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Biogas-BHKW MNW Y105 BG

DLG-ANERKANNT "Elektrischer Wirkungsgrad"

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Das Prüfzeichen

Ein Prüfzeichen „DLG-ANERKANNT in Einzelkriterien“ wird für landtechnische Produkte verliehen, die eine umfangsreduzierte Gebrauchswertprüfung der DLG nach unabhängigen und anerkannten Bewertungskriterien erfolgreich absolviert haben. Die Prüfung dient zur Herausstellung besonderer Innovationen und Schlüsselkriterien des Prüfgegenstands. Der Test kann Kriterien aus dem DLG-Prüfrahmen für Gesamtprüfungen enthalten oder sich auf andere wertbestimmende Merkmale und Eigenschaften des Prüfgegenstandes fokussieren. Die Mindestanforderungen, die Prüfbedingungen und -verfahren sowie die Bewertungsgrundlagen der Prüfungsergebnisse werden in Abstimmung mit einer DLG-Expertengruppe festgelegt. Sie entsprechen den anerkannten Regeln der Technik sowie den wissenschaftlichen und landwirtschaftlichen Erkenntnissen und Erfordernissen. Die erfolgreiche Prüfung schließt mit der Veröffentlichung eines Prüfberichtes sowie der Vergabe des Prüfzeichens ab, das fünf Jahre ab dem Vergabedatum gültig ist.

Die Prüfung „Elektrischer Wirkungsgrad“ wurde als Feldversuch nach DLG-Prüfrahmen durchgeführt. Mit diesem Test soll die elektrische Effizienz von Blockheizkraftwerken festgestellt und bewertet werden. Desweiteren wurde eine Abschätzung des thermischen Wirkungsgrades vorgenommen. Andere Kriterien wurden nicht überprüft.

Beurteilung – kurz gefasst

Das Gas-Otto-BHKW Modell „MNW Y105 BG“ hat die DLG-Prüfung „Elektrischer Wirkungsgrad“ für eine emissions­optimierte Betriebsweise bestanden. Dieses BHKW wurde mit einer Generatorleistung von 90 kW, mit maximal 250 mg/m³ NOx im Abgas und 75 kW mit jeweils 250 mg/m³ und 500 mg/m³ NOx geprüft.

Aufgrund dieses Ergebnisses kann davon aus­gegangen werden, dass dieses BHKW im Praxis­einsatz 33,4 % (90 kW, 250mg/m³ NOx), 33,7 % (75 kW, 500 mg/m³ NOx) und 32,7 % (75 kW, 250 mg/m³ NOx) seines Gesamtenergieumsatzes in elek­trische Energie umwandelt. In Tabelle 1 unten ist das Bewertungsschema für einen Gas-Otto-Motor dargestellt. Die aktuellen Grenzwerte der TA Luft hinsichtlich NOX, CO und SOX werden mit diesem BHKW und dieser Betriebsweise eingehalten. Es wurde in der Prüfung ein Abgaskatalysator eingesetzt, deshalb wurden auch die Formaldehydgrenzwerte einge­halten.

Tabelle 1: Zusammenfassung der Ergebnisse

Testergebnis Bewertung*
Elektrischer Wirkungsgrad  
33,4 % bei 90 kW, 250 mg/m³ NOX +
33,7 % bei 75 kW, 500 mg/m³ NOX +
32,7 % bei 75 kW, 250 mg/m³ NOX O

Bewertungsschemata

Testergebnis Bewertung*
Elektrischer Wirkungsgrad
(Gas-Otto-Motor, 75 bis 99 kW)
 
> 35 % + +
> 33 % bis ≤ 35 % +
> 31 % bis ≤ 33 %
≤ 31 %

Bewertungsbereich: + + / + / ◯ / – (◯ = Standard, k.B. = keine Bewertung)

Das Produkt

Beschreibung und Technische Daten

Bei dem geprüften Blockheizkraftwerk (BHKW) handelt es sich um ein Gas-Otto-BHKW zur energe­tischen Umwandlung von Biogas in thermische und elektrische Energie.

Der Motor ist ein 4-Zylinder-Reihenmotor der Firma BAYERN BHKW und mit einer Motor-Generator- und Netzüberwachung ausgestattet. Zudem ist ein Abgas­wärme­tauscher zur Nutzung der Abwärme mit integriert. Weitere technische Daten sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Technische Daten (Herstellerangaben)

BHKW-Modell MNW  Y105  BG
Elektrische Nennleistung 75 bis 105 kWel
Thermische Nennleistung* 108 kWel
Bauart 4-Zylinder-Reihenmotor
Hubraum 5,2 Liter
Drehzahl 1.500 rpm
Verbrauch bei 60 % Methan ca. 43 m³/h bei 75 kW
ca. 48 m³/h bei 90 kW
Abgasmassenstrom im Betrieb feucht 459 kg/h @ 100 % Last
Schmierölverbrauch 0,125 kg/h
Generatortyp ECP 34 2L-4

*    bei einer Abgastemperatur von 220 °C

Die Methode

Das Gas-Otto-BHKW Modell „MNW Y105 BG“ der Firma ­BAYERN BHKW wurde im Feldversuch unter möglichst praxisnahen Bedingungen an einem Referenzprüfmuster nach DLG-Prüfrahmen für den landwirtschaftlichen Einsatz untersucht.

Generell unterscheidet man in der Nutzung von Blockheizkraftwerken zwischen zwei nutzbaren  Energieformen:

  1. elektrisch
  2. thermisch

Elektrischer Wirkungsgrad

Bei der Bestimmung des elektrischen Wirkungs­grades werden die Eingangsgrößen (Input) in das BHKW messtechnisch erfasst. Zudem wird die Generatorleistung gemessen (Output). Anschließend werden beide Energieformen ins Verhältnis gesetzt. Als Ergebnis erhält man den elektrischen Wirkungsgrad.

Den elektrischen Wirkungsgrad kann man unter drei unterschied­lichen Vorgaben messen:

  1. emissionsoptimiert
  2. wirkungsgradoptimiert
  3. wartungsoptimiert

Bei der emissionsoptimierten Fahrweise wird das BHKW so eingestellt, dass ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird und gleichzeitig die Anforderungen an die derzeitige TA Luft eingehalten werden. Hierzu werden zusätzlich Abgasmessungen im Kamin des BHKW durchgeführt. In der wirkungsgradoptimierten Fahrweise wird das BHKW so eingestellt, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad erreicht wird.

In der wartungsoptimierten Fahrweise wird das BHKW so gefahren, dass möglichst wenig Wartungsaufwand für den Betreiber anfallen. Die Messung des elektrischen Wirkungsgrades wurde unter Praxisbedingungen an einer Biogas­anlage im oberbayrischen Dorfen im Oktober 2019 durchgeführt. Es wurde vereinbart, dass eine emissionsoptimierte Einstellung gefahren wird. In Tabelle 3 sind die Prüfbedingungen am Aufstellort festgehalten.

Tabelle 3: Testbedingungen am Aufstellort

Testbedingungen  
Einsatzbetrieb Biogasanlage Bio-Energie Greimel GmbH & Co. KG, 84405 Dorfen, ca. 500 m über NN
Biogasanlage NAWARO-Anlage
Verfahrenstechnik Fermenter, Nachgärer und Gärrestlager aus Beton, jeweils mit Folien­speicher, querliegendem Rührwerk und Feststoffdosierung
  Wärmeabgabe an die Ortschaft Wasentegernbach
Substrate Rindergülle, Mais-, GP- und Grassilage
BHKW  
– Motortyp BB4G135TL
– Inbetriebnahme 2019
– Gasaufbereitung 2019
– Generatortyp/Baujahr ECP 34 2L-4 (150 kVA)/2019
Umgebungsbedingungen außen  
Lufttemperatur 11 bis 19 °C
Luftdruck 968 bis 971 mbar
Luftfeuchte 54 bis 86 % rF

Die Messung des elektrischen Wirkungsgrades wurde mit einem kalibrierten DLG-eigenen Messsystem durchgeführt. Zusätzlich zur eigenen Messung wurden parallel die Emissionen nach DIN 15259 bzw. VDI 4220, Kapitel 5.5.3 online mithilfe eines FTIR- Gasanalysators aufgezeichnet bzw. nasschemisch erfasst. Die Wirkungsgradmessung erfolgte emissionsoptimiert, d.h. die TA-Luft-Anforderungen für Stickoxid, Kohlenmonoxid, Schwefeloxid und Formaldehyd wurden während der gesamten Prüfung eingehalten. In den Bildern 2 bis 4 ist der Verlauf der gemessenen Emissionen dargestellt.

Zur Gegenüberstellung der Messwerte mit dem Grenzwert wurden die gemessenen Online-Messdaten zu Halbstundenmesswerten zusammengefasst und hierzu die Messunsicherheit hinzuaddiert. Die in den Bildern 2 bis 4 dargestellten Messdaten zu NOX, CO und SOX sind jeweils auf einen Sauerstoffgehalt im Abgas von 5 % bezogen. Die Messdauer der Emissionen betrug 3 x 30 Minuten und lag in der Messphase der Wirkungsgradmessung.

Die Messwerte der Umgebungsbedingungen sind in Tabelle 3 beschrieben und in Bild 5 grafisch dargestellt. In Bild 6 ist die Gasqualität des Biogases dargestellt. Exemplarisch wurden in Bild 5 und 6 nur die Messwerte der 5-Stunden Messung dargestellt. Die Daten der Messung bei 75 kW bewegen sich in ähnlicher Größenordnung. In Tabelle 4 sind die Hauptkomponenten der verwendeten Mess­tech­nik ersichtlich.

Die elektrische Leistung wurde in fünf Perioden zu je 60 Minuten gemessen. Hierüber und über den Biogasverbrauch wurde der Wirkungsgrad berechnet. In der Versuchsauswertung ist der Gasverbrauch auf Normbedingungen (Druck: 1013,25 mbar, Temperatur: 273,15 K = 0°C) bezogen. Zudem wurde der unterschiedliche Wasserdampfanteil des Biogases zwischen Gasmengen- und Gaskonzentrationsmessung, bedingt durch eine messgeräteseitige Gaskühlung auf 5 °C, korrigiert.

Der elektrische Wirkungsgrad wurde nach der in Bild 7 dargestellten Beziehung berechnet. Bei der Berechnung des elektrischen Wirkungsgrades wurden als elektrische Verbraucher die Heizpumpe (0,15 kW) und den Raumlüfter (0,6 kW) berücksichtigt. Der Wert der Heizpumpe wurde am Messtag mittels DkD-kalibrierten Stromzählers überprüft.

Die Messung des Wirkungsgrades bei 90 kW und maximal 250 mg/m³ NOx im Abgas wurde über 5 Betriebsstunden durchgeführt. Die Messungen bei 75 kW wurden jeweils über 2 Betriebsstunden durchgeführt. Es ist davon auszugehen, wenn die anspruchsvollste Einstellung über 5 Stunden problemfrei läuft, dann läuft die weniger anspruchsvolle Einstellung über diesen Zeitraum ebenfalls problemfrei. Da es sich um die selbe Maschine handelt, kann die Messzeit also entsprechend verkürzt werden. Die Messung der Emissionen lief parallel dazu bei jeder Einstellung über 3 x 30 Minuten.

Der Wert für das Gasgebläse wurde nicht berücksichtigt, da das BHKW in unmittelbarer Nähe zur Biogasanlage steht und somit ohne Gebläse mit Biogas versorgt werden kann. Beim Raumlüfter wurden 0,6 kW angenommen. Dies entspricht etwa dem Jahresmittelwert eines Lüfters, der nur für ein BHKW im Maschinenraum zur Verfügung stehen würde. Sind mehrere BHKWs im Maschinenraum, so reduziert sich die Lüfterleistung je BHKW noch etwas.

Zur Bewertung der Wirkungsgrad-Messwerte wurde ein DLG-Bewertungsstandard in Abhängigkeit von Motorbauart und Verbrennungsverfahren für die zutreffende Leistungsart entwickelt. Dieser Massstab basiert auf Angaben der Fachliteratur. Zudem haben Vertreter vom LfL Bayern, Bioenergieberatung Bornim und Ingenieurbüro Bigatec, Alpen bei der Erstellung mitgewirkt.

Tabelle 4: Auszug der verwendeten Messmittel

Messgröße Messmittel
Gasmenge Drehkolbengaszähler (RMG)
Gasbedingungen Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit und Druck (absolut)
Methan/Kohlendioxidkonzentration Gasanaysegerät, NDIR-Messprinzip
Umgebungsbedingungen (Umwelt) Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit und Druck (absolut)
Umgebungsbedingungen (Maschinenraum) Sensor für Temperatur
Elektrische Energie Leistungsmessgerät, Messung der ins Netz eingespeisten Energie, MF > ± 0,2 %
Emissionen (NOX als NO2, CO, CH2O, SOX als SO2) FTIR-Gasanalysator der Firma ansyco, Formaldehyd zusätzlich nasschemisch
Wassermenge des Heizkreislaufs magnetisch-induktiver Durchflusszähler (Krohne)
Temperaturen im Vorlauf des Heizkreises Widerstandsthermometer Pt100
Temperaturen im Rücklauf des Heizkreises Widerstandsthermometer Pt100

Thermischer Wirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer thermischer Energie zu Energie des Bio­gases. Die Energie des Biogases wurde wie unter „elektrischer Wirkungsgrad“ beschrieben bestimmt. Die nutzbare thermische Energie wurde im Heizkreislauf (Vorlauf/Rücklauf) des Abgaswärmetauschers des BHKWs gemessen. Hierbei wurden Temperatur und Volumenstrom des Heizmediums über den Messzeitraum gemessen und über die Dichte bei der gemessenen Mediumstemperatur in Energie umgerechnet. Die Temperaturen wurden an repräsentativen Stellen direkt vor unter hinter dem BHKW-Wärmetauscher mit jeweils zwei Pt100-Widerstandsthermometern im Vor- und Rücklauf gemessen. Der Volumenstrom wurde mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (MID) in der Steigleitung des Rücklaufs gemessen und gespeichert.

Der Notkreislauf war während der gesamten Mess­periode außer Betrieb genommen wurden. Der thermische Wirkungsgrad des MNW  75  BG  Y lag im Messzeitraum bei 48,5 % und somit durchaus im Erwartungsbereich. Eine Bewertung des thermischen Wirkungsgrades fand nicht statt.

Die Testergebnisse im Detail

In Tabelle 5 sind die Mittelwerte für jede der ausgewerteten Messperioden zusammengefasst. Aufgrund der installierten Gasaufbereitung (Gastrocknung) sind die Gaswerte relativ konstant (siehe auch Bild 6). Aus den konstanten Biogasdaten hinsichtlich unterem Heizwert und Gasmenge ergibt sich nahezu ein konstanter Gasverbrauch und somit ein gleichbleibender Wirkungsgrad. Lediglich Gastemperatur (und gegenläufig die Gasfeuchte) ­haben sich aufgrund der optimierten Belüftung des Maschine­nraums während der Prüfung verändert. Bei Blockheizkraftwerken ohne zusätzliche Gastrocknung sind die Schwankungen der Gasqualität wesentlich ausgeprägter. Daraus resultieren auch schwankende Wirkungsgrade. Bei einem Ganzjahresbetrieb macht sich das durch einen höheren Gasverbrauch bemerkbar.

Unter Berücksichtigung aller relevanten Nebenverbraucher konnte die DLG vor Ort einen effektiven Wirkungsgrad von 33,4 % (90 kW, 250 mg/m³ NOx), 32,7 % (75 kW, 250 mg/m³ NOx) und 33,7 % (75 kW, 500 mg/m³ NOx) ermitteln. Eine Korrektur der Aufstellbedingungen nach ISO 3046-1 fand nicht statt. Die Messunsicherheit lag jeweils bei ± 0,7 %.

Gemäß dem DLG-Bewertungsmaßstab ergibt sich für die Messung des elektrischen Wirkungsgrades bei Nennlastbetrieb die Bewertung „+“ bzw. "o“. Während der Messperioden sind die Grenzwerte der TA Luft für Verbrennungsmotoren ohne Stützfeuerung hinsichtlich Stickoxid, Kohlenmonoxid und Schwefeloxid unterschritten und somit erfüllt. Die Messung der Formaldehydkonzentration ergab während der Prüfung Werte zwischen 6 mg/m³ und 10 mg/m³ (normiert, trocken, bezogen auf 5 Vol-% Sauerstoff im Abgas) einschließlich Messunsicherheit. Einschließlich Messunsicherheit sind gemäß neuer TA Luft ab Januar 2020 Werte bis maximal 20 mg/m³ (normiert, trocken, bezogen auf 5 Vol-% Sauerstoff im Abgas) zulässig.

Während der Prüfung kam es zu keinen Auffälligkeiten. Lediglich die Belüftung des Maschinenraums wurden während der Messung zeitweise optimiert, da bis dahin Temperaturen von bis zu 30 °C und darüber hinaus erreicht wurden. In Tabelle 5 sind die gemessenen Werte für die Ermittlung des thermischen Wirkungsgrades angegeben. Hierbei wurden je nach Einstellung Werte von 46,1 % bis 48,1 % erreicht.

Fazit

Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse erfüllt das biogasbetriebene Gas-Otto-BHKW Modell „MNW Y105 BG“ der Firma BAYERN BHKW bezüglich der Prüfkriterien „Elektrischer Wirkungsgrad“ die Anforderungen (Bewertung „◯“ oder besser) für die Vergabe des Prüfzeichens DLG-Anerkannt. Der elektrische Wirkungsgrad wurde mit 33,4 % (90 kW, 250 mg/m³ NOx), 32,7 % (75 kW, 250 mg/m³ NOx) und 33,7 % (75 kW, 500 mg/m³ NOx) geprüft und nach DLG-Bewertungsschema mit gut (+) bzw. Standard (◯) ausgezeichnet. Andere Kriterien wurden nicht geprüft.

Anmelder und Prüfungsdurchführung

Anmelder

Hersteller und Anmelder
BAYERN BHKW, Wasentegernbach 19,
84405 Dorfen, Deutschland

Kontakt
Telefon +49 (0)8082 9484040
Telefax +49 (0)8082 9484041
info@bayernbhkw.de
www.bayernbhkw.de

Prüfungsdurchführung

DLG TestService GmbH,
Standort Groß-Umstadt

Die Prüfungen werden im Auftrag des DLG e.V. durchgeführt.

DLG-Prüfrahmen
„Elektrischer Wirkungsgrad von Blockheizkraftwerken“, Stand 09/2018

Emissionsmessung
Dekra Automobil GmbH, 80939 München

Fachgebiet
Landwirtschaft

Bereichsleiter
Dr. Ulrich Rubenschuh

Prüfingenieur(e)
Dipl.-Ing. (FH) Tommy Pfeifer *

*    Berichterstatter

Kontakt

DLG Testzentrum Technik und Betriebsmittel • DLG TestService GmbH Standort Groß-Umstadt • Max-Eyth-Weg 1 • 64823 Groß-Umstadt • Tel: +49(0)69/24 788-600 Fax: +49(0)69/24 788-690 • tech@DLG.org