Xhost Harvester - Bundesamt für Energie BFE

Eidgenössisches Departement fürUmwelt, Verkehr, Energie und
Kommunikation UVEK
Bundesamt für Energie BFE
Schlussbericht, 1. März 2011
Xhost Harvester
Mehr Effizienz mit dem gleichen Motor
K:\Kopp\U A W\BFE\Projekte\LAUFEND\2009\Schmid_Oekozentrum_XhostHarvester\SB-BfE SI500470 110301 ÖZL_Zus_imText.doc
Auftraggeber:
Bundesamt für Energie BFE
Forschungsprogramm Wärmepumpen, WKK, Kälte
CH-3003 Bern
www.bfe.admin.ch
Kofinanzierung:
W. Schmid AG, CH-8152 Glattbrugg
Avesco AG BHKW Energiesysteme, CH-4416 Bubendorf
Auftragnehmer:
Ökozentrum Langenbruck
Schwenigweg 12
CH-4438 Langenbruck
www.oekozentrum.ch
Autoren:
Martin Schmid, Ökozentrum Langenbruck, [email protected]
Mario Vögeli, Ökozentrum Langenbruck, [email protected]
BFE-Bereichsleiter: Andreas Eckmanns, [email protected]
BFE-Programmleiter: Thomas Kopp, [email protected]
BFE-Vertrags- und Projektnummer: SI/500470-01 / SI/500470
Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts
verantwortlich.
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Zusammenfassung
Xhost Harvester ist eine patentierte Vorrichtung, welche einen kleinen Teil der AbgasAbwärme eines BHKW, eines Kolbenmotors, einer Gasturbine, eines Heizkessels oder
eines anderen thermischen Prozesses benutzt, um einen Unterdruck im Abgasstrang
zu erzeugen. Dieser Unterdruck bewirkt in einem thermodynamischen System eine
Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades und bei einem Heizkessel kann die
elektrische Antriebsenergie für Verbrennungsluft- und Abgasventilatoren reduziert
oder vollständig ersetzt werden.
In diesem Projekt wird dieses Konzept an einem Erdgas-BHKW getestet, sowie die
gefährdeten Komponenten mit Biogas-Abgas dauergeprüft. Im ersten Halbjahr 2010 fand der
wesentliche Teil der Feld-Erprobung mit einem Erdgas-BHKW der neusten Generation statt.
Auf Grund der überraschend niedrigen Abgastemperaturen wurden im Sommer weitere
Versuchsreihen angefügt, bei welchen die Abgastemperatur künstlich angehoben wurde.
Von November 2010 bis Februar 2011 fand Felderprobung der Verdichterkomponenten mit
feuchtegesättigtem Abgas eines Biogasmotores statt. Sie bestätigte die Säurebeständigkeit
von Aluminium, die Stahlteile (Schrauben, Verdichterwelle) wiesen jedoch starke
Korrosionsspuren auf. Ende November fand zudem eine Posterpräsentation des Projektes
am 19. Biomasse-Energie-Symposium statt, Anhand der Anwendung im Pyreg® Biokohle
Prozess. Da die Nachheizvorrichtung der dritten Messreihe einen höheren
Strömungswiderstand verursachte als der Hersteller versprach, konnte nur die
Leistungsfähigkeit von Xhost Harvester, nicht aber eine weitere Wirkungsgradsteigerung des
BHKW gezeigt werden. Die gemessene Effizienzsteigerung des BHKW betrug rund 2.6% bei
durchschnittlich 16 hPa Unterdruck. Erwartet waren 6% bei einem Unterdruck von bis zu 65
hPa. Theorie und Praxis korrespondieren dennoch sehr gut in diesem Projekt.
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Abstract
Xhost Harvester is a patented device, which uses a part of the high temperture exhaust
gases of a piston engine, gas-turbine, heating boiler or other thermal process unit, to
produce a partial vacuum in the exhaust line. In a thermodynamic system, such a partial
vacuum increases the electrical efficiency, and in a heating device or other thermal process
unit, it can replace the electric energy consumption of the ventilators or blowers. In this
project, the concept is being tested with a natural gas fired CHP-unit of 80 kWe.
In the first quarter 2010, the CHP-unit and Xhost Harvester where produced and installed
temporarly into the customers building-heat infrastructure at Glattbrugg. In the second
quarter 2010, the CHP unit was tested and efficiency measurements have been beformed
with and without Xhost Harvester, as well as with different engine configurations and load
conditions.
Due to the fact, that the used CHP-unit was already more efficient than expected, the
exhaust temperatures after the catalysator where significantly lower as expected (412
instead 480°C). Therefore, the generated pressure r eduction was only 16 hPa instead of up
to 65 hPa. These values correspond with the theoretical data but the measured increase of
the electrical efficiency of the CHP-unit was only about 2.6% instead of expected 6%.
In the third quarter 2010, to gain more knowledge, the unit has been modified in order to
increase the exhaust gas temperature (within 411 and 480°C) after catalysator, as well as
Xhost Harvester was equipped with an adjustable waste gate.
In the last quarter of 2010 until February 2011, the “wet parts” of Xhost Harvester have been
endurance tested with condensed exhaust gas from a biogas CHP-plant and confirmed the
biogas capability: in congruence with the literature, the compressor turbine wheel and
housing remains completely stainless in the acidic atmosphere. Other components such as
bolts and nuts have to replaced by such made in stainless steel in future applications. At the
19th Biomass-Energy-Symposium at Bad Staffelstein, the application of Xhost Harvester in a
Pyreg®-500 biochar-plant was presented.
Durchgeführte Arbeiten
a) Auslegung, Produktion und Inbetriebnahme von BHKW und Xhost Harvester
Für das Projekt wurde von Avesco ein neues BHKW konstruiert und gebaut. Zusätzlich zu
Xhost Harvester kam die Anforderung hinzu, dass das System auch für spätere Versuche an
einem zweiten Aufstellungsort eingesetzt werden soll. Das BHKW Egro 80 wurde am
Aufstellungsort I Anfangs März 2010 ohne Xhost Harvester in Betrieb genommen. Nach den
Wirkungsgradmessungen ohne Xhost Harvester erfolgte die Nachrüstung der Xhost
Harvester Turbine. Die Installation war von Anfang recht stark, sowohl physisch, als auch
steuerungstechnisch integriert in das BHKW. Der separate, teilvakuumierte Ölkreislauf von
Xhost Harvester war von Anfang in der Steuerung integriert, sowie der Alarmschalter der
Kondensatpumpe dafür vorbereitet. Zusätzlich zu den Messfühlern und Sensoren des
Ökozentrum wurden auch von Seiten Avesco zahlreiche Messstellen vorbereitet, die
während den Versuchen periodisch gemessen wurden. Abbildung 2 ersetzt ein Schema,
indem in der Legende die Nummerierung der Elemente der Fliessrichtung des Abgases folgt.
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Abbildung 1 Egro80-Spezial BHKW mit Generator (rot), Erdgasmotor (gelb), Erdgaszuleitung (hellgelb), Abgasleitung (grau isoliert), Spezialwärmetauscher (links oben auf dem Rahmen stehend),
Messdatenerfassung mit Adamlogger Ökozentrum (im Vordergrund links).
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Abbildung 2 Xhost Harvester: (1) Katalysator-Austritt und Turbineneintritt – daneben der Kühlwasser- und der Schmierölzulauf; (2) Turbinenaustritt und Verbindung zum BHKW-Wärmetauscher; (3)
Kondensat-Sammler vom Nachkühler mit Niveauüberwachung; (4) Nachkühleraustritt und VerdichterEintritt; (5) Verdichteraustritt und Diffusor ins Abgasrohr; (6) Eigene Öldruckpumpe für Lagerung; (7)
Ölvorratsgefäss mit Vakuum-Leitung zum BHKW-Wärmetauscher; (8) Kühler für Schmierölrücklauf;
(9) ebenfalls in einem Vakuumtank stehende Kondensatpumpe.
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b) Messreihen I im März 2010
Am 3. und 5. März wurde je über mehrere Stunden Wirkunsgradmessungen durchgeführt.
Danach folgte der Umbau auf den Betrieb mit Xhost Harvester und die Inbetriebnahme.
Bis zum 19. März wurden an verschiedenen Messtagen Wirkungsgradmessungen mit Xhost
Harvester durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Lastsituationen und verschiedene
Konfigurationen des Turboladers (Waste-Gate-Blenden mit jeweils fixem Lochdurchmesser)
eingesetzt.
c) Auswertung, Zwischen-Berichterstattung und Umbau I
Auf Grund der Analyse-Resultate, siehe Kapitel Resultate, wurde ein Umbau auf ein anderes
(grösseres) Turboladergehäuse beschlossen und die Komponenten beschafft und montiert.
Zudem fand die Zwischenberichterstattung zum erfolgreich bestandenen Meilenstein I statt,
sowie ein Treffen der Projektpartner für ein Meilenstein-Treffen.
Zusätzlich wurde auf Grund der beobachteten Erhöhung des Ladedrucks und Beachtung
der Ökonomie beschlossen, Xhost Harvester nicht nur bezüglich Gas-Einsparung bei
gleicher Leistung, sondern auch mit erhöhter elektrischer Leistung bei gleicher Gasleistung
zu messen.
d) Messreihen II im Juni 2010
Die Erprobung des BHKW mit vergrössertem Turbinengehäuse am bestehenden Turbolader
führte leider zu einer zu starken Absenkung des Ladedruckes und wurde sofort
abgebrochen. Nach Rückbau auf den ursprünglichen Betrieb wurden Versuche mit erhöhter
Leistung (um rund 5 kWe) durchgeführt. Leider stiegen dadurch die Drücke im gesamten
Abgas- und Frischluftsystem überproportional und es konnte ebenfalls keine
Wirkungsgraderhöhung festgestellt werden.
e) Entwicklung, Produktion und Einbau des Nachheizgerätes, sowie eines Wastegate
und einer Kondensatpumpe für Xhost Harvester, Umbau II
Um die reduzierte Wirkung von Xhost Harvester durch die überraschend tiefend
Abgastemperaturen zumindest zu Versuchszwecken zu steigern, wurde ein elektrisches
Nachheizgerät für die Abgase entwickelt. Es handelt sich um ein dreiphasiges Gerät mit bis
zu 10 kWe Leistung, welches mit hochtemperaturbeständigen Komponenten aufgebaut ist
und kurzzeitig 1000°C aushalten soll. Dieses mit ei ner Temperatur-Regelung ausgestattete
Gerät kann das Abgas um bis zu 80 K erwärmen. Zudem wurde die Aerodynamik des
Eintritts in die Turbine von Xhost Harvester verbessert und ein Waste-Gate mit im Betrieb
einstellbarer Öffnung realisiert. Dieser Waste Gate hat in diesem Fall die Aufgabe, den
Unterdruck zwischen Turbine und Verdichter bei der jeweiligen Eintrittstemperatur verstellen
zu können, damit ein Maximum an Nutzunterdruck gefunden werden kann. Zusätzlich wurde
ein stärkeres, dauerbetriebstaugliches Kondensatpumpsystem mit eigener Überwachung
beschafft.
f) Messreihen III, Versuche mit dem Nachheizgerät, Ende Juli 2010
Auf Grund der Gasdaten errechnete der Hersteller des Nachheizgerät ca. 1.5 hPa
Druckabfall über die drei parallel geschalteten Heizpatronen, welche aber zusammengebaut
im Betrieb über 30 hPa Druckabfall produzierten. Durch diesen hohen Druckabfall wurde die
Wirkung von Xhost Harvester vollständig aufgehoben, sodass keine Wirkungsgradsteigerung
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gezeigt werden konnte. Hingegen konnte die Wirkung von Xhost Harvester bei
verschiedenen Temperaturen gezeigt werden. Auch hier konnte Theorie und Praxis wieder in
guter Übereinstimmung gefunden werden.
Abbildung 3 Xhost Harvester Turbine mit nachgerüstetem steuerbarem Waste-Gate (rechts im Bild).
Ein Waste-Gate ist eine Umgehung der Turbine mit einem Teilstrom der Abgase. Bei einem Turbolader wird damit der Ladedruck auf der Verdichterseite geregelt.
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Abbildung 4 Nach Umbau mit Nachheizgerät: (1) Druckmessung Erdgas; (2) Gasuhr mit Temperaturüberwachung und Ausgang zur Datenerfassung; (3) Druckmess-Ausgang für Druck vor Turbolader
Avesco; (4) Waste-Gate des BHKW-Turboladers; (5) Abgasdruckmessung Ökozentrum; (6) AbgasNachheizgerät Ökozentrum; (7) Netzgerät und Temperaturregelung für Abgasheizgerät; (8) Katalysatorgehäuse; (9) Druckmessung Avesco; (10) Xhost Harvester; (11) Wärmezähler Heizwasser.
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g) Durchführung eines Komponententests mit Abgas aus einem Biogasmotor
Im November wurde schliesslich ein Versuch auf einer bestehenden Biogasanlage
eingerichtet und gestartet, bei dem die korrosionsgefährdeten Komponenten von Xhost
Harvester möglichst realitätsnahe mit auskondensiertem Abgas eines modernen BiogasBHKW mit guten Abgaswerten getestet werden. Da die Versuche am Standort I während gut
50 Betriebsstunden schon gezeigt haben, dass auch bei 120'000 min-1 mit von potentiell
vorhandenen Wassertröpfchen keine Gefahr in Form von Erosion droht, wird bei diesem
Versuch vor allem auf die Korrosion durch schweflige Säuren und ähnlich wirkende AbgasKomponenten geachtet. Das Verdichterrad wird dennoch angetrieben und bewirkt die
Abgaszirkulation und Kondensation. Leider ist das Biogas-BHKW nicht rund um die Uhr in
Betrieb, weil der Fermenter sich zur Zeit von einer Übersäuerung erholen muss. Beim Start
zeigte der Betriebsstundenzähler 13'171 Bh. Der Versuch dauerte bis zum 18. Februar 2011
bei einem Betriebsstundenzählerstand von 13’761. Leider wurden in dieser Zeit (1’715 h) nur
590 Betriebsstunden gezählt. Dennoch kann der Test als dreimonatiger Test (>90 Tage)
angesehen werden, weil der Verdichter fast die gesamte Zeitdauer lief und die Analyse
zeigte, dass die Komponenten die gesamte Zeit in einer mit Kondensat gesättigten
Atmosphäre liefen, wenn nicht sogar schwammen.
h) Auslegung von Xhost Harvester für eine Pyreg® 500 Anlage, sowie Publikation
Es gibt namhafte Mengen Restholz und Biomasse, die trotz erhöhter Nachfrage nach
Energieholz und Biomassenergie ungern verbrannt wird und meist grosse Probleme
verursacht: dies sind vor allem sand- und humushaltige Sorten, wie Siebüberstand von
Kompostierwerken und Kompogasanlagen, sowie Schwemmholz, im weiteren stark Siliziumund Kalium-Asche haltige Biomassen, wie Stroh, Müllerei-Stäube und Kaffeepulpe.
In Biokohle (Stichwort: Terra Preta) gewandelt sind aber gerade solche, stark
mineralienhaltige Biomassen sehr gute Bodenverbesserer. Stoffkreisläufe werden
geschlossen. Um nun diese Prozesslücke zwischen Kompostierwerk und Landwirtschaft zu
schliessen, und dabei einen modernen, emissionsarmen und kontinuierlichen Prozess
bereitzustellen, wurde die Pyreg 500 Anlage entwickelt. Dieses System hat sehr saubere
Abgase durch einen Hochtemperatur-FLOX-Verbrennungsprozess und eine KohlenstoffRetention von rund 72%. Allerdings fallen grosse Mengen Wärme an, die bisher nur
ungenügend genutzt werden konnten. Sie soll in Zukunft Trocknungsprozessen zur
Verfügung stehen, sowie von Xhost Harvester und in einer späteren Phase evtl. von der
Abhitzeturbine Aactor !GT genutzt werden. Xhost Harvester soll die rund 4 kWe GebläseLeistung vollständig durch Abwärmeenergie ersetzen.
In Zusammenarbeit mit der Firma Pyreg GmbH und in Absprache mit W.Schmid AG wurde
deshalb das System ausgelegt. Zur Verhinderung eines Verfahrenspatentes wurde diese
Anwendung im November am 19. Biomasse-Symposium in Bad Staffelstein in Form eines
Posters präsentiert.
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473°C, 550 hPa
Exhaust,
137°C, 1005 hPa
Biomass
0.016
kg/s
Heat Use /
Cooler
Throttle
Air 20°C, 1000 hPa 0.2 kg/s
550°C, 945 hPa
40°C, 530 hPa
M
Pyrolysis-Gas
Pyrec-Reactor 47 kW
FLOXCombustor
1300°C
960 hPa
700°C
700°C
66 kW = DT 300 K
850°C
960 hPa
Biochar
®
Abbildung 5 Biokohle-Produktion mit einer Pyreg500 Anlage mit Xhost Harvester als AbgasSaugzug und Brennergebläse
Resultate der Versuche dieses Projektes
a) Messung des elektrischen Wirkungsgrades
Die Wirkungsgradmessungen und Berechnungen vom Ökozentrum Langenbruck wurden auf
drei unterschiedliche Methoden abgestützt:
•
Berechnung aus den Durchschnittswerten der elektronischen Messdatenerfassung im
30-Sekunden-Intervall. D.h. die Gasleistung und die elektrische Leistung werden aus
ja ca. 120 Werten pro Messung gemittelt.
•
Berechnung aus dem Integral der Energiemengen, welche von der elektronischen
Messdatenerfassung erfasst wurden. D.h. die Gasmenge und die eingespeiste
Strommenge wird über die Versuchsdauer aus den ca. 120 Werten aufsummiert.
•
Kontrollberechnung via manuelle Ablesung der Zählerstände. Dabei wird als
Stichzeitpunkt der Wechsel zur nächsten vollen kWh des Stromzählers eingesetzt.
Dies bedeutet, dass jeweils pro Wirkungsgradmessung drei Resultate erzeugt wurden, von
denen wiederum ein Mittelwert gebildet werden kann. Als amtlich genau gilt aber derjenige,
der von den Energiezählern direkt, ohne weitere Signaltransmitter, abgelesen wurde.
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Datum
05.03.2010
12.03.2010
Versuchsbezeichnung
(2) optimiert ohne XhH (3) 1. Versuch mit XhH
Wastegate
ohne
ohne
El. Leistung [kWe]
81
82
via Durchschnittsleistung
34.89%
35.86%
via integrierte Energiewerte
35.02%
35.56%
35.22%
36.41%
via abgelesene Zähler
Durchschnittswert
35.05%
35.94%
Messwert Avesco*
35.22%
35.58%
Angabe nach DIN/ISO hoch
39.5%
39.9%
3
Gasprobe SVGW [MJ/m n]
35.4
35.6
Veränderung
2.4%
1.9%
3.4%
2.6%
1.0%
Abbildung 6 Letzter Versuch ohne Xhost Harvester und erster Versuch mit Xhost Harvester. (*) Beim
Messwert von Avesco wurden die erhaltenen Angaben nachträglich auf den gemessen Heizwert (siehe Gasprobe SVGW, unterste Zeile) korrigiert.
Bei allen späteren Versuchen mit veränderten Parametern (Waste-Gate, Teillast, Überlast,
anderes Turbogehäuse) wurde gegenüber den obigen Messungen keine Verbesserungen
festgestellt, sodass die Resultate in diesem Kurzbericht nicht dargestellt sind.
Bemerkung zu „Angabe nach DIN/ISO hoch“: BHKW-Hersteller dürfen die Leistungsfähigkeit
ihrer Produkte so darstellen, indem einerseits Normwerte für die Umgebung (Druck und
Temperatur) angenommen und in definierter Weise in die Berechnung einfliessen dürfen,
sowie die Messgeräte-Ungenauigkeit in Form einer festgelegten Toleranz zu Gunsten des
BHKW-Herstellers eingerechnet werden darf. So entsteht der Messwert nach DIN/ISO
(3046), welcher im vorliegenden Fall einen um 12% besseren elektrischen Wirkungsgrad
darstellt.
Am 5.3., 12.3. und 19.3., sowie am 16.6. wurde je eine Gasprobe gezogen und dem SVGW
zur Analyse gegeben. Die Resultate (siehe Anhang) flossen in die Wirkungsgradberechnung
ein, wobei aber der O2-freie Messwert verwendet wurde, in der Annahme, die O2-Spuren
seien durch die Probennahme entstanden.
Vorläufiges Fazit zum elektrischen Wirkungsgrad
Xhost Harvester beinflusst den optimierten Magermotor positiv, allerdings nur mit einer
Effizienzsteigerung von im Mittel 2.6%, anstatt der erwarteten 6%, allerdings auch bei um
bis zu 70K tieferen Turbineneintrittstemperaturen und nur gut 16 hPa Druckabsenkung im
Abgasstrang (anstatt bis zu 65). Die auf Grund des Verhaltens des BHKW veranlassten
Optimierungsschritte (Drosselklappen-Stellung, Ladedruck-Veränderung, Wastegate,
Leistungssteigerung, Leistungsabsenkung) haben jedoch keinerlei positiven, wenn nicht
negativen Einfluss auf das BHKW gezeigt. Auch die späteren Versuche mit dem AbgasNachheizgerät brachten auf Grund der erwähnten Drosselverluste keine Verbesserung. Das
Verhalten von Xhost Harvester stimmt recht genau mit den Berechnungen und Simulationen
überein.
Immerhin bedeuten 2.6% Effizienzsteigerung bei einem BHKW dieser Baugrösse ca. 3’000
CHF Gas-Ersparnis oder 3'500 CHF Strom-Mehrertrag pro Jahr, was etwa den gesamten
Investitionskosten von Xhost Harvester in Serienproduktion entspricht.
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b) Messung des Gesamtwirkungsgrades
Beispiel: Messung (2) 05.03.2010, ohne Xhost Harvester, ohne Wastegate (110.6% Hu = 100% Ho)
konventionell
über 65°C
mit WP
35.05%
35.05%
35.05%
52.1%
52.1%
52.1%
2.4%
10.5%
87.1%
89.6%
109.0%
11.4%
0.6%
413°C
232.5 kW
16.9 kg/h
100.3°C
29.2°C
20.6°C
571 kg/h
Abbildung 7 Wirkungsgradmessung vom 5.3.2010 ohne Xhost Harvester
Beispiel: Messung (3) 12.03.2010, mit Xhost Harvester, ohne Wastegate (110.6% Hu = 100% Ho)
konventionell
über 65°C
mit WP
35.94%
35.94%
35.94%
48.7%
48.7%
48.7%
2.5%
10.0% *
1.6%
4.0%
11.4%
84.6%
88.8%
110.0%
9.6kW
0.6%
411°C
227.5 kW
16.5 kg/h
20.6°C
546.5 kg/h
103.2°C
28.6°C
89°C 29°C
(*) davon mehr als 50% Latentwärme (Kondensation)
Abbildung 8 Wirkungsgradmessung vom 12.3.2010 mit Xhost Harvester
Vorläufiges Fazit zum Gesamt-Wirkungsgrad
Anstatt 121 kW ohne wurden mit Xhost Harvester noch 110 kW Heizleistung vom
konventionellen Heizwärmetauscher abgegeben. Xhost Harvester entnimmt dem System
etwa 11 kW, um den Verdichter anzutreiben (ca. 9 KW). Allerdings wird diese Wärme wieder
zurückgegeben im Verdichter. Diese Wärme kann nicht in jedem Fall gut genutzt werden.
Wird das BHKW konventionell eingesetzt, also nur zur Nutzung der Abwärme über
65°C, so ist der Gesamtwirkungsgrad mit Xhost Harve ster leicht geringer als ohne
(88.8 anstatt 89.6%). Allerdings wird dies bei Annahme der 3-Wertigkeit des Stromes
wettgemacht (160.6 anstatt 159.7%).
c) Beschlussfassung zum Dauerbetrieb bei W. Schmid AG
Nach Nachrüstung von Xhost Harvester mit einem leistungsfähigeren KondensatPumpsystem mit mehrfacher Niveau-Überwachung, sowie Einbindung von Alarmschalter in
die BHKW-Regelung wird Xhost Harvester als Dauerbetriebstauglich betrachtet.
Andererseits ist die elektrische Wirkungsgradsteigerung beim bestehenden MagermotorBHKW gering und auf Grund der Anwendung in Form einer komplexen Einbindung in ein
Heizsystem mit Wärmepumpe ist der thermische Wirkungsgrad von grosser Wichtigkeit. Das
heisst, beim vorliegenden Projekt bringt Xhost Harvester keine Steigerung der nutzbaren
Energiemenge, verkompliziert jedoch das System und benötigt einen zusätzlichen
Wärmetauscher. Im weiteren wurde bei der externen Planung des Heizsystemes am zweiten
Aufstellungsort die Platzierung und thermische Einbindung von Xhost Harvester zu wenig gut
berücksichtigt.
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Weitere Versuche müssen mit einem BHKW durchgeführt werden, welches trotz hohem
Wirkungsgrad hohe Abgastemperaturen aufweist. Bei Avesco sind die Produkte der EGRBaureihe, also BHKW mit Abgasrezirkulation und stöchiometrischem Betrieb (λ = 1). Leider
konnte innerhalb der Projektdauer kein solches BHKW identifiziert werden.
Xhost Harvester wurde im Meilenstein Meeting als Zielführend bestätigt, jedoch das
BHKW und den Projektstandort als ungeeignet betrachtet:
Es wurde deshalb beschlossen, Xhost Harvester im vorliegenden BHKW nicht dauerhaft zu
betreiben, sondern möglichst bald, jedoch evtl. nach offiziellem Ende des Forschungsprojektes ein nächstes BHKW (mit EGR-Auslegung) mit Xhost Harvester auszurüsten – im
besten Falle eines mit konventioneller Abwärmenutzung (Klärgas, Biogas).
d) Überprüfung der Leistungsdaten und der Auslegung von Xhost Harvester
Der Betrieb von Xhost Harvester bei verschiedenen Eintrittstemperaturen und verschiedenen
Waste-Gate Einstellungen wurde sowohl real am BHKW getestet, als auch simuliert.
Referenzbetrieb ohne XhH
bei 81.0 kWe
Konstantbetrieb bei 81.4 kWe
5
(Abgas-Heizgerät bewirkt 31.6 hPa Gegendruck)
-480
-450
-420
-390
-360
-330
0
-300
0
-20
-5
0
20
-5
-15
-16.3 hPa @ 411°C
441
458
475
-20
487
Wirkunterdruck [hPa]
Wirkunterdruck [hPa]
413
-10
-10
Messungen
ohne
-15
XhH vom 5.3.10
-20
453
-25
-31.3 hPa @ 487°C
-30
-35
Unterdruck im Kühler [hPa]
436
-25
411 (12.3.10)
Temp. nach
414
Kat [°C] (Dat.)
-30
-35
Unterdruck im Kühler [hPa]
Abbildung 9 Der Nutzunterdruck konnte durch eine Steigerung der Abgastemperatur von 411°C auf
487°C im Durchschnitt verdoppelt werden, allerdings liegt das Maximum nicht bei maximaler Verdichterdrehzahl (maximaler Unterdruck im Kühler, Waste Gate geschlossen), sondern bei leicht geöffnetem Waste Gate. Dies, zusammen mit dem recht niedrigen Wirkunterdruck (Absolutwert) deutet auf
eine zu knappe Dimensionierung der Turbine hin.
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-460
-440
-420
-400
Wirkunterdruck p1 [hPa]
-10.0
-380
-360
-340
-320
-300
-280
-260
-240
-220
-200
-180
-160
-140
14
-120
Mittelwert der Messwerte vom 12.3.2010. Simulation ergibt 76%
Verdichter- und 68.8% Turbinenwirkungsgrad, sowie 9.8 kW
Verdichterleistung, anstatt 6.0 kW im Optimum
12
-20.0
10
-30.0
Reduktion
-40.0 Wirkungsgrad
T = 65.2%
-50.0
-60.0
5%
Wastegate
Wirkungsgrad
T = 68.4%
zu kleine Turbine bewirkt
zu hohes p4/p3 = 1.89
Verdichterleistung steigt
von 11.0 auf 13.5 kW
8
Optimum steigt von -250 hPa
(p3/p4 = 1.35) auf -400 hPa
(p4/p3 = 1.70),
Verdichterleistung von 6.1 auf
11.0 kW --> p Wirk = -64.5 hPa
6
Messw + Simul. T1 = 411°C
4
Simulation T1 = 487°C
Messwerte T1 = 487°C
2
Verdichterleistuntg
-70.0
0
Unterdruck p2 BHKW Kühler [hPa]
Abbildung 10 Simulation der Messwerte und Suche von Optima beim Betrieb mit 411°C und 487°C
Turbineneintrittstemperatur
Die Simulation zeigt das gleiche Bild, sowie sehr interessante weitere Informationen:
Zur Erklärung: Bei der Simulation des Mittelwertes der Messwerte vom 12.3.2010 ergeben
sich einen Isentropen-Wirkungsgrad von 68.8% für die Turbine und 76% für den Verdichter.
Die Verdichterleistung liegt bei den vorliegenden Werten bei 9.8 kW und einem Verdichtungsverhältnis von 1.60. Die beiden Wirkungsgradwerte sind für solche Turbinen typisch
und werden für alle weiteren Rechnungen als Optimum fixiert.
Die Herstellerangabe für diesen Typ ist 76 bis 78% für den Verdichter im besten Fall, abhängig vom Druckverhältnis, für die Turbine 70% im Maximum. Zusätzlich wird für die Lagerreibung 3% der Wellenleistung angenommen.
Bei der Extrapolation der weiteren Betriebspunkte bei gleichen Wirkungsgraden und T1 =
411°C wird ersichtlich, dass ein Optimum von -24 hP a Wirk-Unterdruck (47% Verbesserung)
bei viel tieferem Verdichtungsverhältnis (1.35) erreichbar gewesen wäre, und die Verdichterleistung mit 6.0 kW um 39% geringer gewesen wäre. Also war das Turbinengehäuse schon
für diesen Betriebspunkt zu klein ausgelegt.
Werden nun die gleichen Wirkungsgrade für den Betrieb bei 487°C angewendet, findet sich
ein Optimum bei einem Verdichtungsverhältnis von 1.70 und 11 kW Verdichterleistung und
-64.5 hPa Wirk-Unterdruck. Leider stellte sich durch die hohe Drosselwirkung des zu engen
Turbinengehäuses nicht nur ein höheres Verdichtungsverhältnis ein (1.89), sondern durch
die Annäherung an die Schallgeschwindigkeit im Turbineneintrittsring sank auch der Isentropen-Wirkungsgrad von 68.8% auf 65.2%. Die Verdichterleistung steigert sich auf 13.5 kW.
So stellt sich der Mittelwert der Messwerte vom 29.7.2010 ein, mit -27.5 hPa WirkUnterdruck -(Verschlechterung um 57% gegenüber Optimum) bei geschlossenem WasteGate.
Beim leichten Öffnen des Waste-Gate verbessert sich die Situation nur leicht (Verdichtungsverhältnis sinkt auf 1.80, Verdichterleistung sinkt um 1.1 kW), aber gleichzeitig wird dem
Prozess auch Leistung entzogen. Trotzdem kann eine leichte Verbesserung auf -31.3 hPa
Wirk-Unterdruck erreicht werden, was aber immer noch 51% unter dem Optimum liegt. Bei
Annahme von 5% Massenstrom-Anteil im Wastegate muss der Turbinenwirkungsgrad schon
wieder mit 68.4% angenommen werden.
Fazit: Die Turbine war zu klein ausgelegt. Bei 487°C ist der Volumenstrom genau 10% höher, als
bei 411°C. Gleichzeitig war der Massenstrom mit 590 kg/h ebenfalls um gut 12% höher als in der Angabe des BHKW-Herstellers bei Auslegung.
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Verdichterleistung Pc [kW]
0.0
-480
e) Vergleich mit den Auslegungsdaten
Die Auslegung von Xhost Harvester wurde für 525 kg/h bei 480°C vorgenommen, bzw. 590
kg/h bei ebenfalls 480°C am Aufstellungsort II. Die Versuche wurden aber alle am
Aufstellungsort I durchgeführt.
Kompressor Kennfeld mit Messdaten
2.5
compression ratio [-]
2.25
2
1.75
1.5
1.25
anfahren und stationär (8/
19.3.b)
Auslegungspunkte
.
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
red massflow [lbs/min]
Abbildung 11 Turboladerkennfeld gemäss Hersteller mit eingetragenen Auslegungspunkten und
den Messwerten (Beispiel vom 19.3.2010, Versuch b)
gewähltes Gehäuse
Turbinen Drosselkurve
mit Messdaten
40
red massflow [lbs/min]
35
30
25
20
anfahren und stationär (8 / 19.3.b wie
gemessen)
15
Berücksichtigung von 10mbar
Druckverlust am Kat und 15 am
BHKW-Kühler bei Nennbetrieb
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
expansion ratio [-]
Abbildung 12 Drosselkurve des gewählten Turbinengehäuses gemäss Herstellerangaben, den Auslegungspunkten und den Messwerten (Beispiel 19.3. b).
Es ist zu erkennen, dass die Turbine zwar für genau jenes Druckverhältnis (1.60 für Turbine und
1.78 für Verdichter) ausgelegt wurde (blaue Striche), welches bei 487°C eine ideale Situation darstellt,
aber bezüglich dem gewählten Turbinengehäuse (rote Drosselkurve) sogar noch tiefere Druckverhältnisse das Resultat hätten sein müssen (1.30 bis 1.40), die sogar für den Betrieb mit 411°C ideal gewesen wären.
Leider wurde diese Erfahrung schon bei anderen Projekten [1] gemacht: Die Herstellerangaben für die
Wirkungsgrade und Daten für das Verdichterkenngeld stimmen meistens, aber das Schluckverhalten
der Turbine wird meistens zu hoch angegeben – dies zumindest im Bereich der Anwendungen des
Ökozentrum Langenbruck.
Fazit: Leider waren die Angaben des BHKW-Herstellers zum Massenstrom eher zu niedrig, die Kenndaten des Turboladerherstellers zum Massenstrom eher zu hoch, sodass in der Summe bei korrekter
Auslegung durch das Ökozentrum eine zu kleine Turbine gewählt wurde, was in der Folge zu hohen
Expansionsverhältnissen und zu hohem Verdichterleistungsbedarf führte.
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f) Resultate des Komponententests mit kondensierten Biogas-Abgasen
Das ölfrei gereinigte Kondensationsfass
Abbildung 13 Abgaskondensationsvorrichtung (eingebaut in einem ölfrei gereinigten Ölfass) mit
Verdichterantrieb, Verdichter, Anschluss an die BHKW-Abgasleitung, sowie Temperaturmessung Vorund Rücklauf. Rechts die optische Kontrolle des Verdichterrades vor Beginn des Versuchs.
mit internem Steigrohr zur kompletten Umwälzung des Abgases, war am Ende des Versuchs
zu Hälfte mit Kondensat gefüllt und auf der Oberseite des Fasses sich ebenfalls ein Kondensatsee gebildet hat, mit Ausbildung eines Sulfit-Kristallrandes.
Abbildung 14 Kondensatsee auf dem Fass mit Schwefel-Kristallen umrandet (weisslichgelblich), sowie Blick in das völlig korrodierte Steigrohr aus verzinktem Stahl auf den Wasserspiegel im Fass.
Auch der vom Verdichter wegführende Schlauch war ziemlich stark mit Kondensat gefüllt,
sodass davon ausgegangen werden muss, dass dieses periodisch (während den Druckschwankungen des BHKW-Starts durch den Verdichter gerinnt ist.
Die Komponenten des Verdichters zeigten ein auf den ersten Blick ungewöhnliches Bild: Alle
Komponenten aus Aluminium sahen neuwertig aus, wiesen weder Korrosionsspuren noch
sonstige Formänderungen auf. Auch die Kerbschlagzähigkeit des Verdichterrades, welche
mit einem einfachen Versuch überprüft wurde, wird sich kaum verändert haben. Hingegen
wiesen alle Stahlkomponenten massive Korrosionsspuren auf und nahmen dadurch messbar
an Durchmesser zu. Dies trifft auch auf die in diesem Versuch ungeschmierte, von der Kupplung vom Antrieb her frei auskragende Verdichterwelle.
Hierzu ist zu bemerken, dass im Standardbetrieb die Verdichterwelle durch das Ölbad des
Hydrostatiklagers weitgehend geschützt ist, jedoch wie bei Biogas-BHKW allgemein bekannt
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relativ häufig das Motorenöl erneuert werden muss und besondere Schmierstoffe verwendet
werden müssen. Dies muss selbstverständlich auch mit dem eigenen Ölkreislauf von Xhost
Harvester so geschehen.
Abbildung 15 unversehrte Aluminiumkomponenten, sowie starker Rost auf und ausgehend
von den Stahlkomponenten (links der Verdichterwelle, rechts von den vier Schrauben).
g) Vergleich der Säurebeständigkeit mit Literaturangaben:
Aus dem Literaturstudium werden zwei kurze Passagen im Folgenden wiedergegeben:
Kurz und bündig, gefunden auf www.8ung.at:
[Aluminum ist:
• wasser- und säurebeständig
• nicht seewasser- und laugenbeständig[
Wikipedia schreibt zu säurebeständigen Metallen:
[Metalle sind entweder säurebeständig, weil sie
• als Edelmetalle ein positiveres Normalpotential als Wasserstoff haben oder
• weil sie gegen die Reaktion mit Säuren einen schützenden Überzug (meist ein Oxid)
bilden, der im Gegensatz zum reinen Metall resistent gegen Säuren ist
(Passivierung). Beispiele sind Chrom, Aluminium, Titan, Blei, Zink. Diese Stoffeigenschaft von Chrom wird bei der Verchromung ausgenutzt.
• Auch das Nichtmetall Silizium passiviert sich durch Bildung eines Oxidüberzugs.]
Die Säurebeständigkeit von Aluminium ist nicht nur ein grosser Vorteil für die Verdichterkomponenten, sondern erlaubt es auch, als Restkühler sehr preiswerte Intercooler aus der
Automobiltechnik einzsetzen, welche ebenfalls aus Aluminium gefertigt werden.
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Nationale Zusammenarbeit
Dieses Projekt wird von den beiden Industriepartnern W. Schmid AG und Avesco BHKW
Energiesysteme AG getragen und zur Hauptsache finanziert. Die Simulationssoftware wird
von der Firma Wenko Swissauto AG kostenlos zur Verfügung gestellt. Die Komponenten
sind alle von Herstellern oder Vertretungen derselben innerhalb der Schweiz beschafft
worden. Die Patentierung wurde von einer international tätigen Schweizer Anwaltskanzlei
begleitet. Nach 18 Monaten Einsprachefrist wurde das europäische Patent im November
2010 definitiv erteilt.
Für die Erprobung von Xhost Harvester an Pyrolyse-Anlagen wird ein weiteres nationales
Konsortium aufgebaut, bestehend aus FIBL, Delinat-Institut, Loreko GmbH, Kaskad-E GmbH
(in Gründung), sowie dem deutschen Lieferanten Pyreg GmbH.
Für die Dauertests der Komponenten mit Biogas-Abgas stellte der www.Bruederhof.ch seine
Biogasanlage kostenlos zur Verfügung und Von Lanthen Heizungstechnik unterstützte beim
Einrichten und periodischer Überprüfung der Versuche.
Internationale Zusammenarbeit
Zur Zeit wird das angehende Produkt Xhost Harvester ausschliesslich durch den Patentinhaber W. Schmid AG, sowie dem BHKW-Hersteller Avesco geführt. Sie bestimmen bei der
Anwendung an BHKW die Partnerwahl. Für die Anwendung von Xhost Harvester für
thermische Prozesse wird eine Zusammenarbeit mit der Firma Pyreg GmbH in Deutschland
beabsichtigt. Es sind bereits verschiedene gemeinsame Akquisitionsbemühungen im Gange.
Für die internationale Patentrecherche wurden zudem Übersetzungsdienste von unserem
Ukrainischen Partnerinstitut aus früheren Projekten [2] „Scientific Engineering Center
Biomass Kiev“ beansprucht.
Bewertung und Ausblick
Das Projekt kann bisher als erfolgreich bezeichnet werden. Der Meilenstein I (Funktion am
Erdgas-BHKW gezeigt und Wirkungsgradmessungen durchgeführt) wurde erreicht, wenn
auch mit beträchtlich höherem Engineering-Aufwand, sowie die Arbeiten bis hin zur
Vorbereitung des Meilenstein III (mindestens 30 Tage Erprobung der Komponenten mit
Biogas-Abgas) durchgeführt. Dass der Meilenstein II (mindestens 30 Tage Erprobung von
Xhost Harvester am Erdgas-BHKW) nun nicht durchgeführt wird, ist ein mit allen beteiligten
besprochener und logischer Schritt. Es konnten im Gegenzug mehr wissenschaftliche
Erkenntnisse gewonnen werden, als erwartet und das Projekt wird von den Industriepartnern
in eigener Initiative weitergezogen. Nach dem Ausbau aus dem BHKW nach rund 50
Betriebsstunden zeigte sich die Xhost Harvester optisch neuwertig und wies keinerlei
Erosionsspuren durch Tröpfchen auf, obwohl die drei Versuchsreihen zwischen Anfangs
März und Ende Juli 2010 viele Anfahrzyklen beinhaltete.
Der Blick auf das europäische und weltweite Umfeld, wo überraschend viele Firmen sich
nun neuerdings auch dem „Turbocompounding“ zuwenden (Scania und Volvo schon seit
1991/1993 – nun aber auch Iveco, Man, Caterpillar, Detroit Diesel, Boman-Power), d.h. mit
grossem elektronischem oder mechanischem Aufwand Abgasenergie in mechanische oder
elektrische Energie zu wandeln versuchen, zeigt die Wichtigkeit von Xhost Harvester auf.
Letzterer weist gegenüber solchen Technologien nicht nur einen wirtschaftlichen Vorteil auf,
sondern auch einen technischen, indem auch bei modernsten Motoren ohne
Abgasüberdruck nach dem Turboladeraustritt Energie gewonnen werden kann – und zwar,
wie die Erfahrung zeigt, sogar mehr, als mit einer Turbine direkt gewonnen werden könnte.
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D.h. Es ist nicht nur kostengünstiger und technisch einfacher, Xhost Harvester anzuwenden,
sondern es ist auch mehr Energie zu gewinnen damit, als mit einem TurbocompoundSystem, sei es nun ein „konventionelles“, also nur aus einer Turbine bestehend, oder eine
inverse Gasturbine „Aactor !GT“, welche wie Xhost Harvester ebenfalls ins Vakuum fährt,
jedoch mit einem eigenen Generator ausgerüstet ist.
Referenzen
[1]
M. Schmid, Aactor !GT© - Entwicklung einer Inversen Gasturbine „Aactor“ zur Nutzung erneuerbarer
Energie und industrieller Abwärme, Phase 2; Schlussbericht für BfE-Projekt Nr. 102820, 2009
[2]
M. Schmid, Biopoly Heat - multifuel-polygeneration for distributed heating and cooling applications;
EUREKA Project 3414 database, www.eurekanetwork.org, 2007
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