Blockheizkraftwerke (BHKW) von Biogasanlagen benötigen in der Regel eine Abgasnachbehandlung, um den Grenzwert für Formaldehydemissionen einzuhalten. Meist kommen Oxidationskatalysatoren zum Einsatz. Für den Betreiber eines BHKWs mit Katalysator ist es jedoch praktisch nicht möglich, die ordnungsgemäße Funktion des Katalysators zu überwachen. Ziel dieser Studie war es daher, aus vorhandenen Messberichten von immissionsschutzrechtlich genehmigungsbedürftigen Biogas-BHKW mögliche Korrelationen zwischen Formaldehyd- und anderen Abgaskonzentrationen aufzudecken. Weiterhin wurden in einem zusätzlichen Messprogramm in der Studie dargestellte mögliche Korrelationen zwischen Formaldehyd und anderen Abgaskonzentrationen überprüft. Ergebnis ist, dass sich die Standzeiten der Katalysatoren verbessert haben. Es sind aber keine signifikanten Korrelationen zwischen Formaldehyd und anderen Abgaskonzentrationen festzustellen. Die Studie richtet sich u. a. an Messinstitute, Entwickler von Katalysatoren und Behörden.

An 11 Blockheizkraftwerken (BHKW) ohne Oxidationskatalysator und an 10 BHKW mit Oxidationskatalysator in Sachsen und Thüringen wurden die Einflussfaktoren auf die Formaldehydemissionen untersucht. Geprüft wurden insbesondere die Motorbetriebsparameter wie z.B. Zylindertemperaturen, Verbrennungsluftverhältnis, die Biogaszusammensetzung und die Biogasfeuchte. Im Ergebnis konnte kein bzw. nur ein geringer Einfluss der untersuchten Parameter auf die Formaldehydbildung festgestellt werden. Ebenfalls ließ sich bei den meisten der untersuchten Anlagen kein Einfluss von Wartungstätigkeiten sowie Ersatzteil- und Betriebsstoffwechseln auf die Formaldehydemissionen feststellen. Sollte der Gesetzgeber künftig einen niedrigeren Formaldehydgrenzwert vorschreiben, werden zusätzliche Technologien zur Biogasaufbereitung z.B. mit Aktivkohlefilter und zur Abgasnachbehandlung z.B. mit Oxidationskatalysator oder Thermoreaktor notwendig. Diese müssen aber noch hinsichtlich ihrer Standzeiten untersucht und optimiert werden.

An 15 Biogas-BHKW mit und ohne Abgasreinigung (Katalysator bzw. thermische Nachverbrennung) wurden Emissionsmessungen durchgeführt, davon an drei Anlagen über einen Zeitraum von 21 Tagen. Neben der Ermittlung der Formaldehyd- und Geruchsemissionen sollten dabei auch Erkenntnisse über die Standzeit von Abgasreinigungsanlagen gewonnen werden. Die wesentlichen Ergebnisse waren: 1. Der zulässige Grenzwert für Formaldehyd (Altanlagen: 60 mg/m³, Neuanlagen: 40 mg/m³) wurde von den meisten untersuchten Anlagen eingehalten, bei einem Teil der Anlagen wurde allerdings der NOx-Grenzwert von 500 mg/m³ überschritten. 2. Mittels Katalysatoren lassen sich Formaldehydemissionen deutlich reduzieren, Methanemissionen (Schlupf) dagegen nicht. 3. Aussagen über Standzeiten von Katalysatoren sind derzeit nicht möglich. 4. Mittels thermischer Nachverbrennung sind sowohl bei Formaldehyd als auch Methan sehr niedrige Reingaswerte erreichbar, die dazu auch noch hohe Standzeiten aufweisen. 5. Ein negativer Einfluss der Abgasreinigungsanlagen auf die Geruchsemissionen war nicht festzustellen.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Auswirkungen ungeregelt und mit konstanter Leistung ins Mittelspannungsnetz einspeisender dezentraler Erzeugungseinheiten, beispielsweise mit Erdgas betriebener Motor-BHKW oder Brennstoffzellen untersucht. Insbesondere werden Lastfluss und Netzverluste in Abhängigkeit von Ort und Höhe der dezentral eingespeisten Leistung ermittelt. Nach Vorstellung anerkannter Bewertungsmethoden und bestehender Versorgungskonzepte werden anhand eines Beispielnetzes verschiedene Szenarien entwickelt und mittels vergleichender Ökobilanz ganzheitlich bewertet. Ziel der Arbeit ist die Ermittlung eines Szenarios mit minimalen Stromwärmeverlusten unter ausschließlichem Einsatz dezentral mit konstanter Leistung einspeisender Erzeugungseinheiten. Dies ist erfüllt, wenn an jedem Knoten im Mittelspannungsnetz exakt die mittlere Jahresleistung eingespeist wird. Die Stromwärmeverluste sind dann um 85 % niedriger als im Ausgangsszenario ohne dezentrale Einspeisung. Nachteilig an diesem Konzept sind die zeitweilige Lastflussumkehr und die verglichen mit konventionellen Großkraftwerken hohen Erzeugungskosten. / This diploma thesis deals with un-controlled mini cogeneration plants in medium voltage grids. The aim of the thesis is to evaluate and to explain the correlation between small decentralized power generation, transportation losses and load-flow inversion. Several scenarios are developed and evaluated via life cycle assessment. In the optimum scenario, transportation losses are 85 % lower compared to the original scenario without decentralized generation. Disadvantages of the optimised scenario are load-flow inversion and relatively high costs.

Interessante Optionen in der dezentralen Energieversorgung ergeben sich mit dem Einsatz von erdgasbetriebenen Gas-Otto-Motor-, Mikrogasturbinen-, Stirlingmotor- und PEMFC-Modulen. In dem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Nutzungsmöglichkeiten dieser KWK-Systeme auch durch die elektrischen und thermischen Bedarfswerte und -strukturen der zu versorgenden Objekte bestimmt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist, neben einer experimentellen und theoretischen Untersuchung ausgewählter KWK-Module, die vergleichende Bewertung von KWK-Anwendungen in der Hausenergieversorgung. Am Beispiel der Energieversorgung von Modell-Siedlungen nach VDI 2067-7 wird der stationäre Betrieb der untersuchten KWK-Module im bi- und polyvalenten Einsatz nachgebildet und bilanziert. Zur Bewertung der KWK-Konzepte erfolgt ein Vergleich zu einer konventionellen Energieversorgungsstrategie mit getrennter Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie. Als Indikatoren zur Beurteilung der dezentralen Energieversorgungsvarianten dienen definierte energetische, ökologische und ökonomische Faktoren. Im Rahmen von Simulationsanalysen wird die Bedeutung der Integrations- und Einsatzweise der KWK-Module untersucht. Ein Variantenvergleich der Energieversorgungsstrategien verdeutlicht, welche Einsatzmöglichkeiten der KWK-Module für die untersuchte Struktur der Hausenergieversorgung beim gegenwärtigen Stand der Technik zweckmäßig sind.

Für PEM-Brennstoffzellen-Mikro-BHKW mit integrierter Dampfreformierung ist die Verwendung von LPG (Liquefied Petroleum Gas) bei fehlender Erdgasinfrastruktur interessant. Grundlage der BHKW-Effizienz ist eine optimale wärmetechnische Verschaltung, durch die u.a. das LPG/H2O-Gemisch effektiv auf die Reaktionstemperatur (700 °C) der Dampfreformierung vorgewärmt wird. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der das Gemisch ausgesetzt wird, können signifikante Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (C3H6, C2H4, C2H2) pyrolytisch gebildet werden, C3H6 kann des Weiteren bereits im LPG enthalten sein. Bei der katalytisch unterstützten Dampfreformierung fördert dies die Bildung verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Ablagerungen, wodurch eine vorzeitige Deaktivierung eintritt. In der Arbeit wird das Spaltpotenzial numerisch und experimentell untersucht. Durch Anwendung von Temperatur-Programmierter-Methanisierung und Ramanspektroskopie wird ferner der negative Einfluss bereits geringer C3H6-Anteile an einem Katalysator gezeigt. Aus den Ergebnissen werden abschließend Maßnahmen zur Minimierung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen abgeleitet. / The use of LPG (Liquefied Petroleum Gas) is an alternative for PEM fuel cell micro-CHP systems with integrated steam reforming in the absence of natural gas infrastructure. An optimized thermo technical interconnection is the basis of the CHP efficiency, whereby, among other things, the LPG/H2O-mixture is preheated to the steam reforming reaction temperature (700 °C). Significant amounts of unsaturated hydrocarbons (C3H6, C2H4, C2H2) can be formed pyrolytically depending on the residence time for preheating the mixture; furthermore, C3H6 can be already a component of LPG. These species promote the formation of different carbon containing deposits on the reforming catalyst whereby a premature deactivation occurs. The thesis deals with the investigation of the pyrolysis potential using numerical as well as experimental methods. Furthermore, the negative effect of already low amounts of unsaturated hydrocarbons on a catalyst is shown by using Temperature-Programmed-Methanation and Raman spectroscopy. Finally, actions for avoiding the production of carbon containing deposits are derived from the results.

Die Bewertung der Eignung dezentraler Klein-KWK-Anlagen zur Bereitstellung positiver Minutenreserve erfordert Kenntnisse über die Charakteristik der Reserve-Inanspruchnahme. Eine Option zur Modellierung ist eine Zerlegung der Inanspruchnahme in Einflusskomponenten mittels Zeitreihenanalyse. Das verfügbare Datenmaterial verspricht belastbare Ergebnisse. / For evaluating small decentralized co-generation plants as positive tertiary reserve energy supply, detailed knowledge about the characteristic of using positive tertiary reserve power is necessary. One option to model the use of positive tertiary reserve power is to parse the use into single components with the help of time series analysis. The given data prove convincing results.

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Thesis (doctoral)--Freie Universität, Berlin, 2007. / Includes bibliographical references.

Für PEM-Brennstoffzellen-Mikro-BHKW mit integrierter Dampfreformierung ist die Verwendung von LPG (Liquefied Petroleum Gas) bei fehlender Erdgasinfrastruktur interessant. Grundlage der BHKW-Effizienz ist eine optimale wärmetechnische Verschaltung, durch die u.a. das LPG/H2O-Gemisch effektiv auf die Reaktionstemperatur (700 °C) der Dampfreformierung vorgewärmt wird. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der das Gemisch ausgesetzt wird, können signifikante Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (C3H6, C2H4, C2H2) pyrolytisch gebildet werden, C3H6 kann des Weiteren bereits im LPG enthalten sein. Bei der katalytisch unterstützten Dampfreformierung fördert dies die Bildung verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Ablagerungen, wodurch eine vorzeitige Deaktivierung eintritt. In der Arbeit wird das Spaltpotenzial numerisch und experimentell untersucht. Durch Anwendung von Temperatur-Programmierter-Methanisierung und Ramanspektroskopie wird ferner der negative Einfluss bereits geringer C3H6-Anteile an einem Katalysator gezeigt. Aus den Ergebnissen werden abschließend Maßnahmen zur Minimierung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen abgeleitet. / The use of LPG (Liquefied Petroleum Gas) is an alternative for PEM fuel cell micro-CHP systems with integrated steam reforming in the absence of natural gas infrastructure. An optimized thermo technical interconnection is the basis of the CHP efficiency, whereby, among other things, the LPG/H2O-mixture is preheated to the steam reforming reaction temperature (700 °C). Significant amounts of unsaturated hydrocarbons (C3H6, C2H4, C2H2) can be formed pyrolytically depending on the residence time for preheating the mixture; furthermore, C3H6 can be already a component of LPG. These species promote the formation of different carbon containing deposits on the reforming catalyst whereby a premature deactivation occurs. The thesis deals with the investigation of the pyrolysis potential using numerical as well as experimental methods. Furthermore, the negative effect of already low amounts of unsaturated hydrocarbons on a catalyst is shown by using Temperature-Programmed-Methanation and Raman spectroscopy. Finally, actions for avoiding the production of carbon containing deposits are derived from the results.