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07.11.2018

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Emissionsverhalten der BHKW beim Flex-Betrieb

50. Biogas Fachtagung Thüringen� 07.11.2018 � Dipl.-Ing. (FH) Volker Aschmann

Emissionsverhalten der BHKW im Flex-Betrieb� 07.11.2018 in Erfurt

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Inhaltsübersicht

Vorstellung 3 – 6

Start-Stopp-Verhalten 13 – 15

Teillastverhalten 16 – 20

Abgasnachbehandlung 21 – 30

Einführung 7 – 12

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IN SIEBEN JAHREN ZUM MARKTFÜHRERIN DER ABGASNACHBEHANDLUNG

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- Wicklung der Metallträger

- Beschichtung des Katalysators

- Anschweißen von Komponenten wie Flanschen und Konen

- Fertigung jeden Katalysators zu 100 % im eigenen Haus

- Arbeit nach zertifiziertem Managementsystem

- Einstellung auf individuelle Anforderungen, da wir keine

Vorlieferanten haben

- Herstellung Ihres Katalysators, damit er am besten zum

Einsatz kommt

- Erfolgreiche Umsetzung zeitkritischer Projekte aufgrund

einzigartiger Fertigungstiefe

Produktion

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� Emission Partner fertigt Katalysatoren mit größter Flexibilität

� Durchmesser variabel von 50 mm bis 1000 mm

� Matrixtiefe variabel von 90 mm bis 180 mm

90 mm 120 mm 150 mm 180 mm

50 mm 1000 mm

ProduktionVariabler Katalysatordurchmesser

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- Drei-Wege-Katalysatoren:

Einsatz bei Motoren mit einem Lambda-Wert von 1. Es werden Kohlenstoffmonoxid und

Kohlenwasserstoffe oxidiert und dabei Stickoxide reduziert.

- Oxidationskatalysatoren:

Einsatz bei mager betriebenen Motoren und hinter Gasturbinen. Sie dienen nur der

Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen. (Formaldehyd)

- SCR Katalysatoren:

Einsatz bei mager betriebenen Motoren (Gas/Diesel) und Gasturbinen.

Eindüsung von Harnstoff als Reduktionsmittel. Reduzierung von

Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide.

Die Endprodukte sind Wasser, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff.

Beste KatalysatortechnologieProduktpalette

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Einführung

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0

20

40

60

80

100

120

140

WasserstoffMethan

PropanButan

Biogas

Methanzahl

verändert nach JENBACHER 2002

Brenngaseigenschaften: Hauptbestandteile: CH4 (Energieträger)+ CO2 (Löschmittel)

Nebenbestandteile: H2S, H2O, O2, H2, NH3

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9

0

10

20

30

40

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

lam

inar

e F

lam

men

gesc

hwin

digk

eit

[cm

*s-1

]

Lambda

CH4

65%CH4 + 35%CO2

40%CH4 + 60%CO2

Limit

verändert nach Elsenbruch 2016

Brenngaseigenschaften: Laminare Flammgeschwindigkeit

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Magerbetrieb1,0 Lambda-Wert ansteigend

NO

x, C

O, C

nH

mK

onze

ntra

tion

im A

bgas NOx CO CnHm

gering

hoch

stöchiometrisch

verändert nach JENBACHER 2002

Brenngaseigenschaften: Einfluss des Luftüberschusses auf die Abgasemissionen

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526 kWel.

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

NO

x, C

O u

nd C

nH

m[m

g*m

-3]

0

27,5

30,0

32,5

35,0

37,5

40,0

42,5

45,0

el. W

irkun

gsgr

ad [%

]

NOx CO CnHm el. Wirkungsgrad

NOx-Grenzwert

980

834

1185

leistungsoptimiert

38,8

37,6

488

802

1375

NOx optimiert

Motoreinstellung

Quelle: Aschmann/LfL

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Quelle: Kissel/LfL

Flexibilisierung: Auswirkung einer Überbauung auf den Anlagenbetrieb

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Start-Stopp-Verhalten

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0

50

100

150

200

250

300

350

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

elek

tris

che

Leis

tung

Abg

asko

nzen

trat

ion

Uhrzeit

CO [5 % O2]

NOx [5 % O2]

THC [ohne 5 % O2]

kW

kWmg m⁻3

Quelle: Tappen/LfL

Start-Stopp-VerhaltenAbgasemissionen beim Stoppvorgang

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Foto: Tappen/LfL

Katalysator durchgebrannt aufgrund erhöhtem Methanschlupf

Oxidationskatalysator (Oxi-Kat)Durchbrand durch unsachgemäße Handhabung

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Teillastverhalten

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Probleme des Teillastbetriebes:

Ein geringerer Energiegehalt im Brennraum führt zu:

� niedrigeren Verbrennungstemperaturen und damit zu

� niedrigeren NOx-Konzentrationen (positiv)

� höheren CO-Konzentrationen

� geringerer Kolbenausdehnung

=> damit zu höherem Methanschlupf (klimawirksam)

=> und zu vermindertem elektrischen Wirkungsgraden

Teillastverhalten

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

011

:00

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:00

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:00

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:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

El.

Wirk

ungs

grad

BH

KW

203

kW

[%]

El.

Leis

tung

BH

KW

203

kW

[kW

]

28. September 2017

Elektrische Leistung

Elektrischer Wirkungsgrad

60 % Last

70 % Last

80 % Last

70 % Last

TeillastverhaltenAuswirkungen auf Abgasemissionen und Wirkungsgrad

Quelle: Tappen/LfL

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19

29,1

27,0

24,7

33,7

31,3

27,4

42,1

39,9

37,138,337,2

35,6

41,3 40,4

37,3

23,0

28,0

33,0

38,0

43,0

100% 80% 60%

elek

tris

cher

Wirk

ungs

grad

Leistung

75 kW GO 203 kW GO 250 kW GO 360 kW GO 265 kW ZS

TeillastverhaltenVerlust des elektrischen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb

Quelle: Aschmann/LfL

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Annahme: 5000 m3 CH4/ha; 1800 €/ha Mais => 36 ct/m3 CH4

12,40

+0,97

+2,23

10,71

+0,82

+2,46

8,58

+0,47+1,159,44

+0,28+0,71

8,74+0,20

+0,92

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

100% 80% 60%

Sub

stra

tkos

ten

Leistung

75 kW GO 203 kW GO 250 kW GO 360 kW GO 265 kW ZSct/kWh

TeillastverhaltenKosten durch Substratmehrbedarf

Quelle: Aschmann/LfL

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Abgasnachbehandlung

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Gasförmige Brennstoffe

CO(g/Nm³)

NOx(g/Nm³)

HCHO(mg/Nm³)

HC, tot. C (g/Nm³)

NH31)

(mg/Nm³)SOx

(g/Nm³)Staub

(mg/Nm³)

Erdgas 0,25 0,25 0,10 30 20 1,3 30 0,09 -

Biogas 0,50 0,50 0,12) 30 20 1,33) 30 0,09 5

Klärgas 0,50 0,50 0,50 30 20 1,3 30 0,09 5

Deponiegas 0,65 0,50 0,50 6040

(12/24)- 30 0,31 5

Gültig ab 4) 12/18 12/18 01/25 12/18 01/20 01/25 12/18 12/18 12/18

MCP Richtlinie in Deutschland (44. BImSchV),Verabschiedung im Bundestag, 30.08.2018

- Anwendbar für Motorkraftwerke zwischen 1 und 50 MW- Abgasgrenzwerte für Altanlagen gültig ab 01/2029- Bezugssauerstoff 5 %, trockenes Abgas- Bestandsanlage: bis Inbetriebnahme vor dem 20.12.2018

1) Nur gültig mit SCR-Katalysator2) Biogas: Neuanlagen ab 01/2023, bis dahin 0,50 g NOx/Nm³3) Biogas: Neuanlagen ab 01/20234) Abgasgrenzwerte gültig für Neuanlagen

Interpretationsstand: Emission Partner, Oktober.2018

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AbgasnachbehandlungOxidationskatalysator (Oxi-Kat)

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0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

vor Oxi-Kat nach Oxi-Kat

526 kWel.

NO

x, C

O, C

nH

m, C

H2O

[mg*

m-3

]

NOx-Grenzwert

HCHO-Grenzwert

CO-Grenzwert alt

485

76

1621

7

CnHm

454

1042

1688

92

NOx CO HCHO

CO-Grenzwert neu

CnHm-Grenzwert neu

Oxidationskatalysator (Oxi-Kat)Veränderung der Abgasemissionen

Quelle: Aschmann/LfL

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TCG 2016 V12 3000 h Alterung

EP-AL 837

S.V. 98.800 h-1

� Erwartete Konvertierung per

Applikationsrechner: 79,5 %

Durchschnittliche Konvertierung:85,6 % nach 3.000 Bh

Alterungsdaten aus dem Feld an 8 gleichen MotorenEinfluss der Formaldehydrohemission

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Prinzip: thermische Oxidation von CO, HC -> CO2 + H2O

Vorteil: - Verringerung von CO, CnHm und Formaldehyd

Nachteil: - technisch aufwändig und kostenintensiv- weiterer Brennstoff nötig (ca. 2 % des produzierten Biogases)- keine Verringerung von NOx

Thermische Nachverbrennung

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Foto: Tappen/LfL

Thermische Nachverbrennung

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CO-Grenzwert neu

509

605

763

81

515

50

200

400

600

800

1000

vor CLAIR nach CLAIR

NO

x, C

O u

nd C

nH

m[m

g·m

-3]

NOx CO CnHm

NOx-Grenzwert

CO-Grenzwert alt

Thermische NachverbrennungVeränderung der Abgasemissionen

Quelle: Aschmann/LfL

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Selective Catalytic Reduction (SCR-Kat)SCR-Systeme

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Schalldämpfer-SCR-Einheit – Dosiersystem

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