Beschreibung | BHKW

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Beschreibung | BHKW-Anlagen von YADOS
YADOS BHKW-Anlagen
Inhaltsverzeichnis
Seite
1
Allgemeine Erläuterungen
4
2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
BHKW in Energiezentralen zur Versorgung von Nahwärmenetzen
Einsatzgebiete
Netzeinspeisung und Netzparallelbetrieb
Ökosteuerreform
Auslegung des Blockheizkraftwerkes
Fahrweise der BHKW-Anlage
Wärmegeführte Fahrweise
Stromgeführte Fahrweise
Kombinierte Fahrweise
4
4
5
5
6
6
6
6
6
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
BHKW für Sondergase (Regenerative Energien)
BHKW in Biogasanlagen
Entstehung des Biogases
Qualität des Biogases
Aufbereitung des Biogases
6
7
7
7
7
4
4.1
4.2
4.3
Gesetzlichkeiten
Bundes-Immissionsschutzgesetz (BimSchG)
Baugenehmigung
Stromeinspeisung und Netzparallelbetrieb
8
8
8
8
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.6.1
5.6.2
5.6.2.1
5.6.2.2
5.6.2.3
5.6.2.4
5.6.2.5
5.6.2.6
5.6.2.7
5.6.2.8
5.6.2.9
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
Das BHKW von YADOS
Modulaufbau
Antriebsmaschine
Generator
Wärmeauskopplung, Kühlung, Heizungseinbindung
Schalldämpfung
Steuerung
Aufbau
Beschreibung ausgewählter Funktionen
Motorsteuerung
Hand- und Automatikbetrieb
Drehzahl- und Frequenzregelung mit Störgrößenaufschaltung
Leistungsregelung
Netzersatz- und Netzparallelbetrieb
Netz- und Generatorüberwachung
Sicherheitssystem
Funktionen des LCD-Bedientableaus
Erweiterbarkeit
Gasversorgung
Gasmischer
Motor-Schmierölversorgung
Lüftungsanlage
Abgasanlage
9
9
9
9
10
11
11
12
14
14
14
14
15
15
15
15
16
16
16
17
17
18
18
3
YADOS BHKW-Anlagen
1
Allgemeine Erläuterungen
Das BHKW mit Gasmotor trägt unbestritten zur Energieeinsparung bei, da Strom und Wärme gleichzeitig erzeugt werden und
dazu ein Energieträger benutzt wird, der ohne Aufbereitung als Energiequelle genutzt werden kann. Dabei hängt die
Wirtschaftlichkeit stark von der energietechnischen Effizienz ab.
BHKW-Anlagen können wirtschaftlich betrieben werden, wo ein kontinuierlicher, größerer Wärme- und Strombedarf anfällt, wie
es in Energiezentralen für Nahwärmenetze (s. Abschnitt 2) der Fall ist oder der BHKW-Strom angemessen vergütet wird.
Letzteres ist hauptsächlich bei Verwendung von regenerativen Brennstoffen, wie z.B. Biogas, der Fall (s. Abschnitt 3).
2
BHKW in Energiezentralen zur Versorgung von Nahwärmenetzen
Ausgangspunkt zur Stromerzeugung waren Kraftwerke, die mit Dampf betrieben wurden. Die anfallende Abwärme wurde an die
Umgebung abgegeben oder über Fernwärmeleitungen aufwendig und mit vielen Verlusten an eventuelle Kunden verteilt.
Nur sehr große Kraftwerke konnten auf diese Weise wirtschaftlich genug betrieben werden.
Dezentrale BHKW-Anlagen können diesen Verhältnissen Abhilfe schaffen, da die benötigte Wärme dort produziert wird, wo sie
benötigt wird und der Strom mit relativ einfachen Mitteln auch über weitere Entfernungen übertragen werden kann.
Auf diese Art kann man Nahwärmenetze schaffen, die wesentlich effektiver betrieben werden können als die Fernwärmenetze
der großen Kraftwerke, da die nicht zu vernachlässigenden Leitungsverluste auf ein Minimum reduziert werden.
Der dezentrale Einsatz von BHKWs ist demzufolge nicht an ein ausgedehntes Wärmenetz, wie z. B. das Fernwärmenetz,
gebunden. Die erzeugte Wärme wird vielmehr in einzelne Objekte oder in Nahwärmenetze eingespeist. Der elektrische Strom
sollte dabei im Allgemeinen den Eigenverbrauch decken. Der Gesamtnutzungsgrad eines solchen BHKWs liegt bei 85% und
mehr, wobei elektrischer und thermischer Nutzungsgrad gemeinsam herangezogen werden. Die Nutzungsgrade werden dabei
auf den Heizwert Hi bezogen.
Des Weiteren muss in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass durch moderne Schadstoffminderungsverfahren
Emissionen, die beim Betrieb von Motoren entstehen, auf ein Minimum reduziert werden können. Einen entscheidenden Beitrag
dazu leistet auch der Einsatz von Erdgas im Vergleich zu Kohle und Öl.
Eventuell auftretende Hemmnisse für den Einsatz von BHKW-Anlagen sind unter anderem:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
mangelndes technisches Verständnis
fehlende Kenntnis der vertragsrechtlichen Situation beim Energiebezug
zu hohe Erwartungen in die Amortisationszeit
Finanzierungsprobleme
aufwendige vorhergehende Untersuchungen
aufwendige Planung
In einem BHKW-Modul wird durch Verbrennung von Kraftstoffen in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor mechanische Energie
erzeugt, die durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Die bei dem Verbrennungsprozess entstehende
Wärme aus Motorkühlwasser, Schmieröl und Abgas wird über entsprechende Wärmetauscher an einen Heizungskreislauf
abgegeben, d.h. die Erzeugung von Strom und Wärme durch ein BHKW erfolgt immer zeitgleich.
Ein Spitzenkessel sollte das BHKW-Modul ergänzen, da das BHKW mit seiner Leistung in Spitzenzeiten nicht in ausreichendem
Maße die Wärme zur Verfügung stellen kann. Ein zusätzlicher Pufferspeicher kann die Abhängigkeit der Stromerzeugung von der
Wärmeerzeugung und damit der Wärmeabnahme temporär trennen. Diese Kombination führt zu einer Versorgungssicherheit
und sollte aus wirtschaftlichen Gründen weitestgehend als Grundlage herangezogen werden.
Oft gibt es auch Anwendungen, bei denen Kälte benötigt wird. Dies wurde bisher häufig mit Kompressionskältemaschinen
realisiert. Damit die Laufzeiten des BHKW-Moduls verlängert werden können, sollte die Wärme, die beim Betrieb des BHKWModuls ohnehin anfällt, genutzt werden, um eine thermisch angetriebene Kältemaschine damit zu versorgen, die dann wiederum
die Wärme in Kälte umwandelt. In den Sommermonaten kann diese Kälte für Klimatisierungszwecke und das ganze Jahr über für
Kälteprozesse genutzt werden. So kann unter Umständen die Auslastung der gesamten BHKW-Anlage erhöht werden.
Gegenüber der Kälteerzeugung mit den bereits erwähnten Kompressionskältemaschinen kommen thermisch angetriebene
Kältemaschinen mit wesentlich weniger Energie aus, wodurch sich wiederum die benötigte elektrische Energie und damit auch
die erzeugte thermische Energie verringert.
2.1 Einsatzgebiete
Wie in Abschnitt 1 bereits erwähnt, sollte ein BHKW mit Nutzung fossiler Energieträger immer nur so groß dimensioniert werden,
dass die anfallende Wärme voll genutzt werden kann. Nur wenn dies beachtet wird, kann eine BHKW-Anlage wirtschaftlich
betrieben werden und dem Betreiber auch einen Nutzen bringen. Demgegenüber stehen die BHKW-Anlagen,
in denen Sondergase verstromt werden (s. Abschnitt 3).
4
YADOS BHKW-Anlagen
Einsatzgebiete für BHKWs sind vor allem:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Biogasanlagen
Gewerbe, Industrie
Krankenhäuser
Schwimmbäder
Wohnsiedlungen
Kläranlagen
Deponiegasanlagen
Verwaltungsgebäude, Schulen
und öffentliche Gebäude
Betreiber können Stadtwerke, Energieagenturen und der
Nutzer selbst sein, wobei der erzeugte Strom im eigenen Objekt
verbraucht oder für die Einspeisung in das Netz des
Energieversorgers genutzt wird.
Im produzierenden Gewerbe ist oft der Bedarf an Wärme
vorhanden, vor allem bei Beschichtungsprozessen o. Ä. Die
Strombewertung erfolgt in der Regel nach dem Prinzip der
vermiedenen Kosten und bietet eine gute Grundlage für den
wirtschaftlichen Betrieb der Anlage.
YADO|KWK-BG Energiezentrale in Modulbauweise
Krankenhäuser sind ein besonderer Anwendungsfall für
BHKWs, da hier eine gleichmäßige Wärmegrundlast und ein
hoher Strombedarf eine sehr gute Voraussetzung bilden. Dazu
kommt, dass das BHKW Spitzen bei Hochfahr- und Zuschaltzeiten, z. B. bei Notstromzuschaltungen, unterstützen kann.
Als ideales Einsatzgebiet für BHKW-Anlagen gelten Schwimmbäder und Hallenbäder. Wo bei Freibädern nur im Sommer der
Wärmebedarf zum Heizen des Beckenwassers vorhanden ist,
erweitert sich bei Hallenbädern die Laufzeit des BHKWs über
das gesamte Jahr, da das Schwimmbecken als überdimensionierter Pufferspeicher betrachtet werden kann.
YADO|KWK-BG 365 Harsleben
2.2
Netzeinspeisung und Netzparallelbetrieb
Bezüglich des Netzparallelbetriebs und der Netzeinspeisung gibt es eine Verbändevereinbarung innerhalb der Vereinigung
Deutscher Elektrizitätswerke (VDEW) seit August 1979. Diese Vereinbarung regelt die stromwirtschaftliche Zusammenarbeit für
Sonderabnehmer wie auch für örtliche Verteiler. So wird z. B. für den Parallelbetrieb von BHKW-Anlagen zum EVU-Netz kein
Entgelt berechnet und der Zusatzstrom, der möglicherweise vom EVU-Netz bezogen wird, ist dem vollständigen Bezug aus dem
EVU-Netz gleichgestellt.
Die EVUs müssen den überschüssigen Strom, der nicht im Objekt genutzt werden kann, im Versorgungsnetz aufnehmen.
Anhand der Höhe der Vergütung dieses Stromes durch den Energieversorger kann sich der Betreiber einer BHKW-Anlage zur
kompletten Eigennutzung oder zu einer Einspeisung entscheiden. In diesem Zusammenhang sollte man auch Zuschüsse durch
die Regelungen im KWK-Gesetz betrachten.
Zu beachten sind in allen Ausführungsvarianten die Technischen Anschlussbedingungen des zuständigen Stromversorgungsunternehmens und die VDEW-Richtlinie „Parallelbetrieb mit dem Niederspannungsnetz“.
2.2.1
Ökosteuerreform
Am 01.04.1999 trat die neue Ökosteuer in Kraft, welche eine Mineralölsteuer und eine Stromsteuer beinhaltet. In dieser
Ökosteuer ist eine Befreiung von der Mineralölsteuer für die Betreiber von Blockheizkraftwerken vorgesehen, die monatlich eine
Brennstoffausnutzung von über 70% nachweisen können. Hinzu kommt, dass der Betreiber bei der Eigenstromerzeugung keine
Stromsteuer zu entrichten braucht. Ausgangspunkt für diese Ökosteuerreform war die Minderung der CO2-Emissionen, auch
Treibhauseffekt genannt, da zeitgleich zur Stromerzeugung zwangsweise auch die Wärmeerzeugung stattfindet, wodurch ein
separater Wärmeerzeuger dementsprechend entlastet wird.
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YADOS BHKW-Anlagen
2.2.2 Auslegung des Blockheizkraftwerkes
Das Blockheizkraftwerk wird nach dem Strombedarf des zukünftigen Betreibers ausgelegt. Dazu wird vorzugsweise eine
Leistungsmessung durchgeführt, wodurch man den tatsächlichen Verbrauch an Elektroenergie innerhalb des ausgewählten
Objektes ermitteln kann. Wird der vom BHKW-Modul erzeugte Strom über entsprechende Einspeisevergütungen ins EVU-Netz
eingespeist, kann der Eigenstrombedarf vernachlässigt werden. Das Blockheizkraftwerk sollte wiederum aber nur so groß
dimensioniert werden, wie auch die Wärme, die zeitgleich im Modul entsteht, im Gebäude abgenommen werden kann. Dies
entspricht etwa 10-20% des maximal benötigten Wärmebedarfs. Sinnvoll ist es an dieser Stelle die „Geordnete
Jahresdauerlinie“, die für jedes Objekt vorhanden sein müsste, heranzuziehen. So kann man vorab überschläglich die Laufzeit
des BHKW-Moduls bestimmen. Ein BHKW-Modul kann erst sinnvoll und wirtschaftlich betrieben werden, wenn hohe Laufzeiten
pro Jahr erreicht werden können. Diese Laufzeiten hängen stark von der Größe des zu installierenden
BHKW-Moduls ab.
2.3
Fahrweise der BHKW-Anlage
2.3.1 Wärmegeführte Fahrweise
Die BHKW-Anlage wird in Abhängigkeit des Wärmebedarfs an- bzw. abgewählt sowie in der Leistung variiert. Der Wärmebedarf
richtet sich z. B. nach der Rücklauftemperatur des Heizkreises oder nach dem Ladestand des Wärmespeichers.
Die Anforderung des BHKWs kann durch eine übergeordnete Leittechnik, die für die gesamte Wärmeerzeugung und -verteilung
zuständig ist erfolgen oder bei einfachen Anlagen in der BHKW-Modulsteuerung realisiert werden. Der Strom wird in diesem
Zeitraum im eigenen Objekt genutzt oder gegen eine entsprechende Vergütung in das EVU-Netz eingespeist.
2.3.2 Stromgeführte Fahrweise
Die BHKW-Anlage wird in Abhängigkeit des Strombedarfs ein- bzw. ausgeschaltet. Die elektrische Leistung wird über
Messwandler von der Modulsteuerung erfasst und das BHKW-Modul leistungsmodulierend betrieben. Die dabei anfallende
Wärme muss im Gebäude abgenommen oder über einen Notkühler ins Freie abgeführt werden.
2.3.3 Kombinierte Fahrweise
In der kombinierten Fahrweise erfolgt die Anwahl des Moduls wenn sowohl der Wärmebedarf als auch der Bedarf an
Elektroenergie ausreichend groß sind. Der Leistungsvollwert richtet sich nach dem geringeren Bedarf, so dass beide
Energiearten (Wärme und Strom) sicher abgenommen werden. Dabei empfiehlt sich der Einsatz eines Wärmespeichers, um bei
Elektroenergiebedarf eine längere Laufzeit des Moduls zu erreichen und ein hohes Takten (häufige Starts des Moduls)
zu vermeiden.
3
BHKW für Sondergase (Regenerative Energien)
Strom aus Bio-, Klär- und Deponiegasanlagen kommt eine besondere Bedeutung zu, da diese Energieträger eigentlich Abfallprodukte darstellen und somit eine ausgezeichnete Ausgangsbasis für den Betrieb einer solchen Anlage sind. Bei dieser Art der
Energieerzeugung werden Einsatzstoffe verwendet, die sonst ein Entsorgungsproblem darstellen würden. Dabei wird die
Umwelt gleich doppelt entlastet: Die Freisetzung dieser Gase wird vermieden und durch ihre Nutzung reduziert sich gleichzeitig
der Bedarf an fossilen Brennstoffen. Diese Art der Energieerzeugung wird in Deutschland gefördert und dementsprechend auch
bei der Einspeisung in das öffentliche Netz des Energieversorgers vergütet. Gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
sind die Netzbetreiber verpflichtet, Anlagen zur Erzeugung von Strom aus derartigen Energieträgern an ihr Netz anzuschließen,
den gesamten angebotenen Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und den eingespeisten Strom zu vergüten.
Zur Zeit sind zahlreiche Verfahren zur Aufbereitung der zu verbrennenden Gase in der Entwicklung. Probleme zeigen sich häufig
in der Gaszusammensetzung und der anschließenden Verbrennung im Verbrennungsmotor, da die zur Verfügung stehenden
Rohgase teils Begleitstoffe enthalten, wie z. B. Schwefel, Chlor, Fluor, Phosphate und Silizium. Deshalb sollte vor der
Errichtung der BHKW-Anlage eine Gasanalyse zur Prüfung vorgelegt werden. Eventuell muss eine Reinigung des Rohgases
durchgeführt werden.
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YADOS BHKW-Anlagen
3.1
BHKW in Biogasanlagen
In den letzten Jahren hat das Interesse an Biogasanlagen und -verfahren stark zugenommen.
Angetrieben wurde der Aufschwung durch das am 14.12.1990 in Kraft getretene Gesetz zur Einspeisung und Vergütung von
Strom aus regenerativen Energiequellen. Weiter vorangetrieben wurde dieser Aufschwung durch das 2000 in Kraft getretene
„Erneuerbare Energien Gesetz“ und dessen Novellierungen.
3.1.1
Entstehung des Biogases
Biogas entsteht bei der Zersetzung von organischer Substanz durch spezielle Methanbakterien. Für die Entstehung des
energiereichen Biogases ist es wichtig, dass anaerobe Bedingungen herrschen (unter Luftausschluss) und die Temperaturen
den vorhandenen Bakterien angepasst sind. Die Bakterien zersetzen die organische Substanz in mehreren Stufen, zeitlich
voneinander getrennt, räumlich aber nebeneinander ablaufend. Letztendlich entstehen die kleinstmöglichen gasförmigen
Molekularformen Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Weiterführende Betrachtungen sind bitte der einschlägigen Lektüre
zu entnehmen.
Gegenüber der offenen Lagerung treten in der geschlossenen Biogasanlage keine nennenswerten Verluste an Methan und
Ammoniak auf. Für Landwirte haben Biogasanlagen einen mehrfachen Nutzen: Die Gülle wird als Düngemittel aufgewertet, die
Geruchsbelastungen bei Ausbringung der Gülle werden reduziert und mit Hilfe der energetischen Nutzung des Biogases lassen
sich zusätzliche Erlöse aus dem Verkauf von Strom und Wärme erwirtschaften. Landwirte, die eine Biogasanlage betreiben,
wirken so aktiv bei der Einsparung treibhauswirksamer Emissionen mit. Durch diese Art der Energieerzeugung wird kein
zusätzliches CO2 erzeugt. Anders als bei der Kompostierung wird durch die anaeroben Bedingungen bei der Zersetzung der
organischen Substanzen kein Methan und Ammoniak unkontrolliert freigesetzt.
Für Landwirte zählen zusätzlich eine Reihe weiterer Vorteile, wie z. B. die Hygienisierung der organischen Reststoffe, wodurch
die Geruchsbelästigung und die Keimfähigkeit von Unkrautsamen reduziert werden. Die verarbeitete Gülle hat eine bessere
Düngewirkung und ist pumpfähiger als die unbehandelte Gülle, wodurch sie sich leichter ausbringen lässt.
3.1.2
Qualität des Biogases
Die Qualität des Biogases wird durch das Verhältnis des brennbaren Methans zum „nutzlosen“ Kohlendioxid bestimmt.
Bei Biogasanlagen ist ein Methangehalt von 50...70% üblich.
Man kann den Gehalt von Methan im Biogas messen, indem man den Gehalt von Kohlendioxid mit dem Brigon-Gerät ermittelt
und anschließend 1...2% Begleitgase einrechnet. Dieses Verfahren ist bei Anlagen ohne Entschwefelung prinzipiell richtig, bei
Anlagen mit Entschwefelung dagegen sind Begleitgase in Höhe von 6...8% enthalten.
Durch gezieltes Einblasen geringer Außenluftmengen in den Gasraum des Fermenters kann mit Hilfe von Schwefelbakterien
Schwefelwasserstoff in Schwefel und Schwefelsäure und Wasser umgewandelt werden.
3.1.3
Aufbereitung des Biogases
Biogas, welches frisch aus dem Fermenter kommt, ist wasserdampfgesättigt und hat einen sehr hohen Gehalt an Schwefelwasserstoff. Aus diesem Grund sollte das Biogas getrocknet werden, da auf diese Weise auch Siliziumoxid und Ammoniak mit
ausgeschieden werden. Beide Stoffe verursachen Schäden an Buntmetallen.
Ein weiterer Grund für die Trocknung des Biogases ist die Reduzierung der Korrosion an den anschließenden Rohrleitungen,
Armaturen, Gaszählern und auch bei den Gasverbrauchern. Deshalb sollten Rohrleitungen steigend verlegt werden bzw. mit
Kondensatabscheider (Kondensatfallen) versehen werden.
Eine gezielte Trocknung des Biogases erfolgt durch Abkühlung und Auskondensierung. Anschließende Rohrleitungen müssen
isoliert verlegt werden, damit das Biogas an diesen Leitungen nicht weiter auskondensiert.
Bei Anlagen mit zu geringem Gasvordruck kann es notwendig sein, dass ein zusätzliches Gasgebläse installiert werden muss, da
der Druckverlust der Gasregelstrecke am BHKW überwunden werden muss.
Eine Flammenrückschlagsicherung verhindert, dass sich bei Bildung eines brennbaren Gas-Luft-Gemisches in der Gasleitung
dieses nicht an der Flamme des Verbrauchers entzündet. Dies kann als vereinfachte Ausführung ein Kiesbehälter sein.
Der Kiesbehälter ist ein korrosionsbeständiger Behälter, der mit feinem Kies gefüllt ist, an dem eine rückschlagende Flamme so
stark abgekühlt wird, dass sie erlischt.
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YADOS BHKW-Anlagen
4
Gesetzlichkeiten
4.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BimSchG)
Das Bundes-Immissionsschutzgesetz wurde 1974 zum Schutz der Bevölkerung vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch
Luftverunreinigungen und Geräuschen, wie z. B. Maschinenlärm, eingeführt. Dieses Gesetz gilt für alle Anlagen, die solche
schädlichen Umwelteinwirkungen verursachen können, so dass diese Anlagen einer Genehmigung bedürfen.
BHKW-Anlagen mit einer Feuerungswärmeleistung (Primärenergiebedarf) ab 1 MW sind generell genehmigungspflichtig.
TA-Lärm
Die vom BHKW ausgehenden Geräusche sind weitestgehend gleichbleibend in Bezug auf Lautstärke und Frequenz.
Zur Begrenzung der Schallimmissionen sind Richtwerte festgelegt worden:
Diese liegen bei:
tagsüber
nachts
6.00 - 22.00 Uhr
22.00 - 6.00 Uhr
dB(A)
dB(A)
Gebieten*, in denen nur gewerbliche oder industrielle
Anlagen und Wohnungen für Inhaber und Aufsichtspersonen untergebracht sind
70
70
Gebieten* mit vorwiegend gewerblichen Anlagen
65
50
Gebieten* mit ausgeglichener Anzahl gewerblicher
Anlagen und Wohnungen
60
45
Gebieten*, in denen vorwiegend Wohnungen
untergebracht sind
55
40
Gebieten*, in denen ausschließlich Wohnungen
untergebracht sind
50
35
Krankenhäusern*, Pflegeanstalten und in Kurbereiche*
45
35
Wohnungen**, die mit der Anlage baulich verbunden sind
35
25
* außerhalb von Gebäuden
** innerhalb von Gebäuden
Gemessen werden diese Werte in 0,5m Abstand zum nächstgelegenen Fenster eines Wohngebäudes in naher Umgebung.
TA-Luft
Für die von einer BHKW-Anlage verursachten Luftverunreinigungen sind Grenzwerte festgelegt worden. Diese werden in
mg/Nm³-Abgas angegeben und beziehen sich auf einen Restsauerstoffgehalt von 5% im trockenen Abgas.
Die zurzeit gesetzlich vorgeschrieben Grenzwerte sind der jeweils aktuellen TA-Luft zu entnehmen. Unterschieden wird dabei
zwischen Selbstzündungs- und Fremdzündungsmotoren und den jeweils zum Einsatz kommenden Brennstoffen.
Bei Notstrom-Anlagen finden die Grenzwerte für Stickstoffoxide keine Anwendung.
4.2 Baugenehmigung
Der Bau einer BHKW-Anlage bedarf in jedem Fall einer Baugenehmigung. Die bauaufsichtlichen Bestimmungen für die
Errichtung von Feuerungsanlagen unterliegen den entsprechenden Vorschriften der einzelnen Bundesländer. Dies betrifft
insbesondere die Landesbauordnung (LBO) und die Feuerungsverordnung (FeuVO). Weiterhin darf das Wasserhaushaltsgesetz nicht außer Acht gelassen werden. Dies betrifft vor allem Anlagen in Wasserschutzgebieten aber auch Anlagen außerhalb
solcher Gebiete, wenn es z. B. um Öllagerungen und deren sichere Aufbewahrung geht.
4.3 Stromeinspeisung und Netzparallelbetrieb
Im Energiewirtschaftsgesetz sind die Rahmenbedingungen definiert, unter denen Eigenstromerzeugungsanlagen betrieben
werden können. Durch das Betreiben eines BHKW-Moduls wird der Kunde zum Sonderabnehmer und hat Anspruch auf die
Versorgung mit Zusatzstrom durch das jeweils zuständige EVU. Er ist dem Sonderabnehmer ohne Eigenstromerzeugung
gleichzustellen. Eine Benachteiligung ist nicht zulässig, das BHKW-Modul muss aber rechtzeitig angemeldet werden.
Der Parallelbetrieb von BHKW-Anlagen mit dem öffentlichen Netz ist in der Verbändevereinbarung eindeutig geregelt.
So wird z. B. erklärt, dass ein Zusatzstrombezieher dem Vollstrombezieher gleichgestellt wird. Weiterhin ist in der Verbändevereinbarung festgehalten, dass über Leistungsrücklieferungen individuelle Vereinbarungen zu treffen sind.
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YADOS BHKW-Anlagen
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Das BHKW von YADOS
5.1 Modulaufbau
Das BHKW zur Erzeugung von Drehstrom 400V AC, 50Hz und Heizwärme 90/70°C wird als stationäres Aggregat auf einem
verwindungssteifen, aus Stahlprofilen geschweißten Grundrahmen aufgebaut und vibrationsarm gelagert. Der Grundrahmen
wird ebenfalls schwingungsentkoppelt zum Fundament aufgestellt.
Das Fundament muss für das BHKW-Modul ausgelegt sein.
Das Aggregat wird mit entsprechenden Einrichtungen für den schadstoffarmen Betrieb gemäß der TA-Luft ausgerüstet.
Alle Anschlüsse wie Heizung, Abgas, Brennstoffzufuhr und Kondensatableitung sind aus dem BHKW-Modul schwingungsentkoppelt herausgeführt.
Bei besonderen schallschutztechnischen Anforderungen gibt es auch folgende Möglichkeiten:
- zusätzlicher Fundamentblock unter dem BHKW-Modul auf schwingungsdämpfender Unterlage
- Trennung des Maschinenfundaments vom Gebäudefundament
5.2 Antriebsmaschine
Die Antriebsmaschine ist ein Gasindustriemotor mit oder ohne Aufladung, der über eine flexible Kupplung (Zweilagerbetrieb)
bzw. direkt (Einlagerbetrieb) kraftschlüssig mit einem Synchrongenerator verbunden ist. Der erzeugte Strom wird im Objekt
genutzt und/oder wird ins EVU-Netz eingespeist.
Um den Kostenfaktor BHKW weitgehend zu minimieren, werden oft aufgeladene Motoren eingesetzt, bei denen das Gas-LuftGemisch mittels Turbine, dem Abgasturbolader, verdichtet wird. Durch das größere Füllvermögen in den Zylindern werden
höhere spezifische Energiedichten und damit höhere Leistungen als bei Saugmotoren vergleichbarer Baugröße erreicht.
Außerdem erzielt man bei aufgeladenen Motoren bessere Abgaswerte als bei Saugmotoren vergleichbarer Leistung. Um die
geforderten Abgaswerte gemäß TA-Luft bei Saugmaschinen zu ermöglichen, werden hauptsächlich 3-Wege-Katalysatoren mit
=1-Regelung eingesetzt. Optimale Abbauraten der Schadstoffe werden bei konstanter Luftzahl  knapp unter 1 (0,99)
erreicht. Dazu misst man mit Hilfe einer Lambda-Sonde den Rest-Sauerstoffgehalt der Maschine im Abgas. In Abhängigkeit
vom Sondensignal wird das Gas-Luft-Gemisch entsprechend ausgeregelt.
Bei Magermotoren treten durch den Luftüberschuss während der Verbrennung schon weniger Schadstoffe in den Abgasen
auf, wodurch diese Motoren auch meistens bei Problemgasen eingesetzt werden. Eventuell kann eine weitere Reduzierung
der Schadstoffe mittels Oxidationskatalysator durchgeführt werden.
5.3 Generator
Für den BHKW-Betrieb können sowohl Asynchron- als auch Synchron-Generatoren verwendet werden.
Asynchron-Generatoren sind robust und preiswert. Das Netz gibt im Betrieb die Spannung und die Frequenz vor und liefert den
zur Erregung notwendigen Magnetisierungsstrom, d.h. das Netz wird zusätzlich mit einem Blindstrom belastet. Aus diesem
Grund werden häufig bei Verwendung von Asynchron-Generatoren Blindstromkompensationsanlagen gefordert.
Wird der Asynchron-Generator mit einer Drehzahl angetrieben, die über der im Motorbetrieb erreichten liegt, erzeugt er Strom.
Der Start des BHKW-Moduls kann über den Generator erfolgen, indem der stehende Generator ans Netz geschalten wird, der in
diesem Fall als Motor funktioniert. Diesen Vorgang nennt man Generatorstart.
Das Ausmaß der Netzrückwirkungen bei BHKW-Anlagen mit Asynchron-Generatoren wird oftmals unterschätzt. Durch die
zunehmende Verbreitung solcher Anlagen wachsen auch die Probleme in Bezug auf die Netzrückwirkungen, da das öffentliche
Netz einem Baum ähnelt; in der Nähe eines Kraft- oder Umspannwerkes ist der Stamm dick und verzweigt sich von dort. Meist
werden BHKW-Anlagen in verzweigten Bereichen angeschlossen, so dass die unerwünschten Netzrückwirkungen,
hauptsächlich die auftretenden Spannungsschwankungen beim Stern- / Dreieck-Anlauf, nicht kompensiert werden können.
Die Stromerzeugung erfolgt bei den BHKW-Modulen von YADOS in der Regel über Synchron-Generatoren, die im Netzparallelbetrieb zwar komplizierter zu handhaben sind, da diese Generatoren eine Synchronisierungseinrichtung benötigen. Sie
bieten aber die Möglichkeit des Insel- oder Netzersatzbetriebes, da durch Regler die Spannung und die Frequenz konstant
gehalten werden können. Im Gegensatz zu Asynchron-Generatoren, die Blindstrom erzeugen, kann mit Hilfe von SynchronGeneratoren sogar eine Blindstromkompensation durchgeführt werden, indem man die Erregung verändert. DreiphasenSynchron-Generatoren sind Drehfeldmaschinen, bei denen das Drehfeld von einem gleichstromerregten Polsystem und einer
drehstromerregten Wicklung aufgebaut wird. Der Ständer ist mit den dreisträngigen Wicklungen ausgestattet und der Läufer
bildet das Polsystem (Innenpolmaschine). Dem Polsystem muss also nur die Leistung entsprechend den Erregerverlusten
zugeführt werden. Die wesentlich größere Ankerleistung kann über feste Verbindungen zwischen Netz und Ständerwicklung
ausgetauscht werden.
Der Synchrongenerator verfügt über einen elektronischen Regler sowie einen Statikwandler und cos  - Regler für
Netzparallelbetrieb. Gestartet werden BHKW-Module mit Synchron-Generatoren über batteriegespeiste Anlasser oder
Netzstartgeräte.
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YADOS BHKW-Anlagen
5.4 Wärmeauskopplung, Kühlung, Heizungseinbindung
Der Motor ist wassergekühlt. Der Kühlkreislauf des Motors wird als Wärmeerzeuger genutzt. Dabei wird das Motorkühlwasser
über eine Umwälzpumpe durch den Motorölkühler, den Motorblock, das wassergekühlte Abgassammelrohr und den
Kühlwasserwärmetauscher gefördert und das durchlaufende Heizungswasser auf ca. 84°C vorgewärmt und im nachgeschalteten Abgaswärmetauscher auf 90°C angehoben. Das Abgas wird bei Standard-BHKWs von YADOS auf 120°C (Erdgas) bzw.
auf 220-250°C (Biogas, bis 180°C möglich) abgekühlt.
Es gibt auch Anwendungen, bei denen höhere Temperaturen als die bereits erwähnten gefordert werden. Dies kann z. B. in
Krankenhäusern der Fall sein, wo das BHKW zur Dampferzeugung genutzt werden soll. Realisiert wird dieser Anwendungsfall
entweder mit der Teilung der Kühlkreisläufe, wenn nur relativ wenig thermische Energie auf dem höheren Temperaturniveau
benötigt wird, andernfalls kommen heißgekühlte Motoren zum Einsatz, bei denen der gesamte Kühlkreislauf bei einem höheren
Temperaturniveau betrieben werden kann.
Zuluft
Verbrennungsluft
Brennstoff und Gemischsystem BGS
Erdgas
Vorlauf
Heizung
Abgaswärmetauscher
Abgassystem AGS
Abgasaustritt
Motorkühlkreis MKK
Otto-Gas-Motor
3~
Generator
Rücklauf
Heizung
Kühlwasserwärmetauscher
Schmierölsystem SOS
Abbildung:
BHKW-Modul mit Wärmeauskopplung (vereinfachte Darstellung)
Die Auslegung der Wärmeauskopplung orientiert sich an den üblichen Temperaturverhältnissen von Heizungsanlagen
(90°C / 70°C), sodass die Einbindung in bereits bestehende Anlagen ohne größere Probleme realisiert werden kann.
Um eine ausreichende Kühlung von Motor und Generator zu gewährleisten, darf die Rücklauftemperatur des Heizungwassers nicht 70°C überschreiten. Anderenfalls würde das BHKW-Modul von der Steuerung in der Leistung reduziert bzw.
abgeschaltet werden. Es muss also immer sichergestellt sein, dass genügend Wärme von der Heizungsanlage abgenommen
wird, um die Kühlung des Motors zu realisieren.
Die Heizungseinbindung kann in Reihen- oder Parallelschaltung erfolgen.
Die Reihenschaltung kommt bei kleineren Anwendungen wegen ihrer Einfachheit zum Einsatz.
Das BHKW entnimmt dem Hauptrücklauf einen Teilstrom und mischt diesen später nach einer Temperaturanhebung wieder
bei. Dadurch wird eine Rücklaufanhebung des Kessels realisiert. Der Kessel heizt nur noch bei Bedarf auf die geforderte
Vorlauftemperatur nach. Um Stillstandsverlusten beim reinen BHKW-Betrieb entgegenzuwirken, sollte in diesem Fall der
Kessel über eine Bypassleitung umfahren werden.
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YADOS BHKW-Anlagen
Die Parallelschaltung wird bei größeren BHKW-Anlagen und auch bei der Brennwerttechnik verwendet, da in diesen Fällen für
alle Anlagenteile geringe Rücklauftemperaturen vorteilhaft sind. Hierbei muss das Rücklaufwasser proportional zum Leistungsanteil über die Einzelanlagen verteilt werden, um die volle Leistungsabgabe jedes Wärmeerzeugers zu ermöglichen.
Damit sich Volumenstromänderungen auf der Verbraucherseite nicht auf die Wärmeerzeuger auswirken, sollten beide Kreise
durch eine hydraulische Weiche getrennt werden, wobei der BHKW-Rücklauf auf der Verbraucherseite eingebunden werden
sollte. Damit wird verhindert, dass bei verminderter Wärmeabnahme bei Kesselabwahl und Nachlauf der Kesselpumpe zu heißes
Heizungswasser über die hydraulische Weiche in den BHKW-Rücklauf gelangt.
Der Wärmebedarf der Verbraucherkreise unterliegt nicht nur den Jahres- und Tageszyklen, sondern auch kurzzeitigen
Schwankungen, wie z. B. beim Brauchwarmwasser. Ist die erzeugte Wärmemenge größer als die abgenommene Wärmemenge,
müsste das BHKW eigentlich abschalten, da die Kühlung nicht gewährleistet wäre. Durch den Einsatz von Pufferspeichern wird
diesem Effekt vorgebeugt. Der Pufferspeicher muss je nach Größe des BHKW-Moduls und der zu versorgenden Verbraucher
dimensioniert werden.
Durch den Einsatz von Pufferspeichern erreicht man eine:
- Verlängerung der Laufzeiten der BHKW-Module, wenn die gespeicherte Wärme die Kesselwärme ersetzt
- Reduzierung der Starts
- bessere Anpassung an den Strombedarf
- Funktion als hydraulische Weiche (BHKW / Kessel)
Die Wärme kann also zeitlich verschoben genutzt werden. Es muss aber verhindert werden, dass bei geringem Wärmebedarf
ein Kessel den Pufferspeicher erwärmt.
5.5 Schalldämpfung
Im System befindet sich ebenfalls die Abgasanlage mit Vorschalldämpfer.
Aus Gründen des Schallschutzes ist das BHKW-Modul mit einer entsprechenden Schallkapselung versehen. Zu- und Abluftregelung erfolgen durch eingearbeitete Öffnungen in der Schallkapselung über bauseitige Lüftungskanäle und einem integrierten
Zuluftventilator. Die Schallkapselung besteht aus einer selbsttragenden Stahlblechkonstruktion, ausgeschlagen mit
schwerentflammbarem, ölfestem und selbstverlöschendem Dämmmaterial.
So werden Schalldruckpegel von weniger als 65dB(A) in 1m Abstand zum BHKW-Modul erreicht.
5.6 Steuerung
Die Modulsteuerung ist für den vollautomatischen Betrieb ohne Beaufsichtigung konzipiert und übernimmt alle erforderlichen
Steuer-, Regel- und Überwachungsaufgaben.
Die Grundfunktionen sind:
- Motorsteuerung
- Motorüberwachung
- Netz- und Generatorüberwachung
- Steuerung der Abgasreinigungsanlage
- Störmeldungen / Datenfernübertragung
- Notabschaltung
11
YADOS BHKW-Anlagen
5.6.1 Aufbau
Die Steuer- und Regeleinrichtung sowie das Kuppelfeld zum EVU-Netz befinden sich abgesetzt vom BHKW-Modul in
einem Standschaltschrank.
Die BHKW-Modulsteuerung besteht aus einem kompletten Bausteinsystem von Erfassungs- und Ansteuerbaugruppen sowie
einer Rechnerbaugruppe für die Steuerung und Regelung der BHKW-Anlage.
Durch ihren modularen Aufbau und die freie Programmierbarkeit kann die BHKW-Steuerung problemlos an Kundenwünsche
angepasst und um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Es stehen serielle Schnittstellen für Ferndiagnose über Modem und
zur Einbindung der Steuerung in übergeordnete Leitsysteme zur Verfügung (z.B. über SAIA-S-Bus, Profibus).
Folgende Grundfunktionen sind in der BHKW-Steuerung enthalten:
- Stromversorgung: 24V (Batterie), mit Ladegerät
- Hand- und Automatikbetrieb
- Motorsteuerung (Startvorbereitung, Start, Startwiederholung, Stopp, Motornachlauf)
- Motorüberwachung (Warnmeldungen, Notstoppauslösung)
- Steuerung der Hilfsbetriebe
- Leistungsreduzierung bzw. Stopp bei Temperaturüberschreitungen
- Betriebsstundenzähler, Servicestundenzähler, Startzähler, kWh-Zähler
- Netz- und Generatorüberwachung
- Ansteuerung von Netz- und Generatorschalter
- Ansteuerung der Gasregelstrecke und des Gasdichteprüfgerätes
- Elektronische Drehzahlregelung mit Störgrößenaufschaltung
- Leistungsverstärker zur Ansteuerung eines Stellgliedes für die Gas- bzw. die Gemischklappe
- Frequenzregelung, Synchronisation, Leistungsregelung
- Zählernullstromregelung (Nullbezugsregelung)
- Netzparallelbetrieb (Netzersatzbetrieb, Rücksynchronisation optional)
- Netzersatzbetrieb mehrerer Module mit Lastverteilungsregelung , optional
- Regelung der Motoreintrittstemperatur durch Rücklaufanhebung
- Anzeige aller Betriebswerte und Fehler auf einem Display
- Bedienereingaben über Display
- Wochenprogramm
- Fehlerspeicherung
- Schnittstellen für Anbindung an übergeordnete Leittechnik
- Möglichkeit der Ferndiagnose und Programmänderungen über Modem
Die Modulsteuerung realisiert eine vollständige Potentialtrennung zwischen Netz, Generator und Verarbeitungsebene. Aus
diesem Grund sind dem Steuerrechner spezielle Signalaufbereitungsbaugruppen für Netz- und Generatorsignale vorgeschaltet.
Hier werden Störungen herausgefiltert, Strom- und Spannungssignale von Netz und Generator bezüglich ihrer Phasenlage und
Amplitude erfasst und für die Weiterverarbeitung in der Rechnerbaugruppe aufbereitet
Durch Hinzufügen oder Weglassen von Steckkarten kann die Modulsteuerung beliebig auf- oder abgerüstet werden.
Die Voraussetzungen für die Zuschaltung des BHKWs zum EVU-Netz nach Abschnitt 9 VDEW werden eingehalten
(Parallelbetrieb mit dem Niederspannungsnetz).
Die Motormessstellen werden mit Multiplexerbaugruppen eingelesen, die mit 4 Signalkarten mit je 2 Kanälen zur Verarbeitung
der Signale
- Strom (0(4)...20mA),
- Spannung (0...10V),
- Temperaturfühler Pt100/Pt1000,
- Temperaturfühler NiCrNi,
- Binärsignale mit Drahtbruchüberwachung
bestückt werden können. Je nach Anzahl der Motormessstellen und weiterer projektspezifischer Signale können entsprechend
mehr oder weniger Multiplexer eingesetzt werden.
Als zentrale Rechnerbaugruppe kommt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Firma SAIA-Burgess Electronics,
Typ PCD2, zum Einsatz. Sie zeichnet sich durch eine sehr hohe Betriebssicherheit in rauher Umgebung aus und ist sogar für den
Schiffbau zugelassen (zertifiziert nach GL). Die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine umfangreiche
Gleitkommaarithmetik erlauben, dass viele Funktionen, die sonst als einzelne Hardwarekomponenten eingebaut werden, wie
Synchronisierungseinrichtung, Netz- und Generatorüberwachung, Drehzahlregelung usw., direkt als Softwaremodule in der
Steuerung ablaufen können.
Alle Steuerungen sind in der Grundversion mit einem vierzeiligen hinterleuchteten LCD-Display ausgerüstet. Hiermit sind alle
aktuellen Daten des Sicherheitssystems, des Motors, des Generators und des Netzes abrufbar und es können Sollwerte
eingegeben werden.
12
YADOS BHKW-Anlagen
Weiterhin besteht die Möglichkeit, auf alle Daten über einen PC mit einer Visualisierung (z. B. InTouch, ShowIt u. a.) zuzugreifen
oder in der Steuerung eine Weboberfläche zu hinterlegen, auf die über Netzwerk oder auch über das Internet zugegriffen werden
kann. Grundlage dafür ist ein PC mit einem Webbrowser wie dem Internet Explorer und einem Netzwerkanschluss. Der Zugriff
auf die Weboberfläche der Modulsteuerung ist über ein Passwort geschützt.
Für Ferndiagnose kann die Steuerung mit einem Modem verbunden werden. Auch Programmerweiterungen über Modem wären
somit möglich.
Für die Drehzahlregelung wurde ein Konzept aus Hard- und Softwarekomponenten entwickelt, das einerseits den stabilen
Betrieb von Diesel- und Gasmotoren gewährleistet, die sprungfreie Umschaltung verschiedener Betriebsarten wie
Drehzahlregelung, Frequenzregelung und Leistungsregelung realisiert und eine hohe Regelgenauigkeit zulässt.
Bedientableau
Modem
SPS (SAIA)
Zählerkarte
Multiplexer
Multiplexer
Motorüberwachung
Signalverarbeitung Netz
Signalverarbeitung Generator
Netzspannungserfassung
1 / 3 phasig
Generatorspannungserfassung
Netzstromerfassung
1 / 3 phasig
Messvorsatz
Spannung
L1
L2
L3
Netz
Generatorstromerfassung
Batterieüberwachung
F/UWandler
L1
L2
L3
Generator
Leistungsverstärker
Stellglied
(Gemischklappe)
Messvorsatz
Spannung
Stromwandler
Drehzahlregler
Stromwandler
Batterie
Pick-Up
Abbildung:
Struktur BHKW-Steuerung
Zur Gewährleistung kleiner Zuschaltwinkel für den Generatorschütz und den Kuppelschalter beim Synchronisieren bzw. Rücksynchronisieren wurde eine sehr genaue Schwebungsregelung realisiert. Für die Erfassung der Netz- und Generatorfrequenz
sowie für die Synchronisation und cos  - Messung wird eine speziell für diesen Zweck entwickelte Zählerbaugruppe in der
SPS verwendet.
Durch eine spezielle Störgrößenaufschaltung können Notabschaltungen infolge Über- bzw. Unterfrequenz bei großen Lastwechseln im Inselbetrieb sicher verhindert werden.
Die Parameter aller Regler werden über die Software eingestellt.
13
YADOS BHKW-Anlagen
5.6.1
Aufbau (Fortsetzung von S. 12/13)
Zur Steuerung gehören Verstärkerbaugruppen unterschiedlicher Leistungsklassen, mit denen verschiedene Stellglieder für die
Gasklappe bzw. Gemischklappe angesteuert werden können.
Wie die Hardware so kann auch die Software auf den speziellen Anwendungsfall zugeschnitten werden.
Durch Übergabe eines Parameterfeldes aus einer editierbaren Parameterdatei werden die gewünschten Grundfunktionen
(z. B. synchron / asynchron) ausgewählt und die Steuerung an die Leistungsklasse von Motor und Generator angepasst.
Eine übergeordnete Steuerung kann die BHKW-Steuerung mit einer Kesselsteuerung bzw. mit weiteren BHKW-Steuerungen
verknüpfen und somit eine komplette Energiezentrale verwalten. Dabei verteilt die übergeordnete Steuerung die angeforderten
Lasten gleichmäßig auf die vorhandenen BHKW-Module, gewährt einen möglichst kontinuierlichen BHKW-Betrieb, maximiert
die Laufzeiten, minimiert die Startvorgänge und regelt das gezielte Laden und Entladen des Pufferspeichers.
Des Weiteren ist eine Visualisierung auf einem externen PC möglich.
5.6.2
Beschreibung ausgewählter Funktionen
5.6.2.1 Motorsteuerung
Die komplette Motorsteuerung läuft als Software in der SPS ab. Sie hat folgende Funktionen:
- Startvorbereitung (z. B. Vorschmierung)
- Start / Stopp
- Ansteuerung von Anlasser, Zündung
- Ansteuerung der Pumpen und Lüfter
- Ansteuerung der Gasregelstrecke über getrennte Ausgänge
- Startwiederholung (3 Starts) mit Fehlstartmeldung
- Hoch- bzw. Herunterfahren der Drehzahl nach einer Drehzahlrampe
- Nachlaufen des Motors vor dem Stoppen zur Abkühlung
- Ansteuerung eines Gasdichteprüfgerätes und Meldung von Gasundichtigkeiten
- Startunterdrückung bei Überschreitung der maximal zulässigen Servicestunden (mit vorausgehender Warnung)
5.6.2.2 Hand- und Automatikbetrieb
Das BHKW-Modul kann sowohl im Hand- als auch im Automatikbetrieb gefahren werden. Im Handbetrieb wird das Modul sofort
gestartet. Das Modul synchronisiert automatisch ans Netz. Der Leistungssollwert kann im Display eingestellt werden,
üblicherweise in einem Bereich von 50% bis 100% der Modulleistung.
Im Automatikbetrieb erfolgt der Start erst mit einem zusätzlichen Startbefehl. Dieser wird entweder durch Netzausfall
(nur bei Anlagen mit Netzersatzfunktion) durch ein binäres Signal (z. B. einer übergeordneten Steuerung) oder durch
einen projektspezifischen Startbefehl ausgelöst (z. B. in Abhängigkeit des Füllstandes eines Gasspeichers oder auch eines
Wärmespeichers). Sofern die Steuerung für Zähler-Nullstromregelung eingestellt wurde, wird ein Start ausgelöst, wenn ein
bestimmter Verbraucherstrom überschritten wird. Sinkt der Verbraucherstrom unter einen eingestellten Schwellwert, so wird das
Modul wieder gestoppt. Der Leistungssollwert richtet sich in diesem Fall nach dem Strombedarf des zu versorgenden Objektes.
Die Startfreigaben können durch ein Wochenprogramm überlagert werden.
Für die Umschaltung zwischen Hand- und Automatikbetrieb stehen Eingänge in der Steuerung zur Verfügung, die im Allgemeinen
mit einem Wahlschalter in der Schaltschranktür verbunden sind. aber auch mit Fernkontakten verbunden werden können.
5.6.2.3 Drehzahl- und Frequenzregelung mit Störgrößenaufschaltung
Die Modulsteuerung wird mit einem elektronischen Drehzahlregler ausgerüstet, der für Diesel- und Gasmotoren geeignet ist.
Die Drehzahlregelung wird immer dann aktiv, wenn der Motor mit einer Drehzahl betrieben wird, die außerhalb des Zuschaltdrehzahlbereiches von ca. 1440...1560 U/min (=48 ... 52Hz) liegt, d. h. beim Starten, beim Hochfahren auf 1500 U/min bzw. beim
Herunterfahren der Drehzahl von 1500 U/min auf Leerlaufdrehzahl und während der Nachlaufzeit vor dem Stoppen.
Vor dem Zuschalten des Generatorschalters wird generell von Drehzahl- auf Frequenzregelung umgeschaltet (außer bei
Asynchronmaschinen). Während des Netzersatzbetriebes wird ebenfalls die Frequenz und nicht die Drehzahl für die
Regelung verwendet.
Mit dem Zuschalten des Generatorschalters in den Netzparallelbetrieb wird von Frequenzregelung auf Leistungsregelung
umgeschaltet.
Um große Lastsprünge im Netzersatzbetrieb ohne nennenswerte Frequenzänderungen abfangen zu können, besitzt der
Drehzahlregler die Möglichkeit, die Kraftstoffmenge proportional zur Änderung des Generatorstromes zu verringern bzw. zu
erhöhen, bevor die durch diese Belastungsänderung hervorgerufene Änderung der Drehzahl eintritt (Störgrößenaufschaltung,
nur für Netzersatzfunktion).
14
YADOS BHKW-Anlagen
5.6.2.4 Leistungsregelung
Beim Parallelbetrieb des Moduls mit dem Netz wird das Modul nach Leistung geregelt. Der Leistungssollwert für den Handbetrieb
kann im Tableau eingestellt werden. Im Automatikbetrieb wird je nach Einstellung nach einem der folgenden Sollwerte gefahren:
- fester Sollwert
- Verbraucherleistung (es wird nur so viel Energie erzeugt, wie die eigenen Verbraucher benötigen)
- externer Sollwert (z. B. von einer übergeordneten Steuerung)
Dieser kann als Analogwert oder über Bus vorgegeben werden.
Auf Wunsch wird die Leistung des Moduls bei Überschreitung der Kühlwasser- oder der Rücklauftemperatur reduziert.
Der entsprechende Leistungssollwert kann im Tableau eingestellt werden. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung kann das
Modul vollständig entlastet werden, um einen Notstopp zu verhindern.
Generell wird der Generator im Netzparallelbetrieb nach einer einstellbaren Zeitfunktion be- bzw. entlastet.
5.6.2.5 Netzersatz- und Netzparallelbetrieb
Die Steuerung kann mit wenigen Erweiterungen für folgende Funktionen nach Vereinbarung eingestellt werden:
- nur Netzersatzbetrieb
- nur Netzparallelbetrieb
- Netzersatz- und Netzparallelbetrieb
- Rückkehr vom Inselbetrieb in den Netzparallelbetrieb mit oder ohne Rücksynchronisation
- Lastverteilungsregelung zwischen mehreren Modulen im Netzersatzbetrieb (erfolgt durch eine übergeordnete Steuerung)
5.6.2.6 Netz- und Generatorüberwachung
Die Steuerung überwacht das Netz und den Generator auf Über- und Unterspannung sowie Über- und Unterfrequenz. Das Netz
kann weiterhin auf Differenzspannung überwacht werden. Hierzu sind keine externen Überwachungsgeräte erforderlich.
Lediglich für die Phasensprungüberwachung muss bei Bedarf ein separates Gerät (Vektorsprungrelais) vorgesehen werden.
Die Generatorströme werden auf Überstrom und auf Differenzstrom zwischen den Phasen überwacht.
5.6.2.7 Sicherheitssystem
In der BHKW-Modulsteuerung befindet sich ein komplettes Sicherheitssystem für den Motor. Es ist unterteilt in Warnungen und
Notstoppfunktionen. Beide Meldungen werden als getrennte Sammelmeldungen als Binärausgang bereitgestellt. Jede einzelne
ausgelöste Messstelle wird im LCD-Bedientableau dargestellt. Alle Messstellen sind bezüglich ihrer Ansprechschwelle und der
Ansprechzeit einstellbar.
Folgende Werte werden standardmäßig überwacht:
Warnungen:
Notstopp/Sicherheitsstopp:
- Netzausfall
- Servicestunden: Service anfordern
- Servicestunden: Servicestunden überschritten
- Batteriespannung
- Leistungsreduzierung wegen Übertemperatur
- Überdrehzahl 1 (gemessen über Pick-Up)
- Überdrehzahl 2 (abgeleitet aus Generatorfrequenz)
- Rückleistung
- Generatorüberstrom
- Über- und Unterfrequenz
- Über- und Unterspannung
- Kühlwasserdruck
- Öldruck
- Kühlwassertemperatur
- Öltemperatur
- Batteriespannung
- Externer Notstopp
- Ölniveau
- Kühlwasserniveau
- Katalysatortemperatur
- weitere Werte entsprechend Erfordernis
- (z. B. Abgastemperaturen pro Zylinder und deren Abweichung
vom Mittelwert, Generatortemperatur usw.)
Die letzten aufgetretenen Fehler werden mit Zeitstempel abgespeichert.
15
YADOS BHKW-Anlagen
5.6.2.8
Funktionen des LCD-Bedientableaus
Das Bedientableau dient zur Anzeige von Messwerten und Fehlermeldungen sowie zur Vorgabe von Sollwerten. Bedienereingaben sind passwortgeschützt.
Der Dialog mit dem Tableau ist menügeführt. Das Auffinden der anzuzeigenden oder zu ändernden Parameter ergibt sich durch
ein immer tieferes Eindringen in die Baumstruktur des Menüs.
Angezeigt werden:
- alle Messwerte
- alle Zählerstände (Betriebs-, Servicestunden, Anzahl der Starts, geleistete Arbeit)
- alle Warnmeldungen
- alle Fehlermeldungen
- Softwareversion der Steuerung
Folgende Bedienereingaben sind möglich:
- Einstellen von Datum und Uhrzeit
- Wochenprogramm: tägliche Start- und Stoppzeit
- Leistungssollwert im Handbetrieb
- Leistungssollwert bei Leistungsreduzierung wegen Übertemperatur
- Rücksetzen des Servicestundenzählers nach erfolgter Wartung (erfolgt über vereinbarten Code)
- Einstellungen zur Gasgemischbildung
- Temperatur-Sollwerte
5.6.2.9 Erweiterbarkeit
Die Modulsteuerung kann nach Kundenwunsch beliebig erweitert werden:
- Erweiterung der auszuwertenden Motormessstellen
- Einsatz komfortabler Bedientableaus (z. B. Grafikdisplay)
- Generatorspannungs- und cos  - Regelung
- Arbeitspunktabhängige Gemischverstellung für Gasmotoren
- Klopfregelung mit Zündzeitpunktverstellung und Leistungsreduzierung für Gasmotoren
- Erweiterung des Steuerrechners (PCD2) mit einem „aufgesetzten“ Industrie-PC (der Rechner wird im
SPS-Gehäuse untergebracht) zur Realisierung kundenspezifischer Funktionen unter Ausnutzung aller gängigen
Funktionen eines Windows-PCs
5.7
Gasversorgung
Das BHKW-Modul verfügt über eine Gasregelstrecke bestehend aus:
- Absperrkugelhahn
- thermisch auslösender Absperrarmatur
- Gasfilter
- Gasdruckmanometer
- Gasdruckwächter
- Gasmagnetventil 1
- Gasmagnetventil 2
- Gasdichteprüfgerät
- Gleichdruckregler
- Gasdruckmanometer
- Gasschlauch
Über das Gasdruckmanometer mit Druckknopfhahn wird der Gasdruck angezeigt. Davor befindet sich ein Gasfilter zur Reinigung
des Gases. Der Gasdruckwächter überwacht den Mindestgasdruck von 20mbar. Die Magnetventile 1 und 2 werden über das
Gasdichteprüfgerät vor jedem Öffnungsvorgang auf Dichtheit überprüft. Am Gleichdruckregler erfolgt die Reduzierung des in
erlaubten Grenzen schwankenden Gasdruckes auf einen vorgegeben Druck in Abhängigkeit der Motorlast, d. h., das im
Gasmischer erzeugte Gas-Luft-Gemisch bleibt bei konstanter Drehzahl im gesamten Lastbereich etwa konstant. Zwischen
Gleichdruckregler und Gasmischer erfolgt die Verbindung über einen flexiblen Gasschlauch mit DVGW-Musterprüfung.
16
YADOS BHKW-Anlagen
5.8 Gasmischer
Die Gasmischeinrichtung wird zur äußeren Gemischaufbereitung von Gasmotoren verwendet. Sie liefert ein homogenes
Gas/Luftgemisch für Gasmotoren im Bereich  = 1,0...2,0.
Statt der häufig eingesetzten Venturi-Düse in Verbindung mit einem Schrittmotor zur Gemischverstellung werden beim BHKWModul von YADOS Ringspaltmischer eingesetzt. Über den verstellbaren Ringspalt wird mit Hilfe der -Sonde in der Abgasleitung
der -Wert automatisch nachgeregelt.
Bei dem Betrieb mit Sondergasen, wie z. B. Biogas, bietet sich die kennliniengeführte -Regelung an. Der -Wert wird nach einer
Leistungskennlinie eingestellt und zusätzlich nach einem leistungsgeführten Sollwert geregelt.
Eine zwischen Gleichdruckregler und Luftansaugrohr montierte Ausgleichleitung hat die Aufgabe, das im Gasmischer eingestellte Gas-Luft-Verhältnis auch bei erhöhtem Unterdruck in der Ansaugleitung (z. B. Luftfilterverschmutzung) konstant
zu halten. Die Mischung erfolgt durch Verwirbelung in einem speziellen Mischrohr. Die Dosierung erfolgt elektronisch gesteuert
durch den Ringspalt. Die Gemischbildung kann für Start, Leerlauf und Belastungsbetrieb unterschiedlich angepasst betrieben
werden.
Die Vorteile dieses Gasmischsystems sind:
- der bei Sondergasen anfällige Schrittmotor entfällt
- dynamisch schnelles, genaues Anpassen des Mischungsverhältnisses von Gas und Luft in einem sehr großen Bereich
- durch den verstellbaren Ringspalt können definierte Gemische für den Motorstart (z. B. mehrere Startversuche mit
unterschiedlichen Gemischen) eingestellt werden
- leistungsabhängig kann für jeden Arbeitspunkt ein abgasoptimiertes Gemisch voreingestellt werden, so dass auch
ohne -Regelung die gewünschten Abgaswerte eingehalten werden (sogenannte kennliniengeführte -Regelung)
Die elektronische Steuerung ermöglicht folgende Funktionen:
- Starteinstellung (Startgemisch, Startzündzeitpunkt, Freigabe nach Anlassen, Spülen über Steuersignal)
- im Lastbetrieb -Regelung über -Sonde (nicht bei BHKW mit Sondergasen)
- -Regelung über Sollwertkurve für minimale Abgasemissionen und schonende Fahrweise
- drehzahlabhängige Gemisch- und Zündzeitpunkteinstellung für ruhigen Lauf (Synchronisierung)
- Drehzahlregelung mit Störgrößenaufschaltung
- lastabhängige Gemisch- und Zündungseinstellung (Kennlinienverfahren)
- Überdrehzahlschutz
- Synchronisierungseinstellung
- Stelleingriff Klopfregelung
• auf Zündzeitpunkt
• auf Gemischverstellung (magerer)
• Stopp, Notstopp über Steuersignal Stopp
Optional:
- integrierte Gemischtemperaturregelung über Klappensteuerung oder Ladeluftkühlwasser
Diese Art der Gemischregelung ist anwendbar für Saugmotoren und aufgeladene Motoren bis 3 bar. Die Gasregelstrecke sollte
so dicht wie möglich an der Mischeinrichtung liegen.
5.9 Motor-Schmierölversorgung
Um die Schmierölmenge und damit die Wartungsintervalle zu erhöhen, ist im BHKW-Modul ein Ölvorratsbehälter installiert.
Der Ölvorratsbehälter ist über dem Magnetventil und dem Schmierölnachfüllautomaten im Motorschmierölkreislauf
eingebunden. Über den Schmierölnachfüllautomaten gelangt das Schmieröl bei Bedarf in die Ölwanne des Motors, um den
Schmierölverbrauch auszugleichen und so die Wartungszeiträume zu verlängern. Bei einem Ölwechsel wird das alte Schmieröl
aus der Ölwanne abgelassen und über den Ölvorratsbehälter anschließend frisches Schmieröl eingeleitet. Das Schmieröl ist also
im Vorratsbehälter des BHKW-Moduls nachzufüllen. Um eine hohe Lebensdauer des Verbrennungsmotors zu erreichen, sollte
bei jeder Wartung eine Ölanalyse durchgeführt werden, da auf diese Weise Abnutzungen und damit eventuelle Schäden erkannt
und rechtzeitig beseitigt werden können.
Ein Schmierölniveauschalter überwacht den Schmierölstand in der Motorölwanne und schaltet das BHKW-Modul bei Unter- bzw.
Überschreiten der voreingestellten Werte ab.
Bei größeren BHKW-Anlagen kommen teilweise Schmierölstationen zum Einsatz, bei denen Frisch- und Altölbehälter genutzt
werden und eine Ver- bzw. Entsorgung über Tankwagen erfolgen kann.
Zu verwenden ist jeweils nur das vom Hersteller der BHKW-Anlage freigegebene Schmieröl.
17
YADOS BHKW-Anlagen
5.10
Lüftungsanlage
Die für den Betrieb des BHKW-Moduls bzw. der BHKW-Anlage benötigte Lüftungsanlage besteht im Allgemeinen aus:
- Zuluft
• Wetterschutzgitter
• Filterbaustein
• Kulissenschalldämpfer
• Zuluftventilator
• Lüftungsrohr bzw. -kanal
- Abluft
• Kulissenschalldämpfer
• Lüftungsrohr bzw. -kanal
• evtl. Umluftklappe für Raumheizung
• Wetterschutzgitter
Die Frischluft wird dabei von außen angesaugt und in das Innere der Schallschutzkapsel gedrückt. Auf diese Weise wird
verhindert, dass sich ein künstlicher Unterdruck innerhalb der Kapsel bilden kann. Die Frischluft dient der Kühlung des
Aggregates, indem durch Vorbeiströmen an den heißen Teilen des Aggregates die Wärme abgebaut wird. Weiterhin wird durch
die Lüftung die Antriebsmaschine mit der benötigten Verbrennungsluft versorgt.
Die Lüftungsanlage sollte in ihren Abmessungen so dimensioniert werden, dass Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 2...5 m/s
dauerhaft gewährleistet werden können, andernfalls kann es unter Umständen zu Strömungsgeräuschen kommen.
5.11
Abgasanlage
Für jedes BHKW-Modul ist eine separate Abgasleitung vorzusehen. Abgassammelleitungen für mehrere Module sind nicht
zulässig. Die Abgasleitung muss jeweils für das zu errichtende BHKW-Modul ausgelegt werden. Dabei ist darauf zu achten,
dass der vorgeschriebene maximale Abgasgegendruck nicht überschritten wird. Die Abgasleitung ist mit Reinigungs-, Messund Entwässerungsstutzen zum Ableiten des anfallenden Kondensats auszurüsten.
Des Weiteren sollte auf eine ausreichende Isolierung geachtet werden.
Bei der Abkühlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren (Abgaswärmetauscher) kommt es an den Abgasrohrwandungen zu
lokalen Taupunktunterschreitungen (Taupunkt des Abgases bei Erdgas ca. 100°C) und es fällt Kondensat an. Das angefallene
Kondensat wird während des Betriebes vom Abgasstrom mitgerissen und gelangt ins Freie. Während des An- und
Abfahrbetriebes, wenn die Abgasleitung kalt ist, kühlt sich das Kondensat dementsprechend schnell ab und sammelt sich an
der tiefsten Stelle der Abgasleitung. Für das Kondensat ist ein freier Auslauf über einen Siphon vorzusehen. Da das
Abgaskondensat einen pH-Wert von 3...4 aufweist ist im Allgemeinen eine Neutralisationsanlage nachzuschalten, damit das
Kondensat ins Abwassersystem eingeleitet werden kann.
18
Schleswig- Holstein
Vertriebsgebiet Nord
phone +49 176 32429157
Mecklenburg-Vorpommern
Bremen
Vertriebsgebiet Nordost
phone +49 151 15297531
Niedersachsen
Vertriebsgebiet Mitte (West)
phone +49 151 15133100
Berlin
Sachsen-Anhalt
Brandenburg
Vertriebsgebiet Mitte
phone +49 151 29115466
Nordrhein-Westfalen
Sachsen
Vertriebsgebiet West
phone +49 151 15133307
Hessen
Thüringen
Rheinland-Pfalz
Vertriebsgebiet Luxembourg
phone +49 171 5820102
Vertriebsgebiet Südost
phone +49 151 58009808
Luxemburg
phone +49 3571 20932-0
fax
+49 3571 20932-999
[email protected]
Saarland
Vertriebsgebiet Südwest
phone +49 151 15133306
Baden-Württemberg
Bayern
Vertriebsgebiet Süd
phone +49 151 15133305
Fotos und Produktzeichnungen beinhalten auch Sonderausstattungen. Irrtum und technische Änderungen vorbehalten.
Texte, Tabellen und grafische Darstellungen dienen ausschließlich dem besseren Verständnis. Sie sind keine Grundlage für Planungen.
Nachdruck oder Vervielfältigung, auch auszugsweise nur mit Genehmigung der YADOS GmbH, 02977 Hoyerswerda, GERMANY.
Ausgabe 04-2012
YADOS GmbH
Yados-Straße 1
02977 Hoyerswerda
GERMANY
www.yados.de/pdf-katalog/yado-kwk
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