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Überdurchschnittlicher Wirkungsgrad

Wenn der Strom am Standort der Biogaserzeugungsanlage erzeugt wird, die installierte Leistung der Biogaserzeugungsanlage maximal 150 kW beträgt und der Gülleanteil im Substrat, das zur Biogaserzeugung eingesetzt wird, mindestens 80 % erreicht, werden Biogasanlagen seit der letzten Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes 2017 (EEG) besonders gefördert. Konkret erfolgt die Förderung über einen garantierten Stromabnahmepreis von 23,14 Ct/kWh, der bis zu einer Bemessungsleistung des Blockheizkraftwerks (BHKW) von 75 kW ausgezahlt wird. Auch wenn diese Biogasanlagen auf Güllebasis, wie oben angeführt, mit BHKW von bis zu 150 kW ausgerüstet werden können, ist doch das Verhältnis von Ertrag zu Investitionskosten bei 75-kW-Anlagen besonders günstig. Dies liegt außer an der besonders hohen Vergütung von Strom aus Anlagen dieser kleinen Bauart daran, dass bis zu einer verbauten Leistung von 75 kW keine Mindestwärmenutzung vorgeschrieben ist. Das zum Test vorgestellte BHKW kann auch mit einer elektrischen Nennleistung von 75 kWel betrieben werden, fällt also ggf. wie sein bereits zuvor getesteter „kleiner Bruder“ auch in diesen speziellen Markt für Biogasanlagen, die betriebseigene landwirtschaftliche Wirtschaftsdünger zur Produktion von Biogasstrom nutzen.

Betriebsweise entscheidet

Ob die vollen 105 kWel oder nur 75 kWel genutzt werden, entscheidet der Anlagenbetreiber in Abhängigkeit seiner lokalen Situation. Größere Anlagen mit mehr als 75 kWel müssen thermisch, d. h. unter Einhaltung einer Vorgabe für eine Mindestwärmenutzung geführt werden. Konkret bedeutet dies: Es gibt ein Konzept zur Nutzung der Abwärme z. B. zu Heizzwecken, und die Stromerzeugung ist quasi als Sekundärnutzung nur das „Abfallprodukt“ der Wärmeerzeugung. Kleine Anlagen bis 75 kWel dürfen ohne Einschränkungen im Hinblick auf die EEG-Förderung hingegen elektrisch optimiert betrieben werden, d. h. hier fällt als Nebenprodukt der im Vordergrund stehenden Stromerzeugung Wärme ab, die dann beispielsweise zur Warmwassererzeugung im Wohnhaus der Hofstelle genutzt werden kann – aber nicht muss. Über diese beiden prinzipiellen Nutzungskonzepte hinaus kann ein BHKW wirkungsgradoptimiert, emissionsoptimiert und wartungsoptimiert gefahren werden, also mit dem Ziel einer maximal möglichen Energieumsetzung, eines maximalen Wirkungsgrads unter gleichzeitiger Einhaltung der aktuellen TA Luft oder um geringstmögliche Wartungskosten zu erzeugen. In der Praxis werden viele Blockheizkraftwerke emissionsoptimiert betrieben.

Elektrischer Wirkungsgrad als Prüfungsschwerpunkt

Die Bedingungen des EEG zielen auf die Ausstattung der Biogasanlagen mit besonders effizienten Blockheizkraftwerken ab. So reduziert sich seit Inkrafttreten des Gesetzes die oben angegebene Einspeisevergütung bei neu geplanten Anlagen um halbjährlich jeweils 0,5 Prozent. Aber auch beim Repowering alter Anlagen, das heißt wenn das verbaute BHKW das Ende seines Maschinenlebens erreicht, wollen die Biogasanlagenbetreiber natürlich möglichst viel erzeugtes Biogas in elektrischen Strom umsetzen und diesen verkaufen bzw. selbst nutzen. Obwohl Biogasanlagen in der Regel für eine Gesamtnutzungsdauer von 15 bis 25 Jahren konzipiert werden und trotz regelmäßiger Wartung am BHKW, sind die Kosten einer Ersatzbeschaffung des BHKW üblicherweise deutlich vor Ablauf dieser Zeit geringer als eine Instandhaltung  oder Reparatur. Im Schnitt steht ein Repowering spätestens nach etwa 40.000 bis 60.000 Betriebsstunden oder rund sieben Jahren an. Sogar ein vorzeitiges Repowering kann sinnvoll sein, wenn man die in diesem Zuge verbesserte Effizienz des BHKW, d. h. dessen nachweislich höheren elektrischen Wirkungsgrad in die wirtschaftliche Betrachtung mit einbezieht.

Prüfungsaufbau und Ergebnisse

Aus den oben genannten Gründen wurde in der DLG-Prüfung des vorgestellten Blockheizkraftwerks MNW Y105 BG des Dorfener BHKW-Herstellers Bayern BHKW der elektrische Wirkungsgrad in emissionsoptimierter Betriebsweise in den Mittelpunkt der Betrachtung gestellt. Des Weiteren wurde auch eine Abschätzung des thermischen Wirkungsgrads vorgenommen. Um den elektrischen Wirkungsgrad zu bestimmen, wurden alle Eingangsgrößen messtechnisch erfasst sowie die Generatorleistung gemessen. Anschließend wurden beide Energieformen ins Verhältnis gesetzt. Zusätzlich wurden Abgasmessungen im Kamin des mit einem Abgaskatalysator ausgestatteten BHKW vorgenommen. Die Messungen erfolgten am Standort des Herstellers in der Biogasanlage der Bio-Energie Greimel GmbH & Co. KG. Diese wird mit Rindergülle, Mais-, Getreideganzpflanzen- und Grassilage als Substrate betrieben und versorgt neben der Stromerzeugung die Ortschaft Wasentegernbach mit Nahwärme.

Die Messung von elektrischer Leistung und Biogasverbrauch erfolgte in fünf Perioden von jeweils 60 min. Bei der Berechnung des elektrischen Wirkungsgrads wurden die gemessenen Verbräuche der Heizpumpe und des Raumlüfters von 0,15 kW bzw. 0,6 kW berücksichtigt. 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. Gleichzeitig wurde in diesen Perioden die Einhaltung der Abgasgrenzwerte überprüft.

Das Bayern BHKW MNW Y105 BG erreichte in den Messungen im Praxiseinsatz einen elektrischen Wirkungsgrad von 33,4 % bei einer Nennleistung von 90 kW mit maximal 250 mg/m³ NOx im Abgas. Bei einer Nennleistung von 75 kW und 500 mg/m³ NOx werden sogar 33,7 Prozent erreicht, was in beiden Fällen eine überdurchschnittliche Bewertung nach DLG-Standard bedeutet. Bei emissionsoptimiertem Betrieb mit 75 kW und maximal 250 mg/m³ NOx ist immer noch ein Wirkungsgrad von 32,7 Prozent zu verzeichnen. In einer nicht bewerteten Zusatzprüfung wurde gleichzeitig ein thermischer Wirkungsgrad von 48,5 Prozent bestimmt, indem die nutzbare thermische Energie im Heizkreislauf (Vorlauf/Rücklauf) des Abgaswärmetauschers gemessen und in Bezug zur Energie des Biogases gesetzt wurde.

Insgesamt war in der Prüfung ein fast konstanter Gasverbrauch und somit ein sehr gleichmäßiger Wirkungsgrad feststellbar. Der Grund dafür war die in der Anlage verbaute Gastrocknung zur Aufbereitung des erzeugten Biogases, das deshalb einen wenig schwankenden Methananteil zwischen 56,4 und 57,2 Volumen-Prozent hatte.

Fazit

Mit einem neutral und unabhängig unter Praxisbedingungen gemessenen Wirkungsgrad von bis zu 33,7 Prozent im emissionsoptimierten Betrieb liegt das Bayern BHKW MNW Y105 BG über dem von der DLG als aktuellem Standard festgelegten Wert von 31 bis 33 Prozent. Dieser Wert ist umso positiver, als der Wirkungsgrad bauartbedingt schlechter ausfällt, je geringer die Leistung des verwendeten Verbrennungsmotors ist. Die aktuellen Grenzwerte der TA Luft hinsichtlich Schwefel- und Stickoxiden sowie Kohlenmonoxid wurden in der emissionsoptimierten Betriebsweise durchgängig eingehalten. Da ein Abgaskatalysator verbaut war, wurden auch die Vorgaben bezüglich der maximalen Formaldehydmengen im Abgas unterschritten. Weitere Detailergebnisse sind im DLG-Prüfbericht 7043 zusammengefasst, der kostenfrei auf www.DLG-Test.de zugänglich ist.

zum Prüfbericht

DLG-Prüfung im Überblick

Umfang der Prüfung:

  • Bestimmung von Biogasqualität und -verbrauch
  • Messung der Generatorleistung
  • Überwachung der Emissionsgrenzwerte im emissionsoptimierten Betrieb