BHKW-Motor in der Biogasanlage: elektrischer und thermischer Wirkungsgrad und Betrieb bei Teillast

Ein mit Biogas betriebener Hubkolbenmotor in einer Kraft-Wärme-Kopplungseinheit (BHKW/CHP) wandelt in der Regel 36–44% der chemischen Energie des Brennstoffs in elektrische Energie um und gewinnt weitere 40–50% als Wärme aus Kühlwasser, Abgas und Öl zurück. Der Gesamtwirkungsgrad erreicht somit ca. 85–90%, jedoch nur dann, wenn die Wärme tatsächlich genutzt wird. Der elektrische Wirkungsgrad sinkt bei Betrieb mit Teillast, bei niedrigem Methananteil und bei ungeeigneten Motoreinstellungen.

Woraus sich die Energiebilanz zusammensetzt

Die mit dem Brennstoff zugeführte Energie verteilt sich auf vier Ströme: die elektrische Leistung an den Generatorklemmen, die Wärme aus der Mantel- und Ölkühlung, die Abgaswärme sowie Verluste (Strahlung, nicht zurückgewonnene Abgaswärme, Reibung, Generatorverluste). Die Hersteller geben den Wirkungsgrad für Nennbedingungen bei festgelegter Gaszusammensetzung und Lufttemperatur an. Die Betriebswerte liegen mitunter um einige Prozentpunkte niedriger.

Die angegebenen Bereiche sind Richtwerte und hängen von der Leistung des Aggregats ab: Größere Motoren haben in der Regel einen höheren elektrischen Wirkungsgrad.

Wie sich die Energie aus Biogas berechnen lässt

Der Heizwert von Methan beträgt ca. 35,8–35,9 MJ/m³ unter Normbedingungen (0 °C), d. h. ca. 9,95–9,97 kWh/m³; in den Beispielen setzen wir 9,97 kWh/m³ an, in Überschlagsrechnungen wird auf 10 kWh/m³ gerundet. Für Biogas mit einem CH₄-Gehalt von 52% ergibt dies ca. 5,2 kWh/m³ (ohne den Beitrag von Spurenbestandteilen).

Beispiel mit expliziten Annahmen: Biogasstrom 250 m³/h, CH₄-Gehalt 52%, elektrischer Wirkungsgrad 40%, thermischer 44%.

• Brennstoffleistung: 250 × 0,52 × 9,97 ≈ 1.296 kW,
• elektrische Leistung: 1.296 × 0,40 ≈ 518 kW (ein Aggregat mit einer Nennleistung von ca. 500–530 kW ist die richtige Wahl),
• thermische Leistung: 1.296 × 0,44 ≈ 570 kW,
• nach Abzug des Eigenwärmebedarfs für die Beheizung der Fermenter (z. B. 150–250 kW im Winter, weniger im Sommer) bleibt der Rest zur Verwertung.

Teillast

Der elektrische Wirkungsgrad eines Gasmotors ist bei einer Belastung nahe 100% am höchsten. Bei 75% der Leistung beträgt der Rückgang in der Regel ca. 1–2 Prozentpunkte, bei 50% — einige Punkte und mehr, je nach Konstruktion. Zusätzlich begünstigt der Betrieb bei niedriger Last die Ablagerung von Ruß und die Verschmutzung der Zündkerzen. Verfügt die Anlage über zwei Aggregate, ist es daher günstiger, eines mit voller Leistung zu fahren als zwei mit halber. Bei der Planung ist es sinnvoll, die Leistung auf die durchschnittliche Gasproduktion auszulegen und nicht auf die Spitze.

Einfluss der Gasqualität

Temperatur und Umgebungsbedingungen

Hohe Lufttemperatur und Höhe über dem Meeresspiegel verringern die Motorleistung (sog. Derating, d. h. Leistungsreduzierung). Die meisten Hersteller geben Derating-Kurven an. An Standorten in Polen führt ein typischer Sommer nicht zu drastischen Einbußen, aber eine schwache Belüftung des Maschinenraums kann die Lage verschlechtern.

Wie Sie Ihr Aggregat bewerten

1. Messen Sie die elektrische Energie am Zähler des BHKW sowie die Gasmenge (Durchflussmesser) und den CH₄-Gehalt — berechnen Sie den Wirkungsgrad aus einem Zeitraum von z. B. einem Monat.
2. Messen Sie die abgegebene Wärme (Wärmemengenzähler) und vergleichen Sie sie mit dem thermischen Wirkungsgrad.
3. Vergleichen Sie mit den Katalogwerten: Eine Abweichung von mehr als 2–3 Prozentpunkten deutet in der Regel auf ein Problem hin (Gasqualität, Regelung, Verschleiß).
4. Prüfen Sie die Betriebszeit und die Zahl der Starts; häufige Starts verschlechtern die Bilanz.

Fehler bei der Bewertung

• Vergleich des elektrischen Wirkungsgrads mit dem Gesamtwirkungsgrad,
• Berechnung der „erzeugten“ statt der „genutzten“ Wärme,
• Außerachtlassen des Eigenstrombedarfs der Biogasanlage (Rührwerke, Pumpen, Gebläse), der den Nettowirkungsgrad senkt,
• fehlende Korrektur des Heizwerts des Gases bei Änderung des Methangehalts.

Eine belastbare Energiebilanz ist die Grundlage der Entscheidung über eine Modernisierung: Mitunter bringt eine bessere Wärmenutzung mehr als der Austausch des Motors gegen ein Modell mit 1–2 Prozentpunkten höherem Wirkungsgrad.

Checkliste beim Kauf oder bei der Modernisierung eines Aggregats

• Fordern Sie den elektrischen Wirkungsgrad für 100%, 75% und 50% Last an, nicht nur den nominalen.
• Prüfen Sie die Anforderungen an das Gas: minimaler CH₄-Gehalt, maximaler H₂S-Gehalt, relative Feuchte, Druckbereich.
• Fragen Sie nach der garantierten Verfügbarkeit (in % pro Jahr) und den Garantiebedingungen, einschließlich der Grenzwerte für die Gasqualität.
• Überprüfen Sie die Abgasemissionen (NOₓ, CO) und die Notwendigkeit eines Katalysators oder einer Nachverbrennung, falls die Genehmigungen dies verlangen.
• Vergleichen Sie die Gesamtkosten über den Lebenszyklus: Kaufpreis, Service pro kWh, Überholungen, Ölverbrauch.

Warum es sich lohnt, den Nettowirkungsgrad zu berechnen

Die Biogasanlage verbraucht eigene elektrische Energie für Rührwerke, Pumpen, Gebläse, Dosiereinrichtungen und Automatisierung — in der Regel einige bis mehr als zehn Prozent der Produktion. Der elektrische Nettowirkungsgrad ist daher niedriger als der Wirkungsgrad des Aggregats. Beim Vergleich von Anlagen ist stets anzugeben, ob sich die Zahl auf die Generatorklemmen oder auf den Netzanschlusspunkt bezieht.