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. 5 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. 6 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. 7 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. 8 YADOS BHKW-Anlagen 5 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. 9 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. 10 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
