Erfahrungsbericht für das Demonstrationsvorhaben "Steam-Trac-Modul für BHKW in der Kläranlage Heidenheim-Mergelstetten" 28.06.2013

28.06.2013

                  Erfahrungsbericht für das Demonstrationsvorhaben

           „Steam-Trac-Modul für BHKW in der Kläranlage Heidenheim-
                                Mergelstetten“

Az.: 702.1 BHKW                                                       Seite 1 von 8

28.06.2013

Inhalt

1     EINLEITUNG                                                             3

2     AUFBAU UND INTEGRATION DES STEAMTRAC IN DAS BLOCKHEIZKRAFTWERK         4

3     INBETRIEBNAHME                                                         5

4     PROBLEME IM LAUFENDEN BETRIEB                                          6

4.1      Expansionsmaschine                                                   6

4.2      Dampferzeuger                                                        6

4.3      Zuschaltung des SteamTrac im Teillastbereich                         6

5     AKTUELLER STAND                                                        7

6     FAZIT UND AUSBLICK                                                     8

Az.: 702.1 BHKW                                                        Seite 2 von 8

28.06.2013

Einleitung
Im Jahr 2010/11 entschloss sich die Stadt Heidenheim zur Modernisierung Ihrer in die Jahre gekomme-
nen BHKW´s in der Kläranlage Heidenheim-Mergelstetten. Hauptgrund der Remotorisierung war die
nicht zufriedenstellende Verfügbarkeit der installierten BHKW´s sowie Probleme mit der Ersatzteilver-
sorgung. Ein weiteres Ziel bestand darin, die Eigenstromversorgung der Anlage weiter zu erhöhen
(Kraft-Wärme-Kopplung), um einen Schritt näher zur energieautarken Kläranlage zu kommen.

In diesem Zeitraum fällt auch die Erstveröffentlichung eines Presseartikels über die Entwicklung eines
Abwärmenutzungssystems (SteamTrac) der Voith Turbo GmbH & Co. KG, der von der Stadtverwaltung
aufgegriffen wurde. Schon bald folgten erste Gespräche der Verantwortlichen über eine Prototypanlage
dieser innovativen Technologie auf der Kläranlage Heidenheim-Mergelstetten. Die Projektpartner wur-
den sich schnell einig, dass diese neuentwickelte Technologie in Form einer Erprobungsanlage mit in
der Gesamtanlage verbaut werden soll. Es folgte die vorgeschriebene Ausschreibung, bei der die Firma
Senergie das attraktivste und wirtschaftlich sinnvollste Gesamtkonzept anbieten konnte, welches auf
einem neuentwickelten Gasmotors mit hohem Wirkungsgrad in Verbindung mit der SteamTrac-
Technologie beruhte.

Für diese neuartige Technologie wurde beim Land Baden-Württemberg ein Antrag für Fördermittel ein-
gereicht und nach abschließender Prüfung auch als förderfähig eingestuft.

Az.: 702.1 BHKW                                                                              Seite 3 von 8

28.06.2013

Aufbau und Integration des SteamTrac in das Blockheizkraftwerk
Nach der Auftragsvergabe erfolgte eine intensive Konstruktions- und Planungsphase der Firmen Sener-
gie und Voith unter Einbeziehung der SAG, bei denen alle elektrischen und mechanischen Schnittstellen
in Rekordzeit abgestimmt wurden. Parallel hierzu wurden auch die entsprechenden Berechnungen und
Simulationen durchgeführt. Ziel war eine möglichst kompakte Gesamtanlage zu konstruieren, die den
modernen Anforderungen an Servicefreundlichkeit, Schallschutz und Langlebigkeit entsprechen.

Nach erfolgter Bestellung und Lieferung der Einzelkomponenten wurde die Anlage bei der Firma Sener-
gie durch Ingenieure und Monteure beider Firmen aufgebaut. Aufgrund der guten Vorarbeit lief der
Aufbau des BHKW´s problemlos ab.

Ein erster Funktionstest der Gesamtanlage erfolgte auf den Prüfständen der Firma Senergie.

Abbildung 1: Aufbau des BHKW

Az.: 702.1 BHKW                                                                              Seite 4 von 8

28.06.2013

Inbetriebnahme
Nach erfolgter Installation des BHKW´s im Maschinenhaus der Kläranlage Mergelstetten stand die In-
betriebnahme der Anlage an. Die Inbetriebnahme der Gesamtanlage wurde in zwei Schritten geplant.
Als erstes wurde der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen und entsprechend abgestimmt, erst im
zweiten Schritt erfolgte die Installation des Antriebstranges sowie die Inbetriebnahme des SteamTrac-
Systems.

Nach dem auffüllen der Betriebsflüssigkeiten (Wasser/Expanderöl) und den erstem Systemcheck wurde
die Anlage Schrittweise in Betrieb genommen. Nach zuschalten des Dampfmotors wurden die Regelpa-
rameter ermittelt. Nach der Implementierung der Parameter in der Software wurde diese auf das Steu-
ergerät aufgespielt. Es folgte der Testlauf mit der vollautomatisierten Steuerung. Weitere Sicherheits-
überprüfungen und Notabschaltungen wurden in den nächsten Tagen durchgeführt und getestet, so
dass die Inbetriebnahme nach ca.3 Tagen erfolgreich beendet werden konnte.

                                                                                                         A
bbildung 2: Übersichtsbild des Dampfkreislaufes im Betrieb am Display des SteamTrac

Az.: 702.1 BHKW                                                                                Seite 5 von 8

28.06.2013

Probleme im laufenden Betrieb
Im Dauerbetrieb kristallisierten sich einige, weiter unten detaillierter beschriebene Probleme heraus.
Auch durch die Verwendung einer neuen Gasmotorengeneration der Firma Liebherr entstanden Still-
standszeiten des SteamTrac, da auch hier Motorprobleme auftraten, die nicht auf den SteamTrac zu-
rückzuführen waren.

     Expansionsmaschine

Im laufenden Betrieb stellte sich am Expander ein erhöhter Ölaustrag ein. Dieser konnte auf eine deut-
liche BlowBy-Zunahme zurückgeführt werden. Nach Austausch und Demontage des Expanders mit an-
schließender Befundung konnte die Ursache im Kolbentrieb ausgemacht werden. Dieser Problematik
wurde in mehreren Schritten begegnet, u.a. wurden die mechanischen Eigenschaften der Komponenten
verbessert, sowie unterschiedliche Geometrien bzw. Laufspiele erprobt.
Alle anderen verbauten Komponenten im Expander hielten den Belastungen bisher klaglos Stand.

     Dampferzeuger

Nach einem langsam beginnenden Wasserverlust, der über die Laufzeit immer stärker wurde, musste
der Dampfkreislauf auf Undichtigkeiten untersucht werden. Da an den Verschraubungen und Rohren
keinerlei Auffälligkeiten gefunden wurde, stellte sich der Direktdampferzeuger als undicht heraus. Die-
ser wurde gegen einen neuwertigen Wärmetauscher ausgetauscht und im Anschluss durch unseren
Lieferanten demontiert und befundet. Die Befundung ergab einen Schaden bzw. eine Undichtigkeit an
den Verdampfungsrohren. Durch weiterführende Untersuchungen, konnte die Ursache lokalisiert wer-
den – die Abgaspulsationen des Verbrennungsmotors wurden auf die Rohre übertragen, wobei diese
den dadurch auftretenden mechanischen Belastungen nicht Stand hielten.

     Zuschaltung des SteamTrac im Teillastbereich

Aufgrund der ungleichmäßig anfallenden Gasmengen mit den daraus unterschiedlich resultierenden
Motorleistungen musste der Anfahrvorgang des SteamTrac auch für Teillastbereiche angepasst werden.
Dies wurde über eine Kennfeldbasierte Softwarelösung dargestellt, bei der die Speisepumpendrehzahl in
Abhängigkeit zur Motorleistung angepasst wurde. Der SteamTrac kann nun auch im Teillastbereich
zugeschaltet werden.

Az.: 702.1 BHKW                                                                                 Seite 6 von 8

28.06.2013

Aktueller Stand
Zur Zeit ist der SteamTrac nicht in Betrieb, dies liegt am Einbau eines Drei-Wege-Katalysators für den
Verbrennungsmotor zur Einhaltung der gültigen Abgasemissionsvorschriften. Seit dieser Katalysator
verbaut wurde, treten gehäuft Fehlermeldungen am Gasmotor auf, die einen dauerhaften Betrieb des
SteamTrac verhindern. Die Firma Senergie ist über die Problematik informiert und wird für entspre-
chende Abhilfe sorgen.

Ansonsten befindet sich der SteamTrac in einem lauffähigen Zustand. Geplant ist der Einbau eines Ex-
panders der neuesten Generation in den nächsten Tagen.

Zur besseren Kontrolle wurde an der Anlage auch eine Fernwartung verbaut, die ein dauerhaftes Moni-
toring ermöglicht.

Az.: 702.1 BHKW                                                                                Seite 7 von 8

28.06.2013

Fazit und Ausblick
Durch Forschung und Entwicklung, sowie der Förderung neuer Technologien in Baden-Württemberg, ist
es gelungen, ein weltweit einmaliges Leuchtturmprojekt in Heidenheim zu installieren, das aus der
Entwicklungsabteilung heraus, in einer Pilotanlage installiert und getestet werden konnte. Dadurch
wurden die ersten Schritte für diese Technologie, hin zu einer Serienanwendung ermöglicht. Das große
Interesse an der Abwärmenutzung, lässt erwarten, dass weitere Anlagen dieser Art folgen werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme des SteamTrac in
Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor eine deutliche Wirkungsgradverbesserung der Gesamtan-
lage erzielt wurde. Es wurde ebenfalls nachgewiesen, dass diese innovative Technologie im kommuna-
len Bereich eingesetzt werden kann und dadurch eine Kosteneinsparung möglich ist.

Im nächsten Schritt erfolgt die Validierung des SteamTrac, mit dem Fokus, die Verfügbarkeit der Ge-
samtanlage abzusichern. Die eingangs beschriebenen Probleme wurden erkannt und bearbeitet bzw.
befinden sich in der Umsetzung.

Az.: 702.1 BHKW                                                                               Seite 8 von 8