Optimierte Verstromung im Holzvergaser-BHKW | 2016-02

Obwohl es Holzvergaser schon seit dem späten 19. Jahrhundert gibt und sie besonders in Kriegszeiten beliebt waren, sind heute nur relativ wenige Modelle im Einsatz. Dabei sind sie gut dafür geeignet, mit nachwachsenden Rohstoffen Strom und Wärme zu produzieren. Unterstützt durch den Innovationsfonds stellte der Geflügelhof Zapf bei Gengenbach 2012 seine Energieversorgung auf drei Holzvergaser-BHKW um, mit dem Ziel, die Verstromung zu optimieren. Unter Hitzeeinwirkung wandelt die Anlage das Holz in ein schwaches Brenngas um, das als Brennstoff für das BHKW dient.

Pilotanlagen wie die in Gengenbach helfen, die bestehende Technik zu verbessern und Anlagen marktfähiger zu machen. So stellte sich dort im Laufe der ersten Betriebsjahre heraus, dass die Motorentechnik herkömmlicher Modelle nicht ideal auf den Betrieb mit schwachem Holzgas abgestimmt ist. Das führt zu zwei Problemen: Verunreinigungen im Motor und eine ungleichmäßige Verbrennung. Durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder entweicht ein Teil des Brenngases, verunreinigt das Motorenöl, und führt zu einem hohen Verschleiß und Wartungsbedarf. Im Projekt kamen als Alternativlösung Graphitkolben zum Einsatz, die bisher vor allem im Rennsport eingesetzt wurden, bei Holzgas-BHKWs jedoch noch unerprobt waren. Metallinfiltriertes Graphit ist ein besonders präziser Werkstoff, weil es extrem widerstandsfähig ist und sich unter Wärmeeinfluss kaum ausdehnt. Außerdem verfügen Graphitkolben über selbstschmierende Eigenschaften, die Verschleiß, Wartungsbedarf und Kolbenkühlung verringern.

Herkömmliche Motoren für kleinere BHKWs kommen meist aus dem KFZ-Bereich und sind für genormte Brennstoffe mit konstanten Eigenschaften ausgelegt; Holzgas hingegen ist ein Schwachgas mit schwankendem Energiegehalt. Verbrennt man Holzgas in solchen Motoren, verbrennt es unvollständig, was den Wirkungsgrad verringert und die Abgaswerte erhöht. Um den Betrieb zu optimieren, passten die Projektpartner deshalb die Motordrehzahl variabel an die Gasqualität an, indem sie das BHKW von der Netzfrequenz entkoppeln. So kann das Gas je nach Qualität unterschiedlich lange in der Brennkammer verbleiben. Das Projekt entwickelte hierfür eine spezielle Steuerungstechnik, die die Drehzahl trotz schwankender Gasqualität möglichst konstant hält.

Die Hochschulen Mittelhessen und Offenburg begleiteten den Betrieb mit einem engmaschigen Monitoring und einer anschließenden Evaluation. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Einsatz von ungenormten Biogasen durch innovative Werkstoffe und Betriebsmethoden effizienter zu machen.

Drei wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt

• Grundlegende Probleme von Graphitkolben konnten erkannt und behoben werden, insbesondere hinsichtlich der zu verbessernden Fertigungstoleranzen und dem Entwicklungsbedarf bei den Kolbenringen.
• Das Projekt erzielte eine verbesserte Verbrennung und damit einen verbesserten Wirkungsgrad in der Stromproduktion und verringerte Abgaswerte. Das macht ähnliche Anlagen vor allem an Standorten ohne geeignete Wärmeabnahme interessant.
• Das gewonnene Fachwissen kann zukünftig anderen Betreibern helfen, neue Lösungsansätze bei Holzvergaseranlagen zu finden.