Wie wählen Sie die richtigen Erdgasgeneratorsätze für Ihre Anwendung aus?

Erdgasgeneratorsätze haben sich als eine der kommerziell und technisch bedeutendsten Stromerzeugungslösungen für private, gewerbliche, industrielle und Versorgungsanwendungen etabliert. Diese Generatorsätze verbrennen Erdgas anstelle von Diesel oder Schweröl und liefern elektrischen Strom mit geringeren Emissionen, niedrigeren Kraftstoffkosten in den meisten Märkten und einer besseren Zuverlässigkeit der Kraftstoffversorgung durch eine Pipeline-Infrastruktur, die nicht den Lagerungs-, Transport- und Kontaminationsherausforderungen der Logistik flüssiger Kraftstoffe unterliegt. Für Betriebe, die Notstrom, Dauerstrom oder Kraft-Wärme-Kopplung erfordern, bietet ein Erdgasgeneratorsatz eine überzeugende Kombination aus Leistung und Wirtschaftlichkeit, mit der Dieselalternativen zunehmend nicht mithalten können, da sich die Kraftstoffpreise und Emissionsvorschriften ständig weiterentwickeln.

Die direkte Schlussfolgerung für jeden, der Erdgasgeneratorsätze bewertet, lautet: Für die kontinuierliche oder primäre Stromerzeugung, wenn eine Erdgasversorgung verfügbar ist, liefern Erdgasgeneratorsätze geringere Emissionen, niedrigere Kraftstoffkosten pro Kilowattstunde und niedrigere langfristige Wartungskosten als gleichwertige Dieselsätze und erzielen gleichzeitig eine vergleichbare elektrische Ausgangseffizienz im gesamten Leistungsbereich von 20 kW bis weit über 10 Megawatt pro Einheit. Bei Standby-Anwendungen sind Erdgasanlagen auf die Zuverlässigkeit der Gasversorgungsinfrastruktur angewiesen, die standortspezifisch beurteilt werden muss. Wenn die Gasversorgung zuverlässig ist, ist der Erdgasgeneratorsatz die bevorzugte Spezifikation für die meisten permanenten Standby- und Dauerstromanwendungen. Dieser Artikel behandelt die Technologie, Leistungsspezifikationen, Anwendungen und Auswahlkriterien für Erdgasgeneratorsätze in voller praktischer Tiefe.

Funktionsweise von Erdgasgeneratorsätzen

A Erdgasgeneratorsatz kombiniert einen erdgasbetriebenen Verbrennungsmotor mit einem synchronen Wechselstromgenerator (Lichtmaschine), der auf einem gemeinsamen Grundrahmen montiert ist, wobei alle notwendigen Hilfssysteme für Start, Steuerung, Kühlung und Abgasbehandlung in einem einzigen einsetzbaren Paket integriert sind. Der Motor verbrennt in seinen Brennkammern ein Gemisch aus Erdgas und Luft und wandelt die chemische Energie des Gases in mechanische Rotationsenergie um, die die Generatorwelle antreibt, die wiederum die elektrische Leistung erzeugt. Die gesamte Baugruppe, einschließlich Motor, Generator, Bedienfeld, Kühlkörper und Schalldämmgehäuse, sofern angegeben, bildet das Stromaggregatpaket.

Motortypen, die in Erdgasgeneratorsätzen verwendet werden

Erdgasgeneratorsätze werden mit zwei Hauptmotortypen hergestellt, und die Wahl zwischen diesen hat erhebliche Auswirkungen auf Effizienz, Leistungsabgabe und Anwendungseignung:

• Fremdgezündete Gasmotoren (Otto-Zyklus): Der Standardmotortyp für Erdgasgeneratorsätze. Da Erdgas ein gasförmiger Kraftstoff ist, kann es nicht wie Diesel durch Kompression gezündet werden, da es sich bei den in praktischen Gasmotoren verwendeten Kompressionsverhältnissen nicht selbst entzündet. Stattdessen wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch am optimalen Punkt im Kompressionshub von einer Zündkerze gezündet. Moderne fremdgezündete Gasmotoren nutzen die Magerverbrennungstechnologie, bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis deutlich über dem stöchiometrischen Wert liegt (typischerweise Lambda 1,6 bis 2,0 oder mehr), wodurch die Verbrennungsspitzentemperaturen gesenkt, die NOx-Emissionen gesenkt und der thermische Wirkungsgrad verbessert werden. Premium-Magergasmotoren erreichen elektrische Wirkungsgrade von 40 bis 45 Prozent bei Volllast im Leistungsbereich von 500 kW bis 10 MW, was direkt mit modernen Dieselmotoren vergleichbar und deutlich besser ist als der für ältere stöchiometrische Gasmotoren typische Wirkungsgrad von 30 bis 35 Prozent.
• Pilotgezündete Motoren (Zweistoffmotoren): Große Erdgasmotoren, insbesondere im Megawattbereich, verwenden manchmal eine kleine Menge Dieselkraftstoff (die Piloteinspritzung), um in jedem Zylinder ein überwiegend Erdgas-Luft-Gemisch zu zünden. Der Dieselpilot sorgt für einen zuverlässigen und präzisen Zündzeitpunkt bei Zylindern mit großer Bohrung, bei denen die Reichweite und Zuverlässigkeit der Zündkerze schwieriger ist als bei kleineren Motoren. Dual-Fuel-Motoren bieten die zusätzliche Flexibilität, bei einer Unterbrechung der Gasversorgung ausschließlich mit Diesel betrieben zu werden, allerdings auf Kosten einer höheren mechanischen Komplexität und der Notwendigkeit, neben der Gasversorgung auch eine Dieselkraftstoffversorgung aufrechtzuerhalten.

Die Generatorkomponente

Der synchrone Wechselstromgenerator in einem Erdgasgeneratorsatz wandelt die mechanische Drehung der Motorkurbelwelle in dreiphasigen Wechselstrom mit der für die Anwendung angegebenen Spannung und Frequenz um (typischerweise 400 V oder 11 kV bei 50 Hz in europäischen und asiatischen Märkten und 480 V oder 13,8 kV bei 60 Hz in nordamerikanischen Märkten). Bauform, Isolationsklasse und Kühlmethode des Generators sind auf die Leistungsabgabe und den Einsatzzweck des Gerätes abgestimmt. Bürstenlose, selbsterregende Generatoren mit digitalen Spannungsreglern (AVR) halten die Ausgangsspannung über den gesamten Lastbereich und bei transienten Lastereignissen innerhalb von ±1 Prozent des Sollwerts. Dies ist die Spezifikation, die für die Kompatibilität mit den empfindlichsten elektronischen Lasten, einschließlich Servern, Motoren mit Frequenzumrichtern und medizinischen Geräten, erforderlich ist.

Überlegungen zur Kraftstoffversorgung für Erdgasgeneratorsätze

Die Betriebszuverlässigkeit eines Erdgasgeneratorsatzes hängt im Wesentlichen von der Zuverlässigkeit und Qualität seiner Kraftstoffversorgung ab, und das Kraftstoffversorgungssystem muss als integraler Bestandteil der Generatorsatzinstallation korrekt konstruiert sein. Erdgas wird den Generatorsätzen über eine von drei Hauptversorgungsquellen zugeführt, die jeweils unterschiedliche Zuverlässigkeit, Druck und Installationsaspekte aufweisen:

• Erdgasversorgungsleitung: Die häufigste Versorgungsquelle für Festinstallationen in Gebieten, die von der Gasverteilungsinfrastruktur versorgt werden. Pipeline-Gas wird mit Verteilungsdruck geliefert (normalerweise 20 bis 200 mbar an der Grundstücksgrenze im Vereinigten Königreich oder 0,25 bis 2 bar in industriellen Versorgungsnetzen) und erfordert eine Druckregulierungsstation, um den Versorgungsdruck entsprechend den Anforderungen des Motorkraftstoffsystems zu reduzieren und zu stabilisieren (normalerweise 20 bis 100 mbar am Kraftstoffeinlass des Motors für fremdgezündete Magermotoren). Die Pipeline-Gasversorgung weist in entwickelten Märkten eine sehr hohe Zuverlässigkeit auf, wobei die jährliche Verfügbarkeit in städtischen und vorstädtischen Gebieten typischerweise über 99,9 Prozent liegt.
• Komprimiertes Erdgas (CNG): Für Standorte ohne Zugang zu Gas aus Versorgungsleitungen kann Erdgas in komprimierter Form in Hochdruckflaschen oder auf Anhängern montierten Flaschenbündeln mit Drücken von bis zu 250 bar geliefert werden, was eine Druckreduzierungsstrecke erfordert, um das Gas auf die Bedingungen am Kraftstoffeinlass des Motors zu bringen. Die CNG-Versorgung ist für mittelfristige entfernte Installationen praktisch und bietet eine praktikable Alternative zu Diesel an Standorten, an denen die Dieselversorgungslogistik eine Herausforderung darstellt.
• Flüssigerdgas (LNG) und Flüssiggas (LPG): LNG kann vor Ort in Kryotanks gespeichert und verdampft werden, um Generatorsätze an Orten zu versorgen, die von der Pipeline-Infrastruktur entfernt sind. LPG (Propan oder Butan) stellt einen alternativen gasförmigen Kraftstoff mit ähnlichen Verbrennungseigenschaften wie Erdgas dar und kann in entsprechend umgebauten Stromaggregaten verwendet werden, wo Erdgas nicht verfügbar ist. Sowohl LNG als auch LPG erfordern spezielle Lager-, Verdampfungs- und Druckregulierungsgeräte.

Leistungs-, Emissions- und Effizienzvergleich

Die Leistungsvorteile von Erdgasgeneratorsätzen gegenüber Dieselalternativen werden am deutlichsten deutlich, wenn man die wichtigsten Betriebskennzahlen bei gleichwertigen Nennleistungen vergleicht. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich typischer Leistungsdaten moderner Erdgas- und Dieselaggregate im Leistungsbereich von 500 kW bis 2 MW.

Hauptanwendungen für Erdgasgeneratorsätze

Erdgasgeneratorsatzs bedienen ein breites Spektrum von Stromerzeugungsanwendungen in mehreren Sektoren, und die spezifische Konfiguration, Ausgangsleistung und erforderlichen Hilfssysteme hängen von der Rolle ab, die das Stromaggregat erfüllen soll:

• Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK): KWK-Systeme, auch Kraft-Wärme-Kopplung genannt, erfassen die Abwärme des Motorkühlsystems und der Abgase des Generatorsatzes, um heißes Wasser oder Dampf für Raumheizung, Prozessheizung oder Absorptionskühlung zu erzeugen. Die gesamte Energienutzungseffizienz einer gut konzipierten KWK-Anlage mit einem Erdgasgeneratorsatz erreicht 80 bis 90 Prozent, verglichen mit 38 bis 44 Prozent bei der Stromerzeugung allein, wodurch die Energiekosten von Einrichtungen, die gleichzeitig Wärme- und Strombedarf haben, wie Krankenhäuser, Hotels, Universitäten, Lebensmittelverarbeitungsbetriebe und Fernwärmenetze, drastisch gesenkt werden.
• Kontinuierliche und erstklassige Stromerzeugung: In Regionen oder Anlagen, in denen eine Netzanbindung nicht verfügbar, unzuverlässig oder zu teuer ist, versorgen Erdgasgeneratoren Industrieanlagen, abgelegene Gemeinden, Bergbaubetriebe sowie Öl- und Gasförderstandorte, an denen Erdgas möglicherweise als Nebenprodukt der Produktion anfällt, kontinuierlich mit Strom. Erdgasgeneratorsätze von Prime Power sind für den Dauerbetrieb mit oder nahezu voller Nennleistung 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr ausgelegt und verfügen über eine robuste Konstruktion, Kühlkapazität und Wartungsintervalle, die für diesen Einsatz geeignet sind.
• Standby- und Notstrom: Gewerbegebäude, Rechenzentren, Gesundheitseinrichtungen, Wasseraufbereitungsanlagen und andere kritische Infrastrukturen nutzen Erdgasgeneratoren als primäre Notstromquelle bei Netzunterbrechungen. Erdgas-Standby-Sets bieten den Vorteil, dass keine Kraftstoffspeicherung vor Ort erforderlich ist (wodurch das Brandrisiko, die Lagerungsvorschriften und die mit Diesel-Standby verbundenen Bedenken hinsichtlich der Kraftstoffverschlechterung entfallen), und bieten gleichzeitig Startzeiten von 10 bis 30 Sekunden vom Standby-Modus bis zur Volllastaufnahme, was den automatischen Übertragungsanforderungen der meisten Notstromstandards für Anlagen entspricht.
• Deponiegas- und Biogasverstromung: Erdgasgeneratorsätze können für den Betrieb mit Biogas aus Deponien, anaeroben Fermentern zur Abwasseraufbereitung, Fermentern für landwirtschaftliche Abfälle und industriellen Biogasprozessen angepasst werden. Biogas enthält typischerweise 45 bis 65 Volumenprozent Methan, der Rest besteht aus Kohlendioxid und Spurenverunreinigungen. Für den Biogasbetrieb konfigurierte Generatorsätze verwenden Motoren mit angepassten Verdichtungsverhältnissen, Zündzeitpunkten und Kraftstoffsystemkomponenten, die für den niedrigeren Heizwert und die variable Zusammensetzung von Biogas optimiert sind, und können Gasaufbereitungsgeräte zur Entfernung von Feuchtigkeit und Schwefelwasserstoff umfassen, die Motorkomponenten in unbehandeltem Biogas beschädigen würden.

Auswahl und Spezifizierung von Erdgasgeneratorsätzen

Das Richtige auswählen Erdgasgeneratorsatz Für eine bestimmte Anwendung ist eine systematische Bewertung mehrerer miteinander verbundener technischer und kommerzieller Faktoren erforderlich, die bestimmen, ob das ausgewählte Gerät zuverlässig funktioniert, die gesetzlichen Anforderungen erfüllt und über seine Lebensdauer den erwarteten wirtschaftlichen Nutzen bringt.

1. Nennleistung und Betriebsklasse: Die Ausgangsleistung eines Generatorsatzes muss für den richtigen Betrieb angegeben werden: Standby-Leistung (SPR) für Sätze, die nur bei Netzausfällen verwendet werden; Primärleistungsbewertung (PPR) für Geräte, die als primäre Stromquelle mit unbegrenzten Betriebsstunden verwendet werden; und Dauerleistungsnennleistung (CPR) für Geräte, die eine konstante Grundlastleistung bereitstellen. Die Standby-Nennleistung eines Generatorsatzes ist typischerweise 10 bis 15 Prozent höher als seine Hauptnennleistung für die gleiche Motorkonfiguration, da der Standby-Betrieb das Gerät bei dieser Nennleistung auf maximal 500 Stunden pro Jahr beschränkt, während Haupt- und Dauerleistung auf unbestimmte Zeit aufrechterhalten werden müssen. Die Festlegung eines Satzes auf seine Bereitschaftsleistung für den Dauerbetrieb ist ein häufiger und schwerwiegender Fehler, der zu vorzeitigem Motorverschleiß und einer verkürzten Lebensdauer führt.
2. Leistungsminderung bei Aufstellungshöhe und Umgebungstemperatur: Die Leistungsabgabe eines Gasmotors nimmt mit zunehmender Höhe (reduzierte Luftdichte) und steigender Umgebungstemperatur (reduzierte Luftdichte und erhöhter Kühlbedarf) ab. Motorenhersteller veröffentlichen Höhen- und Temperatur-Derating-Kurven, die auf die Nennleistung angewendet werden müssen, um die tatsächlich am Installationsort verfügbare Leistung zu ermitteln. Bei einem Generatorsatz, der auf 1.500 Metern über dem Meeresspiegel in einem Klima mit Umgebungstemperaturen von 40 Grad Celsius installiert ist, kann die Leistungsminderung 15 bis 25 Prozent unter der auf dem Typenschild angegebenen Nennleistung liegen. Dies muss bei der anfänglichen Dimensionierungsberechnung berücksichtigt werden.
3. Anforderungen an die Einhaltung von Emissionsvorschriften: Gasmotorenanlagen unterliegen Emissionsgrenzwerten, die je nach Gerichtsbarkeit, Anlagengröße und Betriebsstundenprofil variieren. Europäische Anlagen über 1 MW unterliegen in der Regel den Emissionsgrenzwerten der Richtlinie über mittlere Verbrennungsanlagen (Medium Combustion Plant Directive, MCPD) für NOx, CO und den gesamten organischen Kohlenstoff, während für Anlagen in Reinluftzonen oder in der Nähe von Wohngebieten möglicherweise strengere örtliche Grenzwerte gelten. Bei der Auswahl des Motors muss bestätigt werden, dass die zertifizierte Emissionsleistung des Motors den geltenden gesetzlichen Anforderungen für den jeweiligen Standort und das Betriebsprofil entspricht, einschließlich aller Anforderungen für die Nachbehandlung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR), um NOx-Grenzwerte zu erreichen, die der Motor allein nicht erreichen kann.
4. Anforderungen an Schallpegel und Schalldämmung: Erdgasgeneratorsätze erzeugen erhebliche mechanische Geräusche und Verbrennungsgeräusche vom Motor, vom Kühlgebläse und vom Abgassystem. Installierte Schallpegel müssen den örtlichen Planungs- und Umweltvorschriften an der Grundstücksgrenze und am nächstgelegenen lärmempfindlichen Empfänger entsprechen. Der Lieferant des Generatorsatzes kann den Satz in einem Schallschutzdach oder in einem speziell angefertigten Schallschutzgehäuse bereitstellen, das den Lärm auf das erforderliche Maß dämpft. Die Konstruktion des Gehäuses muss sowohl den direkt vom Motor abgestrahlten Lärm als auch den durch die Fundamente und die Gebäudestruktur übertragenen Körperschall berücksichtigen.

Erdgasgeneratorsätze stellen eine der effektivsten und wirtschaftlich vertretbarsten Stromerzeugungsinvestitionen dar, die auf dem heutigen Energiemarkt verfügbar sind, insbesondere für Anwendungen, bei denen die Kombination aus niedrigeren Brennstoffkosten, geringeren Emissionen, längeren Wartungsintervallen und dem Potenzial für die Wärmerückgewinnung durch KWK voll ausgeschöpft werden kann. Eine gründliche Standortbewertung, die korrekte Betriebsklassifizierung, die Einhaltung von Emissions- und Lärmvorschriften sowie die Abstimmung mit der Erdgasversorgungsinfrastruktur des Standorts sind die Grundlagen einer erfolgreichen Stromaggregatspezifikation, die über die gesamte Lebensdauer des Stromaggregats die erwartete Leistung und Wirtschaftlichkeit liefert.