Biogasanlagen - Erfahrungen der chemlab GmbH bei Emissionsmessungen in der Praxis
Die chemlab GmbH hat bis Ende des Jahres 2017 über 10000 Emissionsmessungen an Biogasanlagen durchgeführt. Die hier gewonnenen Erfahrungen sind im Folgenden dargestellt, um Betreibern und anderen Interessenten Praxistipps zu vermitteln, wie die Anlagen sicherer und umweltschonender betrieben werden können.
- Gemäss einer Studie der TU-München können folgende Ursachen für die Formaldehydbildung mit grosser Wahrscheinlichkeit angenommen werden:
- Spaltmaße innerhalb des Zylinders (punktuelle Flammenlöschung)
- „kalte Zonen“ (inhomogenes Flammenbild) bei der Verbrennung
- geringe Brennraumtemperatur.
- Gem. LAI-Beschluss vom 17.10.2017 wird der Grenzwert zur Beantragung des Luftreinhaltebonus („Formaldehydbonus“) von momentan 40 mg/m3 ab dem 01.07.2018 auf 20 mg/m3 abgesenkt. Um eine Unterbrechungsfreie Zahlung des Bonus sicher zu stellen, sollte bereits bei Messungen im ersten Halbjahr 2018 darauf geachtet werden den neuen Grenzwert einzuhalten. In diesem Rahmen empfehlen wir den rechtzeitigen Austausch bzw. den Einbau eines für die neuen Grenzwerte ausgelegten Katalysators.
- Die Vollzugsempfehlung des LAI (Stand 09.12.2015) wird von den zuständigen Behörden zusehends umgesetzt. D. h. dass Motoren die mit Biogas, Erdgas, Grubengas oder Klärgas betrieben werden und nach dem Inkrafttreten der Vollzugsempfehlung in Betrieb genommen wurden, einen Formaldehydgrenzwert von 30 mg/m3 einhalten müssen. Ab dem 01.01.2020 ist ein Wert von 20mg/m3 einzuhalten. Bei Altanlagen (die bereits vor dem Inkrafttreten der o. g. Vollzugsempfehlung in Betrieb waren) gilt, soweit sie Formaldehydwerte von > 40 mg/m3 aufweisen, ein Grenzwert von 30 mg/m3 ab dem 05.02.2018 und, soweit sie Formaldehydwerte von < 40 mg/m3 aufweisen (z. B. mit Biogas betriebene Motoren die bereits den „Formaldehydbonus“ bekommen), ein Grenzwert von 30 mg/m3 ab dem 05.02.2019. Darüber hinaus fordert die o.g. Vollzugsempfehlung eine jährliche Messung der Abgasparameter Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und Formaldehyd.
- Die Einhaltung  der neuen o.g. Grenzwerte für Formaldehyd ist somit ohne Abgasreinigungsanlage (Katalysator / Thermoreaktor o. ä.) aus unserer Sicht  nahezu unmöglich.
- Die Unterschreitung des im EEG bzw. LAI Beschluss (Stand 17.10.2017) genannten Grenzwertes von  20 mg/m³ zur Beantragung des Luftreinhaltebonus („Formaldehydbonus) ist unserer Erfahrung nach nur durch den Einbau einer entsprechend ausgelegten Abgasreinigungsanlage (s. o.) sicher und dauerhaft realisierbar.
- Durch den Einbau eines Oxi-Kats kann die Formaldehydkonzentration deutlich gesenkt werden. (mehr als 95 % der von uns gemessenen, mit einem Katalysator ausgerüsteten Anlagen halten den EEG-Grenzwert problemlos ein). Ein Nachteil bei der Verwendung eines Oxi-Kats ist dessen begrenzte Standzeit. Diese lässt sich nur durch eine Rohgasaufbereitung (Trocknung und anschließende Entschwefelung über einen Aktivkohlefilter) verbessern. Durch die Absenkung der Grenzwerte kommt einer Kontrolle der Aktivkohle (Messung der H2S-Konzentration nach dem Filter und entspr. rechtzeitiger Wechsel des Absorbers eine gesteigerte Bedeutung bei.
Daraus folgt, dass sowohl der Katalysator als auch die Aktivkohle als Verschleißartikel zu sehen sind, und in regelmäßigen Abständen getauscht bzw. kontrolliert werden müssen.
Eine normale Standzeit für die gängigen Oxidationskatalysatoren beträgt ca. 1- 1,5 Jahre (8.000 bis ca. 13.000 Betriebsstunden); in Ausnahmefällen auch bis 2 Jahre. .
- Um eine Verlängerung der o. g. Standzeiten der Katalysatoren zu erreichen ist eine Reinigung, nach Aussage diverser Hersteller, nicht oder nur sehr begrenzt zielführend. Da durch die Reinigung nur der Belag auf der Oberfläche entfernt wird, aber keine Reaktivierung der Beschichtung erfolgt.
Ist diese verbraucht ist die Umsatz-Lleistung des Katalysators so gering, dass eine dauerhafte sichere Einhaltung der geforderten Grenzwerte nicht gewährleistet werden kann. Eine Reinigung führt daher meist nur zu einer sehr kurzfristigen Verbesserung.
- Eine Alternative zu der Rohgasaufbereitung mittels Aktivkohle stellen sog. „Schwefelresistente“ Katalysatoren dar, wie sie mittlerweile von einigen Herstellern angeboten werden. Diese können ohne eine Vorentschwefelung betrieben werden ohne die von den Oxidationskatalysatoren bekannte Säurebildung zu verursachen. Die Standzeit dieser speziellen Art ist allerdings ähnlich wie bei den normalen Katalysatoren (s.o.).
- Ein weiteres Verfahren zu Abgasreinigung stellt der sog. Thermoreaktor dar, welcher in der Lage ist, einen Zielwert von <20 mg/m³ zu erreichen.
Die Nachteile dieses Verfahrens sind einerseits der hohe Anschaffungspreis, andererseits der mit dem Betrieb verbundene hohe Wartungsaufwand und erhöhte Betriebskosten (z. B. für das Brenngas der Bettenheizung).
- Da eine „fettere“ Verbrennung ein deutliches Plus beim Wirkungsgrad des Motors bringt, wird zur dauerhaften Einhaltung der NOx-Grenzwerte auch die SCR-Technologie (Harnstoffeindüsung zur NOx-Reduktion) zukünftig an Bedeutung gewinnen. An einigen Anlagen wurde bereits testweise sog. SCR-Katalysatoren eingebaut. Momentan befindet sich diese Art der Abgasreinigung aber noch im Prototypenstadium. Der Vorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit den Motor in einem wirkungsgradoptimierten Bereich betreiben zu können, und trotzdem die geltenden NOx-Grenzwerte einhalten zu können bzw. für evtl. zukünftige Absenkungen der Grenzwerte gewappnet zu sein. Als Nachteil ist der hohe Aufwand der Erstinstallation bzw. die Nachrüstung an bestehenden Anlagen und die komplexe Mess- und Regeltechnik zu nennen. Dazu kommt der Verbrauch an Harnstofflösung, dieser kann, je nach Jahresbetriebsstunden, einen durchaus signifikanten Kostenbetrag verursachen. Allerdings sollen sich diese Kosten durch die erzielte Wirkungsgradsteigerung in absehbarer Zeit amortisieren.
- Bei einer regelmäßigen Wartung der Motoren durch Servicetechniker des Herstellers (Stichwort: Einhaltung des Wartungsintervalls) ist eine Einhaltung der Grenzwerte für Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NOx) meist kein Problem.  Diesen „Standardwartungen“ kommt durch die zunehmende Fleixibilisierung der bestehenden Anlagen eine erhöhte Bedeutung bei, da die Motoren nicht mehr im Dauerlauf mit hoher Last, sondern zum Teil mit verminderter Last (bis min. 60%) betrieben werden oder sogar längere Stillstandszeiten haben. Diese flexible Fahrweise der Anlagen stellt auch die Abgasreinigungstechnik vor Herausforderungen, da durch die häufigeren Warm- Kaltwechsel die Alterung der Katalysatoren beschleunigt wird.
- Die Emissionswerte von Schwefeldioxid sind durch regelmäßige Kontrolle des Rohgases und evtl. Zugabe von Fe(II)chlorid gut steuerbar. Zu hohe Schwefelwerte führen zu Ablagerungen im Motorraum und damit zu erhöhtem Verschleiß bzw. Festfressen des Motors.
Nach Aussage zahlreicher Betreiber lassen sich die o. g. Ablagerungen durch den Einsatz einer Rohgasreinigung (Trocknung und Aktivkohlefilterung) deutlich minimieren, ebenso wurde uns von längeren Ölstandszeiten und einem geringeren Verschleiß der Zündkerzen berichtet..
- Polychlorierte Dibenzodioxine und –furane (PCDD/F) sind bei keiner bisher durchgeführten Messung (nicht nur von chemlab) nachweisbar
- Eine gleichmäßige und regelmäßige Fütterung führt zu einer konstanten Gasqualität und damit zu einem guten Dauerlauf der Motoren.
- Es treten  hin und wieder Probleme der Entmischung des Rohgases im Gasspeicher auf. Leichtere Gase (z.B. H2) setzen sich oben ab, bzw. schwerere Gase (z. B. NH3) unten. Durch Ansaugen bzw. Verbrennen dieser Gase können dann starke Schwankungen der CO- bzw. NOx-Werte entstehen. Leider ist hier keine Einstellung möglich.
- „Wassersäcke“ in den Gasleitungen führen zu einem sehr unruhigen Motorlauf. Dadurch kommt es zu hohen bzw. stark schwankenden CO- und NOx-Werten.
- Bei Einsatz von Luft- bzw. Wasserwärmetauschern kann eine z. T. zu starke Abkühlung der Verbrennungsgase auftreten. In diesem Fall kann es zu Korrosion der abgasführenden Teile kommen. Deshalb sollte man hier auf die Dimensionierung und die eingesetzten Materialien achten.
- Wichtig ist weiterhin, dass eine regelmäßige Wartung und Kontrolle der Motoren durch einen Techniker erfolgt (Wechsel der Einspritzdüsen bzw. Zündkerzen, Ersatz des Luftfilters, Ölwechsel, Reinigung des Brennraums … usw.). Dies gewährleistet in der Regel dauerhafte Einhaltung der Grenzwerte und einen störungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb der Anlage..
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