Verständnis der Brennstoffauswahl für Notstromsysteme

In den Anfängen der kommerziellen und industriellen Notstromversorgung war die Wahl des Kraftstoffs bei der Auswahl eines Notstromgeneratorsystems kein Problem, da der bevorzugte Kraftstoff durchweg Diesel war. Dies ist heute nicht der Fall. Ingenieuren und Endverbrauchern stehen mehrere Kraftstoffoptionen zur Auswahl, von denen jede einzigartige Vorteile für unterschiedliche Anwendungen bietet.

Notstromgeneratoren werden von Verbrennungsmotoren angetrieben, die wiederum mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Dieselkraftstoff wird seit Jahrzehnten in Notstromsystemen verwendet. Gasförmige Brennstoffe wie Erdgas oder flüssiges Propan erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Die einzigartige Kombination dieser Kraftstoffe bietet zusätzliche Kraftstoffoptionen. Dual-Fuel-Generatoren werden beispielsweise entweder mit Erdgas oder Flüssiggasdampf betrieben, je nachdem, welcher Kraftstoff gerade verfügbar ist. Bi-Fuel-Generatoren werden gleichzeitig mit Dieselkraftstoff und Erdgas betrieben und nutzen die Vorteile beider.

Auffallend ist, dass Benzin in dieser Liste fehlt, da es im Allgemeinen eine schlechte Kraftstoffwahl für Notstromsysteme ist. Es ist nicht nur im Vergleich zu Diesel oder gasförmigem Kraftstoff extrem flüchtig, was die Lagerung in großen Mengen problematisch macht, sondern hat im Vergleich zu Dieselkraftstoff auch eine deutlich geringere thermische Dichte. Darüber hinaus kann Benzin nicht ohne weiteres in Kombination mit einem gasförmigen Kraftstoff verwendet werden. Daher werden kommerzielle und industrielle Notstromsysteme selten – wenn überhaupt – mit Benzin betrieben.

Dieselkraftstoff

Wie bereits erwähnt, ist Dieselkraftstoff traditionell der bevorzugte Kraftstoff für kommerzielle und industrielle Notstromanwendungen (siehe Tabelle 1). Zu den Vorteilen des Dieselmotors gehört sein hoher thermischer Wirkungsgrad, der bei Anwendungen mit großer kW-Leistung (typischerweise 150 kW oder mehr) zu niedrigen Kapitalkosten pro kW führen kann. Da Dieselkraftstoff vor Ort gelagert werden muss, können dieselbetriebene Generatoren auch in abgelegenen Gebieten, die nicht über eine Erdgasinfrastruktur verfügen, Notstrom liefern. Aus dem gleichen Grund entscheiden sich Marktsegmente mit unternehmenskritischen Anwendungen, wie Krankenhäuser und 911-Callcenter, häufig für dieselbetriebene Generatoren, da der Kraftstoff vor Ort zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit beiträgt. Da Dieselkraftstoff schon so lange in Notstromanwendungen verwendet wird, herrscht auf dem Markt schließlich die Auffassung vor, dass Dieselmotoren die zuverlässigsten Antriebskräfte für Notstromsysteme sind.

Trotz seiner breiten Akzeptanz hat Dieselkraftstoff auch Nachteile. Beispielsweise verlangt die US-Umweltschutzbehörde die Verwendung von Diesel mit extrem niedrigem Schwefelgehalt (ULSD) in allen Standby-Generatoranwendungen. ULSD durchläuft zusätzliche Raffinierungsprozesse, wodurch es weniger stabil ist als herkömmlicher Dieselkraftstoff. Bei unsachgemäßer Wartung verschlechtert sich der Dieselkraftstoff mit der Zeit. Innerhalb des ersten Jahres der Lagerung kommt es zu einer Oxidation, die auftritt, wenn die Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff reagieren und ein feines Sediment und Gummi entsteht. Wenn diese Verunreinigungen in den Motor gelangen, können sie den Kraftstofffilter und die Einspritzdüsen verstopfen. Mikroorganismen können den Kraftstoff ebenfalls verunreinigen. Wasser, das als Kondenswasser in das Kraftstoffsystem gelangen kann, fördert das Wachstum von Bakterien und Pilzen. Diese Mikroorganismen ernähren sich tatsächlich vom Kraftstoff selbst. Wenn sie wachsen, können sie gallertartige Kolonien bilden, die auch Kraftstoffsysteme verstopfen können. Darüber hinaus sind ihre Abfälle saurer Natur, was zur Korrosion des Kraftstofftanks führen kann.

Dies sind erhebliche Bedenken bei Notstromanwendungen. Ein dieselbetriebener Generator mit einem Tank, der für 72 Stunden Volllastbetrieb ausgelegt ist, könnte bei einem typischen Lastniveau von 60 %, wöchentlichem Leerlauftraining und durchschnittlichen Stromausfällen problemlos etwa 20 Jahre brauchen, um eine einzige Tankfüllung zu verbrennen nur 4 Stunden pro Jahr. Diese Probleme können jedoch gemildert werden, indem ein laufender Kraftstofftest- und Wartungsplan eingeführt wird, der regelmäßig sowohl Wasser als auch Sedimente aus dem Kraftstofftank entfernt. Für Notfallanwendungen ist die Wartung des Kraftstoffs gemäß NFPA 110 vorgeschrieben: Standard für Not- und Standby-Stromversorgungssysteme. Diese Art von Wartungsprogramm erhöht die Gesamtbetriebskosten eines Aggregats, was ebenfalls berücksichtigt werden muss. Automatische Kraftstoffaufbereitungsanlagen, die aus einer Pumpe und einem Filtersystem bestehen, erhöhen die Vorlaufkosten eines Notstromsystems, senken jedoch die laufenden Kosten für die Kraftstoffwartung. Manuelle Wartungspläne sind auf lange Sicht teurer.

Für einige Anwendungen unterliegen dieselbetriebene Generatoren auch den strengeren Tier 4-Emissionsnormen für stationäre, nicht für den Straßenverkehr bestimmte Dieselmotoren, die von der EPA verabschiedet wurden. Die erste Einführung erfolgt im Jahr 2011. Die Tier 4-Regel wirkt sich jedoch auf „Notfälle“ und „Notfälle“ aus. „Nicht-Notfall“-Generatoren unterscheiden sich, da die Laufzeiten – und damit die Emissionen – bei beiden meist sehr unterschiedlich sind. Die EPA definiert einen Notstromgenerator als „einen Generator, dessen einzige Funktion darin besteht, Notstrom bereitzustellen, wenn die Stromversorgung durch das örtliche Versorgungsunternehmen unterbrochen wird.“ Für Notfallanwendungen ist lediglich die Einhaltung von EPA Tier 2/Tier 3 erforderlich. Im Vergleich dazu handelt es sich bei einem Nicht-Notstromgenerator um einen Generator, der nicht ausschließlich zur Notstromversorgung verwendet wird, wie er zum Beispiel für Lastmanagement/Spitzenausgleich verwendet wird. Bei Nicht-Notfallanwendungen gelten die Emissionsanforderungen der Stufe 4. Wenn Diesel als Kraftstoff in einem Notstromsystem in Betracht gezogen wird, müssen daher die Auswirkungen der Anwendung auf die Emissionsanforderungen des Generators berücksichtigt werden.

Im Vergleich zu gasförmigen Kraftstoffen sind die aktuellen Kosten für Dieselkraftstoff (und Benzin) relativ hoch. Die hohen Kosten pro Barrel Rohöl sowie die zusätzlichen EPA-Emissionsvorschriften für Motoren haben die Gesamtkosten sowohl für Dieselmotoren als auch für Kraftstoff erhöht. Im Mai 2012 betrugen die Kosten für Off-Highway-Dieselkraftstoff etwa 3,46 US-Dollar pro Gallone (eine Schätzung, die auf den durchschnittlichen Kosten pro Gallone On-Highway-Dieselkraftstoff gemäß den Angaben der US Energy Information Administration für Mai 2012 abzüglich einer Kostenschätzung basiert). der staatlichen und bundesstaatlichen Verbrauchsteuern, die nur für Straßendiesel gelten). Im Vergleich dazu lagen die kommerziellen Erdgaspreise im Mai 2012 bei 8,09 US-Dollar pro Tausend Kubikfuß (nach Angaben der US Energy Information Administration). Ein 150-kW-Dieselgenerator, der 24 Stunden lang mit Dieselkraftstoff bei Volllast läuft, würde wahrscheinlich 260 Gallonen oder etwa 900 US-Dollar Dieselkraftstoff verbrauchen. Ein ähnliches erdgasbetriebenes Gerät, das über die gleiche Zeitspanne unter Volllast läuft, würde wahrscheinlich etwa 48.000 Kubikfuß oder etwa 388 US-Dollar Erdgas verbrauchen. Wenn Sie also Dieselkraftstoff für ein Notstromsystem in Betracht ziehen, berücksichtigen Sie die durchschnittliche Dauer von Stromausfällen, die sich auf die Anwendung auswirken, um die Kraftstoffkosten vorherzusagen und festzustellen, ob sie akzeptabel sind.

Erdgas

In der Vergangenheit wurden gasförmige Brennstoffe in industriellen Notstromanwendungen aufgrund von Kosteneffizienz, Leistungsdichte und der Vorstellung von Haltbarkeit und Brennstoffzuverlässigkeit vermieden. Die jüngsten technologischen Innovationen haben dies jedoch geändert. Zu diesen Innovationen gehören gehärtete Ventile und Sitze sowie optimierte Luft-Kraftstoff-Gemische. Die Optimierung der Motordrehzahl war eine deutliche Verbesserung. In der Vergangenheit waren Generatoren für den direkten Anschluss an einen vierpoligen Generator konfiguriert, der die Motordrehzahl auf 1.800 U/min begrenzte. Durch die Implementierung eines Getriebe-an-Gang-Antriebsstrangs oder gegebenenfalls zweipoliger Lichtmaschinen konnten Generatorhersteller die Leistung und Leistung von Ottomotoren optimieren. Dadurch wurde das Übergangsverhalten verbessert, die Belastung der Motorlager verringert und die Leistungsdichte erhöht. Kurz gesagt bedeutet dies leistungsstärkere Motoren und geringere Kapitalkosten.

Insbesondere im Hinblick auf Erdgas als Brennstoff für Notstromsysteme liegt ein wesentlicher Vorteil in der langen Laufzeit (siehe Tabelle 2). Da Erdgas von einem Energieversorger geliefert und nicht in begrenzter Menge vor Ort gespeichert wird, ist das Nachtanken kein Problem – unabhängig von der Dauer des Stromausfalls. Gerade dieser Vorteil ist auch bei Notstromlösungen für Privathaushalte ein entscheidendes Verkaufsargument.

Erdgas ist zudem umweltfreundlicher als Dieselkraftstoff. Erdgasbetriebene Motoren stoßen nicht nur weniger NOX und Partikel aus als vergleichbare Dieselmotoren, sie vermeiden auch die Probleme bei der Kraftstoffeindämmung und Umweltbedenken, die mit der Lagerung großer Mengen Dieselkraftstoff verbunden sind. Da es sich außerdem um ein Gas handelt, ist ein Verschütten kein Problem. Aus diesen Gründen sind die örtlichen Vorschriften zur Kraftstoffeindämmung wesentlich weniger streng als die für Dieselmotoren, wodurch die Einhaltung weitaus kostengünstiger ist.

Funkengezündete Motoren im Automobilstil sind außerdem leichter in großen Stückzahlen erhältlich, was sie zu kostengünstigeren Komponenten für Generatorhersteller macht. Außerdem sind sie in der Regel kostengünstiger in der Beschaffung als Dieselmotoren ähnlicher Größe. Dies bedeutet, dass gasbetriebene Notstromsysteme bei einmotorigen Notstromanwendungen mit 150 kW und weniger tendenziell weniger pro kW kosten. Für Anwendungen mit größeren kW können gasbetriebene Generatoren so konfiguriert werden, dass sie ihre Leistung in einem integrierten Ansatz zur Generatorparallelschaltung kombinieren (siehe Abbildung 1). Ihre allgemeine Kosteneffizienz in Kombination mit den Zuverlässigkeits- und Skalierbarkeitsvorteilen der integrierten Parallelschaltung (im Vergleich zu einem sehr großen dieselbetriebenen Generator) kann sie selbst in großen Anwendungen zu attraktiven Alternativen machen. Bei Anwendungen, bei denen der Generator innerhalb von 10 Sekunden die Notlast übernehmen muss, kann das System so konfiguriert werden, dass der erste online geschaltete Generator groß genug für diese Last ist. Dieser erste Generator kann die 10-Sekunden-Anforderung erfüllen, während die übrigen Generatoren die anderen Lastkategorien übernehmen können.

Die langen Laufzeiten von Erdgas haben leider einen vermeintlichen Nachteil: Es wird von einem Energieversorger geliefert und seine Verfügbarkeit liegt daher außerhalb der Kontrolle der Anlage. Die Lagerung von Kraftstoffen vor Ort wird von vielen zuständigen Behörden (AHJ) bevorzugt, da ihre Verfügbarkeit außer Frage steht. Dies ist im Allgemeinen in NFPA 70: National Electrical Code, Artikel 700: Emergency Systems für Notfallsystemlasten in vielen Gemeinden erforderlich. Obwohl Erdgas größtenteils über unterirdische Pipelines geliefert wird, die im Allgemeinen von Unwettern, die zu Stromausfällen führen, nicht betroffen sind, ist die Erdgasinfrastruktur nicht 100 % zuverlässig. Ingenieure sollten mit dem örtlichen Gasversorger und AHJ zusammenarbeiten, um die Zuverlässigkeit der Erdgasinfrastruktur im Vergleich zu Dieselkraftstoff vor Ort zu verstehen. Arbeiten Sie außerdem mit dem Anlageneigentümer zusammen, um sicherzustellen, dass die Anlage keiner Einschränkungsrichtlinie unterliegt, die nach Ermessen des örtlichen Energieversorgers die Erdgasversorgung unterbrechen würde. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Zuverlässigkeit von Erdgas in vielen Anwendungen günstig ist, wenn Bedenken hinsichtlich der Betankung und des Kraftstoffverderbs vollständig verstanden werden.

Flüssiggas

Mit Flüssiggas betriebene Notstromsysteme können entweder als Flüssiggas oder als Flüssiggas betrieben werden. LP-Dampf kommt in Notstromsystemen möglicherweise am häufigsten vor (siehe Tabelle 3). Alle zuvor beschriebenen allgemeinen Vorteile gasförmiger Kraftstoffe gelten auch für Flüssiggas – einschließlich niedrigerer Kosten pro kW bei einmotorigen Notstromanwendungen mit 150 kW und weniger. Als fremdgezündeter Kraftstoff läuft Flüssiggas in Automobilmotoren, die für seinen Einsatz angepasst sind.

Abgesehen von den allgemeinen Vorteilen von Flüssiggas als gasförmigem Kraftstoff muss Flüssiggas ebenso wie Dieselkraftstoff vor Ort gelagert werden. Somit könnte Flüssiggaskraftstoff eine akzeptable gasförmige Kraftstoffalternative zu Diesel für Anwendungen darstellen, die Kraftstoff vor Ort erfordern. Auch beratende Ingenieure sollten dies mit ihrem Kunden besprechen, bevor sie sich für eine Dieselkraftstofflösung entscheiden. LP erfüllt die gleichen Anforderungen vor Ort, hat jedoch den Vorteil, dass keine Bedenken hinsichtlich des Kraftstoffverderbs bestehen.

Die Nachteile von Flüssiggas liegen in Wirklichkeit in größeren Herausforderungen beim Systemdesign. Unabhängig davon, ob das System in Flüssiggas- oder Flüssiggas-Konfigurationen läuft, wird Flüssiggas-Kraftstoff unter Druck als Flüssigkeit gespeichert. Bei Flüssiggas-Dampfkraftstoffkonstruktionen muss dieser flüssige Kraftstoff als Dampf in die Brennkammer des Motors eingeleitet werden. Da es einen Siedepunkt von -44 °F hat, erfolgt die Verdampfung auf natürliche Weise im Kraftstofftank bei Umgebungstemperatur. Die Beherrschung dieser Boil-off-Rate (die Geschwindigkeit, mit der flüssiger LP-Kraftstoff zu Dampf verdampft) ist jedoch eine Designüberlegung. Bei der Implementierung von Flüssiggas-Notstromsystemen müssen die Umgebungstemperatur, die Größe des Flüssiggastanks und der Kraftstoffverbrauch des Generators berücksichtigt werden.

Im Vergleich dazu sind Notstromsysteme, die mit Flüssiggas betrieben werden, nicht auf die natürliche Verdampfung von Flüssiggas im Kraftstofftank angewiesen, um dem Generator ausreichende Mengen Kraftstoff zuzuführen. Stattdessen erfordern diese Systeme einen Verdampfer, der die unter Druck stehende Flüssigkeit in ausreichender Menge in Dampf umwandelt, bevor sie zur Verbrennung in den Motor des Generators eingeleitet wird. Bei Verdampfern können die Tanks nach der Laufzeit und nicht nach der Abkochgeschwindigkeit dimensioniert werden. Typischerweise ist der Verdampfer in einen Outdoor-Generator integriert. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn sich der Generator innerhalb eines Gebäudes befindet. Da die meisten Bauvorschriften es nicht zulassen, dass flüssiger LP-Brennstoff innerhalb eines Gebäudes gelagert wird (weder gelagert noch über Leitungen), muss der Verdampfer außerhalb der Anlage installiert werden. Der Verdampfer benötigt irgendeine Form intern erzeugter oder extern zugeführter Wärme.

Dual- und Bi-Fuel-Systeme

Eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeitsprobleme zu entschärfen, die immer wieder auftauchen, wenn es um die Diskussion von vor Ort oder vom Versorgungsunternehmen bereitgestelltem Kraftstoff geht, besteht darin, ein System zu spezifizieren, das beide Kraftstoffe nutzt – entweder einzeln oder gleichzeitig. Dual-Fuel- und Bi-Fuel-Systeme erfüllen diese Kriterien (siehe Tabelle 4).

Wie bereits erwähnt, kann ein Dual-Fuel-System entweder mit Flüssiggas oder Erdgas betrieben werden, je nachdem, was gerade verfügbar ist. Das System wird normalerweise mit Erdgas gestartet und betrieben. Wenn die Kraftstoffversorgung unterbrochen wird, schaltet es auf die Flüssiggasquelle vor Ort um. Diese Konfiguration ist für Generatoren bis 150 kW sehr beliebt.

Für größere Anwendungen ist ein Bi-Fuel-System – ein System, das sowohl Dieselkraftstoff als auch Erdgas gleichzeitig in einem einzigen Motor verbrennt – eine attraktive Option (siehe Abbildung 2). Bi-Fuel-Generatoren starten mit 100 % Dieselkraftstoff, der sich bei 500 bis 750 F entzündet und als Zündbrennstoff dient. Nachdem bestimmte Kriterien erfüllt sind, beispielsweise die Akzeptanz der elektrischen Last, fügt die Steuerung des Generators dem Kraftstoffgemisch Erdgas hinzu. Durch die Verbrennung des Dieselkraftstoffs wird das Erdgas gezündet, das eine viel höhere Zündtemperatur von 1.150 bis 1.200 °F aufweist. Wenn die Generatorsteuerung Erdgas hinzufügt, reduziert die normale Drehzahlregelungsfunktion des Motors die Menge an Dieselkraftstoff, die in den Motor gelangt. Der Prozess wird fortgesetzt, bis eine optimale Kraftstoffmischung erreicht ist, typischerweise 75 % Erdgas und 25 % Dieselkraftstoff. Steigt die Last, wird der Übergang zunächst mit Diesel bewältigt, anschließend wird dem System wieder Erdgas zugeführt, um sich an das neue höhere Lastniveau anzupassen.

Bi-Fuel-Generatoren nutzen die Zuverlässigkeitsvorteile von Diesel- und Erdgaskraftstoff und minimieren gleichzeitig deren jeweilige Nachteile. Die anfänglichen Kosten für Bi-Fuel-Generatoren liegen typischerweise 15 bis 30 % über denen von Dieselgeneratoren. Da jedoch Erdgas – und nicht Diesel – der vorherrschende Kraftstoff in einem Bi-Fuel-Generator ist, verlängern sich die Laufzeiten, während gleichzeitig der Bedarf an Kraftstoffspeicherung vor Ort (und die damit verbundenen Wartungskosten) sinkt. Da der Kraftstoff vor Ort Teil des Systems bleibt, wird außerdem die Zuverlässigkeit verbessert. Sollte die Erdgasversorgung ausfallen – weil sie beim Energieversorger abgeschaltet oder anderweitig unterbrochen wurde – kann der Generator mit 100 % Diesel betrieben werden.

Abschluss

Die Zeiten, in denen alle Notstromsysteme ausschließlich mit Dieselkraftstoff betrieben wurden, sind vorbei. Während Diesel nach wie vor ein beliebter Kraftstoff ist, haben Ingenieure und Endverbraucher mehrere zusätzliche Kraftstoffoptionen zur Auswahl: Erdgas, Flüssiggas (flüssig und dampfförmig), Dual-Fuel (entweder Erdgas oder Flüssiggas-Dampf) und Bi-Fuel (natürlich). Gas- und Dieselbetrieb gleichzeitig). Jedes bietet einzigartige Vorteile. Beratende Ingenieure sollten sich die Zeit nehmen, zu lernen, wie jede dieser Kraftstoffquellen eingesetzt werden kann, damit sie ihren Kunden die besten Empfehlungen geben können. Wie immer sollten Sie unbedingt Ihren örtlichen AHJ konsultieren, um sich über die Richtlinien zur Verwendung eines bestimmten Kraftstoffs in einer bestimmten Anwendung zu informieren. Wenn Sie Ihre Optionen kennen, werden diese Gespräche fruchtbarer.

Kirchner ist technischer Supportmanager für Generac Power Systems, Waukesha, Wisconsin, wo er alle Industrieprodukte unterstützt und schult. Er erhielt einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und einen MBA von der University of Wisconsin. Er ist seit 1999 bei Generac Power Systems.

Literaturverzeichnis

Seitz, John S., Berechnung des Emissionspotenzials (PTE) für Notstromaggregate. Memorandum, US-Umweltschutzbehörde, 1995.

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