Was ist die Methanzahl und warum ist sie für einen Motor auf Biogas wichtig?

Die Methanzahl (MN) ist ein Maß für die Klopffestigkeit eines gasförmigen Brennstoffs im Ottomotor: Je höher sie ist, desto geringer ist das Klopfrisiko. Die Skala ist durch Referenzgemische definiert: Reines Methan hat eine MN von 100 und Wasserstoff eine MN von 0. Die Methanzahl eines untersuchten Gases entspricht dem Volumenprozentanteil von Methan in dem Gemisch mit Wasserstoff, das unter festgelegten Prüfbedingungen die gleiche Klopfneigung aufweist. Analog zur Oktanzahl bei Benzin.

Was sie erhöht und was sie senkt

Erdgas, das Beimischungen höherer Kohlenwasserstoffe enthält, hat eine niedrigere Methanzahl als reines Methan. Biogas, das hauptsächlich aus Methan und großen Mengen CO₂ besteht, hat sie in der Regel höher als Erdgas. Biogas mit typischer Zusammensetzung hat in Berechnungen eine MN in der Größenordnung von 120–140; der Bereich hängt vom CO₂-Gehalt und der Berechnungsmethode ab, es handelt sich also um einen Orientierungswert. Dieser Wert geht über die Skala 0–100 hinaus, weil die für Gase mit hohem Anteil an Inertgasen berechnete Zahl 100 überschreiten kann.

Wie sie ermittelt wird

Eine direkte Messung erfordert einen speziellen Prüfmotor, daher wird die MN in der Praxis aus der Gaszusammensetzung berechnet (Chromatographie). Es gibt verschiedene Berechnungsmethoden: Eine davon beschreibt der Anhang zur Norm EN 16726 über die Qualität von Gas der Gruppe H, und die Motorhersteller verwenden eigene Methoden, die für dieselbe Zusammensetzung andere Ergebnisse liefern. Aus diesem Grund muss man beim Vergleich von Werten wissen, welche Methode verwendet wurde. Es gibt keine einheitliche universelle Berechnungsdefinition, und der Motorhersteller kann seine eigene Methode verlangen.

Bedeutung für den BHKW-Motor

Ein Gasmotor hat einen vom Hersteller festgelegten zulässigen Bereich der Methanzahl. Hat das Gas eine zu niedrige MN, ist der Motor klopfender Verbrennung ausgesetzt, die Kolben und Lagerschalen beschädigt. In einer solchen Situation reduziert die Steuerung die Last, verstellt die Zündung nach spät oder magert das Gemisch ab. Bei Biogas ist das Risiko einer niedrigen MN gering, da CO₂ als Ballast wirkt. Häufigere Probleme sind ein niedriger Heizwert, Verunreinigungen (Schwefelwasserstoff, Siloxane, Feuchtigkeit) und die Schwankung der Zusammensetzung; siehe Schwankungen von Zusammensetzung und Menge des Biogases sowie Service von BHKW-Motoren.

Wo die Methanzahl praktische Bedeutung hat

• Mischen von Biogas mit einem anderen Gas, z. B. Zugabe von Propan zu Biomethan, um den für die Einspeisung ins Netz erforderlichen Brennwert zu erreichen; das kann die MN verändern.
• Betrieb von CNG-Motoren mit Biomethan. Die Norm EN 16723-2 (CNG-Kraftstoff für den Verkehr) enthält Anforderungen, auch für die Methanzahl; siehe Biomethan im Verkehr.
• Dem Gas zugesetzter Wasserstoff. Die Beimischung von H₂ senkt die MN, was für stationäre Motoren von Bedeutung ist.
• Änderung der Zusammensetzung bei Ausfall der Entschwefelung oder bei Prozessstörungen. Ein Rückgang des Methans bei steigendem CO₂ erhöht die MN in der Regel.

Was in der Praxis zu tun ist

1. Den vom Motorhersteller zugelassenen MN-Bereich und die Methode kennen, nach der er angegeben ist.
2. Die Gaszusammensetzung messen (kontinuierlicher Analysator oder periodische Chromatographie) und die MN nach derselben Methode berechnen.
3. Bei einer Änderung des Brennstoffs oder einer Zugabe (z. B. Wasserstoff, Propan) den Einfluss auf die MN mit dem Hersteller abstimmen.
4. Klopfsymptome (Geräusch, Leistungsabfall, Aufzeichnung des Klopfdetektors) festhalten und mit der Gaszusammensetzung korrelieren.

Beispiel: Wie die Gaszusammensetzung die MN beeinflusst

Ein Gemisch aus Methan mit einer Zugabe von Ethan oder Propan hat eine niedrigere Methanzahl als reines Methan, und eine Zugabe von CO₂ erhöht sie. Deshalb können zwei Gase mit demselben Heizwert unterschiedliche MN haben, wenn sie sich in der Zusammensetzung unterscheiden. Biogas aus dem Fermenter, dessen Hauptkomponenten CH₄ und CO₂ sind, verhält sich in dieser Hinsicht anders als Netzgas, in dem höhere Kohlenwasserstoffe enthalten sind. Nach der Aufbereitung zu Biomethan wird der größte Teil des CO₂ entfernt, sodass die Methanzahl auf ein Niveau nahe dem von reinem Methan sinkt und sich nach einer etwaigen Zugabe von Propan zur Korrektur des Brennwerts noch weiter verringert. Bei mit Biomethan betriebenen Motoren sollte man daher die Endzusammensetzung des Gases kennen, nicht nur den Methananteil.