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In Biogasanlagen wird das im Fermenter erzeugte Gas häufig in einem Gasspeicher gesammelt, aufbereitet und anschließend einem Blockheizkraftwerk zugeführt. Dort wird es in einem Gasmotor verbrannt, um elektrische Energie und nutzbare Wärme zu erzeugen.

Zwischen Gasspeicher, Gasaufbereitung und BHKW müssen Rohrleitungen, Filter, Armaturen, Wärmetauscher und weitere Anlagenkomponenten überwunden werden. Reicht der vorhandene Gasdruck für den benötigten Volumenstrom nicht aus, kann ein geeigneter Seitenkanalverdichter den Gastransport unterstützen.

Seitenkanalverdichter eignen sich für kontinuierliche Gasströme bei niedrigen bis mittleren Differenzdrücken. Sie sind keine Hochdruckkompressoren. Ob diese Verdichterbauart für eine konkrete BHKW-Versorgung geeignet ist, muss deshalb anhand des erforderlichen Betriebspunktes und der vollständigen Anlagenbedingungen geprüft werden.

Vom Gasspeicher zum Blockheizkraftwerk

Der typische Förderprozess kann mehrere Stationen umfassen:

1. Das im Fermenter entstandene Biogas gelangt in den Gasraum beziehungsweise Gasspeicher.
2. Das Gas wird aus dem Speicher oder einem nachgeschalteten Leitungsabschnitt entnommen.
3. Abscheider und Aufbereitungskomponenten entfernen je nach Anlagenkonzept Feuchtigkeit, Kondensat und unerwünschte Gasbestandteile.
4. Der Seitenkanalverdichter erhöht den Gasdruck auf das für den weiteren Transport benötigte Niveau.
5. Das Biogas wird durch die Verbindungsleitung zum Blockheizkraftwerk gefördert.
6. Druck- und Durchflussüberwachung kontrollieren die Gasversorgung.
7. Das aufbereitete Biogas wird dem Gasmotor entsprechend dessen technischen Anforderungen zugeführt.

Die genaue Reihenfolge von Gasaufbereitung und Verdichter hängt vom jeweiligen Anlagenkonzept ab. Entscheidend ist, dass der Seitenkanalverdichter nur mit einem Medium und unter Bedingungen betrieben wird, für die seine konkrete Ausführung vorgesehen ist.

Gleichmäßige Gasversorgung des BHKW

Ein Blockheizkraftwerk benötigt eine ausreichend gleichmäßige Brenngasversorgung. Starke Druckschwankungen oder ein zu geringer Gasvolumenstrom können den Motorbetrieb beeinträchtigen und zu Leistungsschwankungen oder Abschaltungen führen.

Der Seitenkanalverdichter kann dazu beitragen, den erforderlichen Gasstrom bereitzustellen und die Druckverluste zwischen Gasspeicher und BHKW zu überwinden. Er ersetzt jedoch nicht die Regelung und Überwachung der vollständigen Gasstrecke.

Zur Anlagenperipherie können unter anderem gehören:

• Gasdruckregelung,
• Volumenstrommessung,
• Drucküberwachung,
• Gasfilter,
• Kondensatabscheider,
• Gasentfeuchtung,
• Entschwefelung,
• Rückschlag- und Absperrarmaturen,
• Sicherheitsventile,
• Gaswarn- und Überwachungseinrichtungen,
• Flammensperren oder weitere anlagenspezifische Sicherheitseinrichtungen.

Welche Komponenten notwendig sind, ergibt sich aus dem Anlagenkonzept, den Vorgaben des BHKW-Herstellers und der Gefährdungsbeurteilung.

Der tatsächliche Betriebspunkt entscheidet

Für die Auswahl des Seitenkanalverdichters werden mindestens zwei Werte benötigt:

• der erforderliche Gasvolumenstrom,
• der zu überwindende Gesamtdifferenzdruck.

Der notwendige Volumenstrom richtet sich vor allem nach dem Brenngasbedarf des BHKW. Dieser hängt unter anderem von Motorleistung, elektrischem Wirkungsgrad, Methangehalt und Heizwert des Biogases ab.

Der Gesamtdifferenzdruck setzt sich aus dem erforderlichen Eingangsdruck am BHKW und sämtlichen Druckverlusten der Gasstrecke zusammen. Dazu gehören beispielsweise:

• Rohrleitungslänge und Rohrdurchmesser,
• Bögen und Querschnittsänderungen,
• Filter und Abscheider,
• Wärmetauscher und Gaskühler,
• Entschwefelungseinrichtungen,
• Gaszähler und Durchflussmesser,
• Ventile und Rückschlagarmaturen,
• Höhenunterschiede,
• Verschmutzungsreserven,
• erforderlicher Mindestdruck am Gasmotor.

Die Maximalwerte eines Seitenkanalverdichters für Volumenstrom und Druck stehen nicht gleichzeitig zur Verfügung. Mit zunehmendem Differenzdruck sinkt der tatsächlich erreichbare Gasvolumenstrom.

Die Auswahl darf deshalb nicht allein anhand eines maximalen Katalogwertes erfolgen. Der benötigte Betriebspunkt muss in der Kennlinie des Verdichters liegen und ausreichende technische Reserven aufweisen.

Gasbedarf des BHKW genau bestimmen

Für eine technische Vorauswahl sollte der Gasbedarf möglichst aus den Unterlagen des BHKW-Herstellers übernommen werden. Eine Schätzung ausschließlich anhand der elektrischen Motorleistung kann zu ungenauen Ergebnissen führen.

Hilfreiche Angaben sind:

• minimaler und maximaler Gasvolumenstrom,
• erforderlicher Gasdruck am Motoreingang,
• zulässige Druckschwankungen,
• Methangehalt,
• Heizwert beziehungsweise Brennwert,
• Gastemperatur,
• zulässiger Feuchtegehalt,
• Grenzwerte für Schwefelwasserstoff,
• zulässige Partikelbelastung,
• Anfahr- und Teillastbedingungen.

Auch Betriebszustände außerhalb des Nennbetriebs müssen betrachtet werden. Beim Start, bei Teillast oder bei schwankender Gasproduktion kann sich der benötigte Betriebspunkt verändern.

ATEX-Ausführung für den direkten Biogaskontakt

Biogas enthält in der Regel einen brennbaren Methananteil. In Verbindung mit Luft kann eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen. Wird das Biogas direkt durch den Seitenkanalverdichter gefördert, müssen deshalb die ATEX-Anforderungen der konkreten Anlage berücksichtigt werden.

Der Betreiber beziehungsweise Anlagenplaner muss unter anderem festlegen:

• Zoneneinteilung,
• erforderliche Gerätekategorie,
• Gasgruppe,
• Temperaturklasse,
• zulässige Umgebungstemperatur,
• Aufstellbereich,
• Anforderungen an Motor und elektrische Anschlüsse,
• Anforderungen an Überwachung und Steuerung.

Eine allgemeine Bezeichnung wie „ATEX-Seitenkanalverdichter“ reicht für die endgültige Auswahl nicht aus. Die vollständige Gerätekennzeichnung muss mit den Anforderungen aus der Gefährdungsbeurteilung übereinstimmen.

Neben dem Seitenkanalverdichter sind sämtliche Komponenten der Gasstrecke zu betrachten. Dazu gehören Leitungen, Armaturen, Filter, Messgeräte, Kabelverschraubungen, Sensoren und Anlagensteuerung.

Feuchtigkeit und Kondensat sicher beherrschen

Rohbiogas ist häufig mit Wasserdampf gesättigt. Kühlt das Gas in Rohrleitungen oder Anlagenkomponenten ab, kann Kondensat entstehen.

Flüssigkeit darf nicht unkontrolliert in den Seitenkanalverdichter gelangen. Kondensat kann die Funktion beeinträchtigen und Korrosionsschäden begünstigen. Die Gasstrecke sollte deshalb so geplant werden, dass Flüssigkeit kontrolliert gesammelt und abgeführt wird.

Mögliche Maßnahmen sind:

• geeignete Leitungsgefälle,
• definierte Tiefpunkte,
• Kondensatabscheider,
• kontrollierte Entwässerung,
• Gaskühlung vor dem Verdichter,
• ausreichende thermische Isolierung,
• Begleitheizung bei geeigneten Anwendungen,
• Überwachung von Abscheidern,
• geeignete Anordnung von Verdichter und Rohrleitungen.

Die erforderliche Ausführung hängt von Gastemperatur, Umgebungstemperatur, Feuchtegehalt und Betriebsweise ab.

Schwefelwasserstoff und Korrosionsschutz

Biogas kann Schwefelwasserstoff und weitere korrosive Bestandteile enthalten. Ihre Konzentration hängt von Substrat, biologischem Prozess und vorhandener Gasaufbereitung ab.

ATEX-Ausführung und Korrosionsschutz sind getrennt zu betrachten. ATEX betrifft den Explosionsschutz. Korrosionsschutz soll die Maschine gegen Feuchtigkeit, Kondensat und aggressive Gasbestandteile schützen.

Abhängig von der Anwendung können unter anderem geprüft werden:

• anodisierte beziehungsweise eloxierte Oberflächen,
• Beschichtungen oder Versiegelungen,
• Edelstahlschrauben,
• abgedichtete Ausführungen,
• Antikondensationsheizung,
• besondere Motorschutzarten,
• Entwässerungsmöglichkeiten,
• geeignete Werkstoffe für gasberührte Komponenten.

Die technische Verfügbarkeit solcher Sonderausführungen ist modell- und projektabhängig. Bei erhöhten Anforderungen wird die konkrete Ausführung mit dem Hersteller FPZ abgestimmt.

Gasaufbereitung nach Vorgaben des BHKW-Herstellers

Der Seitenkanalverdichter übernimmt den Gastransport, nicht die vollständige Gasaufbereitung. Das Biogas muss die Qualitätsanforderungen des eingesetzten Gasmotors erfüllen.

Je nach Rohgasqualität können dafür erforderlich sein:

• Entschwefelung,
• Kühlung und Trocknung,
• Kondensatabscheidung,
• Partikelfiltration,
• Entfernung weiterer unerwünschter Bestandteile,
• Temperaturkonditionierung,
• Druckregelung.

Unzureichend aufbereitetes Biogas kann den Gasmotor, die Gasregelstrecke und weitere Komponenten schädigen. Die zulässigen Grenzwerte sind den aktuellen Unterlagen des BHKW-Herstellers zu entnehmen.

Auch die Position des Seitenkanalverdichters innerhalb der Gasaufbereitung beeinflusst seine Belastung. Wird er mit noch feuchtem und schwefelwasserstoffhaltigem Rohbiogas beaufschlagt, sind die Anforderungen an Werkstoffe und Korrosionsschutz entsprechend höher.

Zusammenspiel mit dem Gasspeicher

Die Gasproduktion im Fermenter und der Gasverbrauch des BHKW sind nicht zu jedem Zeitpunkt identisch. Der Gasspeicher gleicht diese Unterschiede innerhalb seiner Kapazität aus.

Der Seitenkanalverdichter darf nicht so betrieben werden, dass ein unzulässiger Unterdruck im Gasspeicher oder Fermenter entsteht. Auch ein zu hoher Druck in der Gasstrecke muss verhindert werden.

Dafür können abhängig vom Anlagenkonzept erforderlich sein:

• Überwachung des Speicherfüllstands,
• Unterdrucküberwachung,
• Druckbegrenzung,
• drehzahlgeregelter Verdichterbetrieb,
• Bypass- oder Entlastungsleitung,
• abgestimmte Start- und Abschaltbedingungen,
• Verriegelung mit dem BHKW,
• Einbindung einer Gasfackel,
• Störmeldung an die Anlagensteuerung.

Die Steuerung sollte Gasproduktion, Speicherzustand, Verdichterbetrieb und Gasbedarf des BHKW aufeinander abstimmen.

Schutz des Seitenkanalverdichters

Seitenkanalverdichter fördern das Gas berührungslos und ohne Schmiermittel im Verdichtungsraum. Sie erzeugen einen kontinuierlichen und weitgehend pulsationsarmen Gasstrom.

Der Verdichter darf jedoch nur innerhalb seines freigegebenen Kennlinienbereichs betrieben werden. Ein zu hoher Differenzdruck kann den Gasvolumenstrom reduzieren und gleichzeitig die thermische Belastung erhöhen.

Je nach Anwendung können folgende Schutzmaßnahmen erforderlich sein:

• Motorschutz,
• Druck- und Vakuumüberwachung,
• Temperaturüberwachung,
• Sicherheits- oder Druckbegrenzungsventil,
• Filterüberwachung,
• Gasdurchflussüberwachung,
• Rückschlagarmaturen,
• Kondensatabscheidung,
• Überwachung der Lager oder weiterer Maschinenzustände,
• automatische Abschaltung bei unzulässigen Betriebswerten.

Die konkrete Ausführung ist anhand der Herstellerunterlagen und des Sicherheitskonzeptes festzulegen.

Aufstellort und Wärmeabfuhr berücksichtigen

Auch der Aufstellort beeinflusst die Eignung des Seitenkanalverdichters. Zu berücksichtigen sind unter anderem:

• ATEX-Zone am Aufstellort,
• Umgebungstemperatur,
• Belüftung des Aufstellraums,
• Schutz vor Niederschlag,
• direkte Sonneneinstrahlung,
• Staub und Verschmutzung,
• Zugänglichkeit für Wartung,
• Geräuschübertragung,
• mögliche Gasansammlungen,
• elektrische Anschlussbedingungen.

Motor und Verdichter geben während des Betriebs Wärme an die Umgebung ab. Die Kühlluftwege müssen frei bleiben. Bei einer Einhausung oder Aufstellung in einem Technikcontainer muss die Wärmeabfuhr gesondert nachgewiesen werden.

Technische Vorauswahl durch SKVTechnik

SKVTechnik unterstützt Betreiber, Planer und Anlagenbauer bei der technischen Vorauswahl geeigneter ATEX-Seitenkanalverdichter für die Förderung von Biogas zum Blockheizkraftwerk.

Für eine Vorauswahl werden möglichst vollständige Prozessdaten benötigt:

• benötigter minimaler und maximaler Gasvolumenstrom,
• erforderlicher Eingangsdruck am BHKW,
• verfügbarer Ausgangsdruck am Gasspeicher,
• Leitungslänge und Rohrdurchmesser,
• vorhandene Filter, Abscheider und Armaturen,
• Gaszusammensetzung,
• Methan- und Schwefelwasserstoffgehalt,
• Feuchtigkeit und Gastemperatur,
• ATEX-Zoneneinteilung,
• Aufstellort und Umgebungstemperatur,
• Betriebsdauer und Regelkonzept,
• gewünschte Sonderausstattung.

Auf dieser Grundlage kann der erforderliche Betriebspunkt bestimmt und eine geeignete Maschinenbaugröße vorausgewählt werden. Die endgültige Eignung ist anhand der konkreten Kennlinie, der Gefährdungsbeurteilung und der aktuellen Herstellerunterlagen festzustellen.

Weitere Informationen zu Seitenkanalverdichtern für Biogasanlagen:

https://www.skvtechnik.de/biogas-seitenkanalverdichter/

Bei anspruchsvollen Betriebsbedingungen und projektbezogenen Sonderausführungen kann SKVTechnik zusätzlich die technische Unterstützung des Herstellers FPZ einbeziehen.