagen zwischen 0,8 und 2,2 t Maissilage pro Tag bedeuten.

Was kann noch getan werden?

In Biogasgasmotoren entsteht überwiegend thermisches NOx, dass heißt der in der Verbrennungsluft enthaltene Stickstoff wird umgesetzt. Es gilt dabei je höher die Abgastemperatur, umso mehr Stickoxide werden gebildet.
Deshalb ist es wichtig den Eintrag von Stickstoff und hohe Verbrennungstemperaturen zu vermeiden. Dies lässt sich einfach durch den Einsatz von Eisenhydroxid zur Entschwefelung, anstelle der biologischen Entschwefelung im Fermenter, erreichen. Dadurch gelangt weniger Stickstoff in den Motor und der elektrische Wirkungsgrad wird besser, es entsteht weniger Wärme.
Zusätzlich können noch abgasoptimierte Zylinderköpfe und Zündkerzen verbaut werden, das kann ausreichen um die 500 mg/m³ Grenze bis 2029 für Bestandanlagen einzuhalten, für die 100 mg/m³ Grenze wird es nur eine technische Lösung geben.

Literaturverzeichnis

Aschmann, Volker (2018): Emissionsverhalten der BHKW beim Flexbetrieb. 50. Biogas Fachtagung Thüringen.
GE Energy-Genbacher Gasmotoren GmbH & Co OHG (2004): Handbuch zur Nutzung von Bio-, Klär- und Deponiegasen in GE Jenbacher Gasmotoren. Unternehmensprospekt.

P.S. Bei Fragen oder Hinweisen, benutzen Sie einfach die Kommentarfunktion.

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