Biogas-Kraft-Wärme-Koppelung mit Ottomotoren 1

Seit Oktober 2009 ist ein neuer Ottomotor als Grundlast-Motor der Biogasanlage Löningen im Einsatz. Die Anlage versorgt mittlerweile die meisten öffentlichen Gebäude der niedersächsischen Kleinstadt mit Wärme. Der ausführlichen Erprobung des 4000er-Biogasmotors von MTU folgte dessen Markteinführung im März 2011.
Als die Margen für Mais, Getreide und Kartoffeln Ende der 1990er Jahre zurückgingen, suchten viele Landwirte nach alternativen Einnahmequellen – das Interesse an Biogas-Blockheizkraftwerken stieg. Auch die Brüder Reinhard und Hermann Groß, die etwa 1800 Hektar eigene Ackerfläche bewirtschaften und bereits Betreiber einer Gülle-Börse waren, erkannten in der Biogasverwertung ein solides Standbein. Landwirtschaftliche Abfälle, Energiepflanzen, Gülle oder beispielsweise Hähnchenmist zu Strom und Wärme zu machen, versprach höhere Erlöse als das Vermarkten der Ernte auf dem Nahrungs- und Futtermittelmarkt, denn in Deutschland wird Strom aus Biogas zu festen Sätzen vergütet. Die im BHKW parallel anfallende Wärme lässt sich im Vergärungsprozess nutzen oder dient kommunalen Einrichtungen der näheren Umgebung zum Heizen.
Im Jahr 2001 setzten die Brüder ihre Pläne in die Tat um und errichteten eine Biogasanlage mit zehn Zündstrahlmotoren mit je 80 Kilowatt (kW) in der Maschinenhalle der extra gegründeten Firma GF-Bio-Energie Hasetal. Den Strom – insgesamt 800 kW – speisten sie in das öffentliche Netz ein, die Abwärme beheizte ein Schulzentrum mit drei Schulen und zwei Sporthallen, ein Hallenbad und eine Veranstaltungshalle in Löningen. Der Transport der Abwärme erfolgte über eine 1,8 Kilometer lange Fernwärmeleitung. Die GF-Bio-Energie Hasetal stellte der Stadt Löningen damit eine permanente Leistung von etwa 500 kW kostenlos zur Beiheizung des Schulzentrums zur Verfügung. Der restliche Bedarf von zirka 1600 kW wurde von den vorhandenen Kesselanlagen der Stadt in den jeweiligen Gebäuden gedeckt.

Neue BHKW-Module
Die Wartungs- und Instandhaltungskosten für zehn Motoren waren jedoch sehr hoch. Des Weiteren führten strengere Emissionswerte und der Wunsch nach zuverlässigen, leistungsstarken Aggregaten und höheren Wirkungsgraden dazu, dass die Anlagenbetreiber ihr Konzept sieben Jahre später überdachten. Sie mischten die Karten neu und setzten auf Otto-Motoren. Drei BHKW-Module der Marke MTU Onsite Energy mit Motoren der Baureihe 400 und jeweils 370 kW elektrischer Leistung für Strom und Wärme lösten die Zündstrahler ab. Die Zuverlässigkeit dieser 400er-Module überzeugte.

Doch auch auf diesem Konzept ruhten sich die Betreiber nicht aus. Ihr Plan für die Zukunft: Ein großer Motor, der die Grundlast trägt und einige kleinere, die die Spitzenlasten ausgleichen. „Die guten Erfahrungen mit MTU Onsite Energy bei den kleinen 400er-Motoren waren ausschlaggebend, gemeinsam nach neuen Lösungen zu suchen“, so Reinhard Groß. Und MTU Onsite Energy machte ein besonderes Angebot: ein Vorserienmodell des neuen Biogasmotors der Baureihe 4000. „Am Anfang waren die Zweifel groß, ob das die richtige Entscheidung war. Ein Vorserienmodell, mit dem noch keiner Erfahrung sammeln konnte, war sicherlich ein Risiko“, bekennt Reinhard Groß. Trotzdem blieb das Team um die Brüder und den Ingenieur Wilfried Förster bei seiner Entscheidung – und hat es bis heute nicht bereut. Sie bauten eine neue Maschinenhalle und im Jahr 2009 installierten Ingenieure von MTU Onsite Energy das BHKW mit dem neuen 12-Zylinder Biogasmotor. Jetzt müssen sie in ihrer Halle nur noch einen Motor warten und sparen zusätzlich Platz. Denn mit einer elektrischen Leistung von 1166 kW elektrischer und mehr als 1300 kW thermischer Leistung ersetzt dieser Motor drei der kleinen 400er-Maschinen. Von Oktober 2009 bis Oktober 2010 lief der Biogasmotor mehr als 7500 Stunden im Probebetrieb. Bei Betrachtung des monatlichen Durchschnitts aus Laufzeiten und Stillstand ist der Motor fast 90 Prozent gelaufen. „Das ist mehr als wir erwartet hatten“, sagt Hermann Groß.

Ein wesentlicher Pluspunkt des großen Motors sind seine Wartungskosten: Bei einer großen Maschine braucht man zum Beispiel nur einmal den Ölwechsel oder Zündkerzentausch durchzuführen. Für die gleiche Leistung sind etwa drei 400er-Maschinen erforderlich, entsprechend höher ist der Zeitaufwand für die Wartung und die Inspektionen.

Biogas-Variante des 4000er-Motors
Die neuen Biogasmotoren basieren auf einem Baukastenkonzept der Motorenfamilie Baureihe 4000, die sowohl auf Diesel- als auch Gasmotoren ausgelegt ist und in Varianten in mehr als 20 unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden können. Bereits vor acht Jahren hat MTU Systeme mit Erdgasmotoren auf Basis der Baureihe 4000 auf den Markt gebracht. Diese im Praxiseinsatz bewährten Gas-Otto-Motoren wurden konstruktiv und steuerungstechnisch auf die Besonderheiten des Biogasbetriebs abgestimmt. Ziel der Entwicklung war es, das optimale Gleichgewicht zwischen den konkurrierenden Zielen – maximale Leistung bei gleichzeitig schadstoffarmem Betrieb – mit dem im Vergleich zu Erdgas sehr trägen Brennstoff Biogas zu erreichen. Damit das zugunsten der geringen Emissionen magere Gemisch nicht zu einem Leistungsverlust führt, verfügen die Motoren über Turbolader.

Mit einem elektrischen Wirkungsgrad über 42 Prozent erreichen die Biogasmotoren der Baureihe 4000 annähernd das Niveau der vergleichbaren Erdgasmotoren. Damit eine schwankende Gasqualität weder die Leistung des Motors noch seine Lebensdauer negativ beeinflusst, entwickelten und optimierten die MTU-Ingenieure das Motormanagement. Es gestattet den Biogas-Betrieb bis zu einem Methangehalt von nur 45 Prozent. Besonderen Wert legten die Konstrukteure auf hohe Zuverlässigkeit. Damit kommen sie den Wünschen der Anwender nach hohen Strom­erlösen nach, denn die robuste Bauweise und die defensive Motorabstimmung ermöglichen einen langfristigen, störungsarmen Betrieb, minimieren so die Stillstandszeiten und verringern die Instandhaltungskosten.

Im Sinne niedriger Investitionskosten nutzt der Biogasmotor, wo sinnvoll, Komponenten, die auch in der Erdgas- und Dieselversion zum Einsatz kommen. Dazu gehört unter anderem der auf höchste dynamische Belastung ausgelegte Motorblock des Diesels inklusive der robusten Kurbelwelle, der sich ebenfalls sehr gut im Dauerbtrieb in der Gasanwendung bewährt hat. Auch auf Konstruktionen aus der Erdgasanwendung konnte zurückgegriffen werden, wie beispielsweise die ungekühlten Abgasrohre.

Vollständig neu entwickelt ist das System Kolben/Zylinderlaufbuchse. Statt Aluminium-Kolben kommen für die Biogasverbrennung solche aus geschmiedetem Stahl zur Anwendung. Diese und die Laufbuchsen wurden hinsichtlich der Schmierungseigenschaften untersucht und optimiert. Biogas-typisch sind auch die Ventilsteuerzeiten und der Ventilhub. Dadurch wird dem im Vergleich zu Erdgas geringeren Brennwert des Biogases Rechnung getragen und eine schadstoffarme Verbrennung erzielt. Für den Biogaseinsatz abgewandelt wurde das aus dem Dieselmotor bekannte und bewährte Motorsteuergerät ADEC (Advanced Diesel Engine Control). Diese Einheit steuert den Motor entsprechend der jeweiligen Einsatzbedingungen und kommuniziert über ein Bussystem mit der übergeordneten MMC-Steuerung (MTU Module Control). Alle Motorbetriebs- und Diagnosewerte lassen sich vor Ort oder per Fernwartung durch den Betreiber oder den Kundendienst von MTU Onsite Energy einsehen.

Nach Probelauf fest eingeplant
Der 4000er-Motor hat sich bei der GF-Bio-Energie Hasetal bewährt und bewies seine Qualität auch im Labor: Nach einem halben Betriebsjahr wurde der Motor im MTU-Werk Friedrichshafen zerlegt und vermessen. Das Resultat: Auch die neu konstruierten Komponenten glänzten mit äußerst niedrigem Verschleiß. Wieder zusammengebaut, verrichtete die Maschine weiter ihren Dienst in der Biogasanlage.
Dass ihr Konzept Früchte tragen würde, davon waren die Brüder Groß überzeugt. Denn schon vor der Suche nach einem großen Motor beschlossen sie gemeinsam mit ihrem Geschäftsführer Wilfried Förster und dem Löninger Bürgermeister Thomas Städtler, dass die bereits bestehenden 400er-Motoren als Satelliten-BHKWs ausgelagert werden sollten. Für das neue Fernwärmekonzept der Stadt Löningen werden sie seit Oktober 2010 in der Nähe von öffentlichen Gebäuden aufgebaut, um verbrauchernah Strom und Wärme zu erzeugen.
Das nötige Biogas aus der Anlage kommt über neu gebaute Pipelines zu den Satelliten-BHKWs. So geht weniger Wärme auf dem Transport verloren. Und noch besser: Mit dem neuen Fernwärmesystem brauchen die Löninger weniger Gas zum Heizen und sparen pro Jahr 1255 Tonnen Kohlendioxid ein. Um mehr Leistung zu erzeugen, werden drei weitere 400er-Motoren in Satelliten-Blockheizkraftwerke eingebaut. „So können wir jeden einzelnen Motor nach Bedarf dazuschalten und Strom und Wärme immer ausreichend garantieren“, erklärt Förster das Konzept. In Zukunft werden drei weitere Schulen, eine Turnhalle, das Krankenhaus, das Altenheim sowie eine Gärtnerei, zwei Banken, das Rathaus und das Freibad versorgt. Die Abwärme mit einer thermischen Leistung von 1200 kW pro Stunde deckt den Grundbedarf dieser städtischen Gebäude. Bei Mehrbedarf wird über Redundanzkessel oder über Brenner in den Schulen zugeheizt.

Da sie Schadensersatz zahlen müssten, wenn sie keine Wärme liefern, und die Betreiber einen defekten Motor nicht selbst reparieren wollen, war ihnen von Anfang an eines wichtig: „Wir brauchen einen zuverlässigen Partner, der sich um Probleme kümmert und sie löst. Den haben wir in MTU Onsite Energy gefunden“, sagt Reinhard Groß. Die robuste Bauweise und die defensive Motorabstimmung des neuen Biogasmotors ermöglichen langfristigen und störungsarmen Betrieb. So steht der Motor nur äußerst selten still. Die Generalüberholung des Grundmotors ist erst nach etwa 64.000 Betriebsstunden geplant. Das sind über sieben Jahre, wenn der Motor 24 Stunden am Tag läuft.

Vorteile für alle Seiten
Sowohl die GF-Bio-Energie Hasetal als auch die Stadt Löningen profitieren von dieser geschäftlichen Beziehung. Der Betrieb bekommt wegen des deutschen Strom-Einspeisegesetzes (EEG) die Stromvergütung für den eingespeisten Strom. Es werden insgesamt etwa 2,1 MW elektrische Leistung ins Netz des Energieversorgungsunternehmens eingespeist. Die Stadt Löningen, das Krankenhaus und weitere Interessenten bekommen die Abwärme und sparen Ausgaben für das Heizen. Die Umwelt profitiert ebenfalls: Die Betreiber haben alle ihre Motoren mit Katalysatoren nachgerüstet, die den Formaldehydausstoß senken. Weiter in die Biogas-Anlage mit ihren Blockheizkraftwerken investieren will die GF-Bio-Energie Hasetal nur dann, wenn sie neue Abnehmer für die Wärme haben. „Uns ist ein bewusster Umgang mit nachwachsenden Rohstoffen wie Mais und Getreide sehr wichtig. Deshalb werden wir nur dann ausbauen, wenn der Bedarf da ist“, erklärt Wilfried Förster. Solange sie aber nicht mehr benötigen, werden sie das meiste, was sie jetzt im Frühjahr wieder anbauen, weiterhin verkaufen. Der Rest kommt in die Biogas-Anlage. Denn die Rohstoffe, um Biogas zu erzeugen haben sie selber gesät, versorgt und geerntet.

Autor: Christoph Bendzko, Strategische Geschäftsentwicklung, MTU Onsite Energy – Gas Power Systems