Mit „Köpfchen“ die Einhaltung der 44. BImSchV garantieren

Technische Aufrüstung mit Augenmaß macht Bestandsanlagen fit für die Zukunft

Anlagenbetreiber von älteren Biogas-BHKW stecken seit dem Inkrafttreten der 44. BImSchV (Bundes-Immissionsschutz-Verordnung) am 20. Juni 2019 in einem Dilemma. Einerseits ist der Förderungszeitraum noch nicht ausgenutzt, andererseits sind u.a. Emissionswerte für Stickstoffoxide (NOx) einzuhalten und durch Messungen nachzuweisen, die von vielen Anlagen in der Praxis für die angestrebten hohen elektrischen Wirkungsgrade nicht erreicht werden.

Für eine ganze Reihe von Motoren wie die 28er-Baureihe der MAN Magermotoren, MDE-Aggregate als Turbomotoren oder die meisten MAN-Nachbauten sowie Mercedes-Industriemotoren hat der BHKW-Hersteller 2G Energy in Heek eine Lösung geschaffen, die den Grenzwert von 500 mg/Nm3 NOx der 44. BImSchV nicht nur sicher einhält, sondern deutlich unterschreitet: den V36-Zylinderkopf.

Frank Grewe, Leiter F&E und Service bei 2G Energy, führt als Beleg dafür Praxismessungen an, bei denen Werte von rund 400 mg/Nm3 NOx bei Volllast unter Einhaltung der Wirkungsgrade dokumentiert werden konnten: „Der Zylinderkopf ist von der hauseigenen Entwicklungsmannschaft mit optimierter Kühlung konzipiert worden und ein bewährtes Bauteil unserer eigenen agenitor-Baureihe, von denen mehrere tausend Einheiten im Markt ihre Standfestigkeit bewiesen haben.“

Bei einer Standzeit von bis zu 40.000 Betriebsstunden sieht das Unternehmen die wirtschaftlichen Vorteile insbesondere in der Verdopplung der Ventilspiel-Einstellintervalle für den Zylinderkopf auf 4.000 Betriebsstunden und in der Standzeit einer herkömmlichen Hakenzündkerze von bis zu 8.000 Betriebsstunden durch eine verbesserte Wärmeübertragung in den Zylinderkopf.

Motorenentwicklung für die 2G agenitor-Baureihe auch für Fremdprodukte nutzbar gemacht

Der erste agenitor 206 aus eigener Entwicklung ist 2008 im Biogasbetrieb an das Deutsche Stromnetz angeschlossen worden. Das neue BHKW – mit einem Otto-Gasmotor ausgestattet – sorgte für Aufmerksamkeit im Markt, denn das Aggregat verfügte in seiner Leistungsklasse erstmals über ein angepasstes Verbrennungskonzept mit hohem Verdichtungsverhältnis. Dadurch konnte die Leistung im ersten Schritt bereits um gut 16 % gesteigert werden.

Als Basis dieser Eigenentwicklung diente die 28er Motorenbaureihe von MAN. Diese wird auch heute noch hauptsächlich für Dieselanwendungen im maritimen Bereich, aber auch für LKWs, Busse und Stromaggregate verwendet. Der Markt für Gasanwendungen hingegen ist viel kleiner, daher unterscheiden die meisten Motorenhersteller der LKW-Leistungsklasse nicht zwischen den verschiedenen Gasarten. Dadurch werden Konstruktionsmerkmale wie das Verdichtungsverhältnis sowie die Brennraumgeometrie – und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit – generalisiert und nicht je nach Gasart spezifisch angepasst.

2G hingegen passte die Konstruktion seiner agenitor Baureihe den entsprechenden Brennstoffen (Erdgas, Biogas und anderen Schwachgasen) an, wodurch die zweite Generation des eigenen 6 Zylinder-Aggregats (agenitor 206) bereits sehr hohe elektrische Wirkungsgrade aufweisen konnte. Die Anpassung bzw. Verbrennungsoptimierung erforderte die Verwendung von hochwertigsten Materialien und Komponenten, denn Langlebigkeit und Standfestigkeit standen bei der Optimierung der agenitor Komponenten von Beginn an im Vordergrund. Das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit ist unter anderem der Zylinderkopf V36.

Der Zylinderkopf-Gusskörper besteht aus EN-JL 1050, einem Gusseisen mit Lamellengraphit. Dabei handelt es sich um eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung. Vorteilhaft wirken sich bei dieser Legierung die Lamellen hinsichtlich der Dämpfungseigenschaften (Graphitlamellen wirken wie kleine Stoßdämpfer), bei der Wärmeleitfähigkeit und der Formsteifigkeit aus. Außerdem können die Lamellen dem Gusseisen Selbstschmiereigenschaften verleihen, wenn sie durch Bearbeitung angeschnitten werden. Denn in den so entstehenden Hohlräumen lagert sich Schmiermittel ein.

Die Optimierung des Gesamtsystems Zylinderkopf ist der Schlüssel zum Erfolg

Der V36-Zylinderkopf setzt die Erkenntnisse aus der F&E-Arbeit von 2G mittels zwei Kühlebenen in die Praxis um. Für Frank Grewe ist die Gesamtbetrachtung der thermischen Gegebenheiten im Zylinderkopf von entscheidender Bedeutung: „Zunächst werden die Hot-Spots wie Zündkerzen und Ventilsitz gekühlt. Anschließend durchströmt das Kühlmedium den oberen Teil des Zylinderkopfes. Durch das sogenannte Zwischendeck herrschen überall im Kühlsystem der Zylinderköpfe definierte Strömungsbedingungen. Der Einsatz von einzelnen Komponenten wie z.B. der M18 Zündkerze statt der Standardgröße M14 löst nicht das Problem einer optimierten Hitzeabfuhr.“ Allein durch den optimierten Wärmetransfer vom warmen Bauteil zum Kühlmedium konnten bereits Standzeitverlängerungen der bewegten Komponenten wie Ventil sowie Ventilsitz und des V36-Zylinderkopfs allgemein nachweislich erzielt werden.

Eine weitere Maßnahme zur Standzeitverlängerung hat als Ziel die Verhinderung von Ablagerungen an Ventilen und Ventilsitz. Mit Hilfe der verwendeten RotoCap-Komponenten werden die Ventile (Einlass- und Auslassventil) in eine Zwangsrotation versetzt. Bei jedem Ventilhub rotieren somit die Ventile um circa 2°. So drehen sich die Ventile etwa mit 4 Umdrehungen/Minute. Dabei setzen die Ventilteller auf den Ventilsitz immer in einer anderen Position auf und schaben dabei mögliche Ablagerungen vom Ventilteller und dem Ventilsitz ab. Schädliche Ablagerungen, die den Wärmetransfer vom heißen Ventilteller zum wassergekühlten Ventilsitz verhindern oder verschlechtern, entstehen somit gar nicht erst. Auch mit Hilfe der Rotation werden die Zylinderkopfstandzeiten nochmals deutlich verlängert.

Der Vorteil der M18-Zündkerze in den V36-Zylinderköpfen ist, dass die große Mantelfläche des Zündkerzengewindes für einen optimierten Wärmetransfer zum wassergekühlten Gewindeinnenteil des Zylinderkopfes sorgt. Standzeitförderliche Werkstoffpaarungen sowohl für die Elektroden als auch bei der Auswahl der Isolatoren bewirken Nutzungsdauern von bis zu 8.000 Betriebsstunden und mehr.

Wirtschaftlichkeit und Einhaltung von Emissionsgrenzwerten – zwei Seiten der gleichen Medaille

Aus der Sicht von 2G Vertriebsleiter Jörg Lösing hat die Frage der Wirtschaftlichkeit des motorentechnischen Upgrades für den Anlagenbetreiber eine gleichrangige Bedeutung gegenüber der Einhaltung von Emissionsgrenzen: „Wir erhalten verstärkt das Signal aus dem Markt, dass in Anbetracht erheblicher Restlaufzeiten bestehender Anlagen und möglichen, neuen Anpassungen der EEG-Förderung nach einer wirtschaftlich tragfähigen und sicheren Lösung für die Einhaltung der 44. BImSchV gesucht wird.“ Durch die beschriebene Weiterentwicklung der Zylinderköpfe können die üblichen Wartungsintervalle des jeweiligen Motorherstellers erheblich verlängert werden (Tabelle 1). Das wirkt sich natürlich gravierend auf die Wartungskosten und damit auf die Total-Cost-of-Ownership (TCO) aus. Die V36-Zylinderkopf-Lösung ist für ihn damit ein probates Mittel, um zu verhindern, dass vor Jahren getätigte Investitionen unvermittelt notleidend werden.

Den Zylinderkopfaustausch bei Bestandsanlagen bewertet Jörg Lösing nicht nur als eine wirtschaftlich interessante, sondern vor allen Dingen auch unproblematisch umzusetzende Maßnahme zum Refit: „Mit einer begrenzten Investition kann ohne Veränderung an der Grundkonzeption der gesamten Anlage die Einhaltung der Verordnung im Praxisalltag unproblematisch erreicht werden. Eine zeitlich aufwändige Umbauphase entfällt dadurch und das motorentechnische Know-how unserer Entwicklung bietet die Gewähr für die nötige langfristige Betriebssicherheit nach der Installation der V36-Zylinderköpfe.“

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