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Biogas- und Zündstrahlmotoren in BHKWs – Vorteile durch maßgeschneiderte Motorenöle und speziellen Service?

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Biogas besteht aus Methan, Kohlendioxid sowie Sauerstoff und Stickstoff. Darüber hinaus kann es einige Spurengase, wie äußerst aggressiven Schwefelwasserstoff, enthalten. Die Erzeugung des Gases erfolgt in Biogasanlagen durch Vergärung organischer Stoffe. Biogasanlagen im landwirtschaftlichen Bereich setzen als Basismaterial in der Regel Biomasse, Gülle oder auch Festmist ein. Zur Erhöhung des Gasertrags kommen häufig auch Abfälle aus der Lebensmittelindustrie, die in Fermentern aufbereitet werden, zum Einsatz. Die Qualität von Biogas, dem Treibstoff für Blockheizkraftwerke, kann stark in Abhängigkeit der Ausgangsprodukte und der Vergärungsprozesse schwanken. Durch den oft mangelhaften Energiegehalt des Gases und wegen der ungenormten Gaszusammensetzung werden Biogasmotoren weitaus stärker als Erdgas-, Diesel oder Benzinmotoren belastet. Nach anfänglicher Verwendung von konventionellen Motorenölen hat es sich schon bald herausgestellt, dass speziell im Hinblick auf Biogase konzipierte Motorenöle und ein ausgefeiltes Wartungskonzept deutlich längere Ölwechselintervalle und wesentlich höhere Betriebssicherheit bedeuten.

Der 1923 gegründete BayWa-Konzern mit Hauptsitz München ist von etwa 1.400 Vertriebsstandorten aus in acht europäischen Ländern in den Bereichen Groß- und Einzelhandel sowie Dienstleistungen aktiv. Die vielfältigen Geschäftsaktivitäten teilen sich auf in die Segmente Agrar, Bau und Energie. In der Sparte Mineralöle werden Heiz-, Kraft- und Schmierstoffe vertrieben. Angesichts immer komplexerer Technik wurden sowohl die Qualität der Schmierstoffe entsprechend weiterentwickelt als auch die Qualifikation und Fachkompetenz der Mitarbeiter ausgebaut. Damit konnte die MethaFlexx Gasmotorenöl-Reihe, die besonders für biogas- und pflanzenölbetriebene Blockheizkraftwerke entwickelt wurde, erfolgreich etabliert werden.

Die Schnell Zündstrahlmotoren AG & Co. KG ist einer der Motorenhersteller, die sich für solche speziellen Motoröle im Zusammenhang mit dem Service und den durch die BayWa bei OELCHECK veranlassten Ölanalysen entschieden haben. Da bei der Verbrennung von Biogas vermehrt Störprodukte und Säuren entstehen, die den Motor angreifen und das Motoröl frühzeitig versäuern können, wurde die neueste Generation der Gasmotoröle speziell ausgelegt für die Schmierung von Gasmotoren nach dem Otto- oder Zündstrahlverfahren, die mit Biogas, Klärgas oder Deponiegas betrieben werden. Auch bei der motorschonenden zinkfreien Additivierung ist noch eine hohe alkalische Reserve trotz eines niedrigen Sulfataschegehalts vorhanden. Die ausgewogenen Additive können das saure Milieu, das über blow-by-Gase ins Motoröl gelangt, über einen langen Zeitraum hinweg neutralisieren und gleichzeitig Ablagerungen, Korrosion und Verschleiß entgegenwirken. So können selbst bei schlechter Gasqualität hohe Betriebssicherheit und optimierte Ölstandzeiten erzielt werden. Da die Zusammensetzung des Biogases aber ständig schwankt und unter anderem Schwefelwasserstoffanteile die Motorkomponenten stark angreifen können, optimiert ein komplexes Produkt-Service-Paket (PSP) die Prozesskosten der Biogasanlage und gewährt ein Maximum an Sicherheit.

Ölanalysen und umfassende Datenbank

OELCHECK-Schmierstoffanalysen sind ein fester Bestandteil des BayWa PSP-Serviceangebots. Für Biogasmotoren, die nicht durch Ölanalysen überwacht werden, wird ein Ölwechsel meist alle 250 Betriebsstunden vorgeschrieben. Sollen längere Ölwechselintervalle realisiert werden, die dank der optimalen Ölqualität oft auch möglich sind, müssen diese durch Ölanalysen abgesichert werden. Ohne Ölanalyse gleicht der Betrieb eines Biogasmotors quasi einem Blindflug. Bleibt bei einer Veränderung des Biogases das Öl zu lange im Einsatz droht beim Überfahren des Ölwechselintervalls ein kapitaler Lager- oder Motorschaden.

Schmierstoffanalysen liefern immer zeitnahe und umfassende Informationen zum Innenleben des Motors. Jeder von der BayWa betreute Gas- oder Pflanzenölmotor wird in eine Datenbank eingepflegt. Die Summe der Daten liefert die Basis zur optimalen Betreuung der Motoren und vergleichende Auswertungen mit anderen Motoren sind möglich. Die gesammelten Daten stehen auch den Herstellern der Gasmotoren zur Verfügung, mit denen der Schmierstofflieferant eng zusammenarbeitet. Die Laborwerte bieten wertvolle Entscheidungshilfen für die Optimierung von neuen Motoren. Die Datenbank, die Diagnosen und Auswertungen sind ein kostenloser Service. Um den Kunden die Akzeptanz für Öl und Ölanalysen zu erleichtern, wird für jeden Motor sogar eine gewisse Anzahl von Ölanalysen ohne Berechnung angeboten. Durch die Bündelung aller Komponenten erhalten die Anwender hervorragende Schmierstoffe, umfassende Informationen und vielfältiges Know-how zum optimalen Betrieb ihrer Gasmotoren.

Mittlerweile nutzen weit über 1.200 Betreiber der Gas- und Pflanzenölmotoren von namhaften Herstellern wie AVS, DEUTZ, Caterpillar, Dreyer & Bosse, JENBACHER, John Deere, LIEBHERR, MAN, MERCEDES, SCANIA, Schnell Zündstrahlmotoren oder SEVA das PSP-Konzept der BayWa.

Schnell setzt auf Zündstrahltechnik

Ein Motorenhersteller, der die Produkte und den Service der BayWa ganz besonders schätzt, ist die Schnell Zündstrahlmotoren AG & Co. KG in Amtzell. Schnell ist Marktführer in der Herstellung von Zündstrahl-Blockheizkraftwerken (BHKW) für Bio-, Deponie- und Klärgas. In der modernen Produktionsstätte im Allgäu werden Zündstrahlmotoren für BHKWs von 30 kW bis 340 kW elektrischer Leistung gefertigt. Die BHKWs kommen sowohl in kleinen Biogas-Einzelhofanlagen als auch in großen Gemeinschaftsanlagen zum Einsatz. Auch auf Mülldeponien und in Kläranlagen werden sie erfolgreich zur Nutzung von anfallenden Schwachgasen eingesetzt. Bis heute sind über 1.700 Zündstrahl-Aggregate weltweit in Betrieb. Bereits ein Viertel der Anlagen werden ins Ausland geliefert. Im Gegensatz zu anderen Biogasmotoren-Herstellern setzt Schnell voll auf das Zündstrahlprinzip. Es bietet ein höheres Verdichtungsverhältnis und steigert somit den Wirkungsgrad. Im Gegensatz zu den Aggregaten anderer Hersteller, die das Gas nach dem Otto-Prinzip mit einer Zündkerze zünden, basiert der Zündstrahlmotor auf dem Prinzip des Dieselmotors. Schwachgas (Bio-, Klär- und Deponiegas) hat durch seinen großen CO2-Anteil eine hohe Klopffestigkeit und eignet sich daher bestens zur Verbrennung in Zündstrahl-Motoren. Es wird mit Hilfe eines elektrisch angesteuerten Gasregelventils der angesaugten Verbrennungsluft beigemischt und im Motor verdichtet. Durch das Einspritzen einer geringen Menge Zündöl wird im Brennraum die Zündung des Schwachgas-Luftgemisches eingeleitet.

Um die thermodynamischen Vorteile des Dieselprinzips bei der Biogasverbrennung voll nutzen zu können, muss der Dieselmotor zum Zündstrahlmotor umgebaut werden. Beispielsweise sorgt eine optimierte Nockenwelle für einen kleinstmöglichen Biogas-Spülverlust. Die bedeutendste Umbaumaßnahme für einen höchst möglichen Wirkungsgrad ist jedoch die intelligente Einspritztechnik.

Funktionsweise der Zündstrahltechnik

Biogas ist ein natürlicher Brennstoff, dessen Verbrennungseigenschaften sich innerhalb von Sekunden sehr stark verändern können. Ein Vergleich mit Erdgas: Biogas (mit 50% Methananteil) hat etwa den halben Heizwert, die halb so schnelle Flammgeschwindigkeit aber dafür die doppelt so hohe Klopffestigkeit.

Die hohe Klopffestigkeit ermöglicht Verdichtungsverhältnisse von 16:1 bis 18:1 zu fahren und somit das Prinzip des Dieselmotors zu nutzen.

Die geringe Flammgeschwindigkeit des Biogases erfordert kurze Brennwege.

Der Zündstrahlmotor verdichtet das Biogas-Luft-Gemisch bis nahe an dessen Zündtemperatur, spritzt dann in Form des Zündstrahles, Kraftstoff mit einer hohen Zündenergie ein und hat, bedingt durch die Bauart des Kolbens mit Brennmulde, vom brennenden Zündölpartikel bis zum letzten Gasmolekül einen sehr kurzen Weg. Deshalb verändert sich der Wirkungsgrad auch bei einem Methananteil unter 50% nicht wesentlich.

Um die physikalischen und thermodynamischen Vorteile des Dieselprinzips zu nutzen, muss der Motor entweder gleich als Zündstrahlmotor konzipiert werden oder ein Dieselmotor wird durch zahlreiche Modifikationen zum Zündstrahlmotor umgebaut.

Vorteile durch geregelte Einspritztechnik

Unterschiedliche Methangehalte und Spurenelemente im Biogas (wie Ammoniak, Wasserstoff, Methanol) haben einen großen Einfluss auf die Flammgeschwindigkeit und die Klopffestigkeit. So kann es vorkommen, dass sich diese Eigenschaften innerhalb von Sekunden um 30–50% ändern. Dies kann zum einen zu Wirkungsgradeinbußen bzw. schlechten Abgaswerten, und zum anderen zu klopfender Verbrennung und damit zu Motorschäden führen.

Um den Verbrennungsvorgang zu kontrollieren, misst die Elektronik bei jedem Zylinder 1 mm über dem Brennraum die jeweilige Temperatur, vergleicht sie mit dem Sollwert für die eingestellte Leistung und regelt über den idealen Einspritzzeitpunkt des entsprechenden Zylinders die ideale Brennraumtemperatur ein. So werden, unabhängig von Flammgeschwindigkeit, Klopffestigkeit oder Leistung, ohne Schäden zu riskieren, immer der ideale Wirkungsgrad und ideale Abgaswerte erreicht.

Die Regelung des Zündzeitpunktes und somit auch die Regelung der Verbrennungstemperatur jedes einzelnen Zylinders:

  • reduziert die Stör- und Ausfallzeiten
  • verlängert die Motorlebensdauer
  • stabilisiert und erhöht den Wirkungsgrad
  • verbessert die Emissionswerte
  • ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz von Biodiesel (RME) oder Pflanzenöl
  • erhöht die Düsenstandzeiten

Die Überwachung der einzelnen Zylinder macht es möglich, das Aussetzen einzelner Düsen zu erkennen. Über die Veränderung der Zündölmenge für einen bestimmten Zeitraum, für jeden einzelnen Zylinder separat, können Düsenfehlfunktionen, Streuungen, die durch Fertigung oder Verschleiß auftreten, automatisch und sehr schnell ausgeglichen werden. Somit können mit Schnellmotoren Zündölmengen von 4% bis 7% erreicht werden. Nur wegen der Zündenergie würden schon 1% Zündölmenge ausreichen!

Um mit herkömmlicher Einspritztechnik diesen Streuungen entgegenzuwirken und um vertretbare Düsenstandzeiten zu erreichen, sind mit der mechanischen, ungeregelten Einspritztechnik Zündölmengen von oftmals über 8-10% notwendig. Bei Schnell-Zündstrahlmotoren ist durch die Regelelektronik eine Erhöhung auf 100% Zündöl möglich. Dadurch wird der Betrieb der Schnellmotoren auch mit 100% Pflanzenöl möglich.

Schnell hat in den letzten Jahren kräftig investiert, um Zündstrahlmotoren serienreif zu machen. Der Bau effizienter und kostengünstiger Anlagen konnte jedoch nur realisiert werden, weil man sich auf den Umbau eines Motortyps konzentrierte, der dann in den letzten 15 Jahren über 1.700-fach produziert werden konnte. Die Schmierstoffe werden, nicht zuletzt aufgrund der Serviceaktionen des Öllieferanten, kontinuierlich bei OELCHECK überwacht. Damit profitieren die Betreiber der BHKWs, und die Firma Schnell erhält wertvolle Informationen über den Betrieb ihrer Motoren in der Praxis und kann so die Daten im Konstruktionsbereich nutzen.

Grenz- und Warnwerte für Biogasanlagen und Zündstrahlmotoren

Diese Werte weichen zum Teil erheblich von den Limit werten für Erdgasmotoren ab (vgl. ÖlChecker Winter 2002)

ParameterEinheitGrenzwert 
grüngelbrot
Eisen, Kupfer, Blei, Aluminiummg/kg101419
Chrom, Zinn, Nickel, Bleimg/kg123
PQ-Index-304050
Silizium, Kalium, Natriummg/kg152535
Wasser%0,10,110,12
Viskosität bei 40°C 
(SAE 40)
mm2/smin.90
max.110 
min.88
max.140 
min.85
max.160 
Viskosität bei 100°C
(SAE 40) 
mm2/smin.12,5
max.15 
min. 12
max. 16 
min. 11,5
max. 17 
OxidationA/cm121520
NitrationA/cm5812
SulfationA/cm101316
BN (alkalische Reserve)*mgKOH/gmin. 6min. 4,5min. 3
AN (Säureanstieg)mgKOH/gmax. 2,3max. 2,7max. 2,9
i-pH-Wert-min. 4,5min. 4,2min. 3,9
Veränderung der Additivemg/kgmax. 5%max. 10%max. 15%
Zündstrahlmotoren----
Diesel, Biodiesel%max. 2max. 3max. 4
Pflanzenöl%max. 3max. 5max. 6
Ruß%0,20,50,8

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