Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Problemstellung besteht darin, dass bereits heute in Deutschland ca. 600 Hofbiogasanlagen mehrheitlich ohne Prozessanalysentechnik betrieben werden. Die Gr\u00fcnde liegen einerseits in der Komplexit\u00e4t\/Handhabung der Prozessanalyse und anderseits in den Kosten der heute auf dem Markt verf\u00fcgbaren Ger\u00e4te, die einen wirtschaftlichen Einsatz ausschlie\u00dfen. Die mit einer fehlenden Prozessanalysentechnik verbundenen Nachteile bestehen aus: <\/p>\n
–\teinem erh\u00f6hten Sicherheitsrisiko (Explosionsgefahr) f\u00fcr den Betreiber,
\n–\teiner reduzierten Energieausbeute,
\n–\teiner Belastung der Umwelt mit H2S,
\n–\teiner Geruchsbel\u00e4stigung (Die Geruchsschwelle von H2S liegt im ppb-Bereich) und damit verbundenen Akzeptanzproblemen in der Bev\u00f6lkerung
\n–\tsowie aus einer h\u00f6heren Belastung der Umwelt durch Emission von Schwefeldioxid als Verbrennungsprodukt des H2S.<\/p>\n
Die reduzierte Energieausbeute beruht einerseits auf einem Kapazit\u00e4tsgrad von ca. 70-80% durch Schaffung eines Sicherheitspuffers und andererseits auf m\u00f6glichen Fermenterausf\u00e4llen, die durch das Absterben der zur Methanerzeugung notwendigen Bakterien durch Vergiftung basieren.
\nEin weiteres Problem besteht in der Vermeidung hoher Schwefelwasserstoffkonzentrationen und somit starker Korrosionsbelastungen der Motoren von mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW).
\nMit dem im Projektantrag dargestellten Messsystem soll eine effiziente Regelung von Biogasanlagen realisiert werden, die zu einer deutlichen Reduzierung von Schadstoffen (Schwefelwasserstoff) f\u00fchrt. Durch diese Ma\u00dfnahme wird die Akzeptanz und Einsetzbarkeit von Biogas wesentlich verbessert, so dass in der Zukunft der Anteil von Biogas gesteigert werden kann. Dies f\u00fchrt dann zu einer weiteren Entlastung der Umwelt, da Methangas einen gr\u00f6\u00dferen Beitrag zum Treibhauseffekt liefert als Kohlendioxid. Unkon-trollierte Methangaskonzentrationen (Faulgas, G\u00fclle,…) gelangen n\u00e4mlich direkt in die Atmosph\u00e4re und f\u00fchren dort zu einem versch\u00e4rften Treibhauseffekt. Die kontrollierte Biogaserzeugung f\u00fchrt hingegen nach der Verbrennung lediglich zu einer CO2-Emission. Im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen (z. B. Steinkohle) ist dieser CO2-Anteil allerdings neutral zu bewerten
\nIm Rahmen des Projektes wird ein modulares Prozessanalysenger\u00e4t f\u00fcr Biogasanwendungen entwickelt, mit dem die Schwefelwasserstoffkonzentrationen im Bereich von 0..1000 ppm und 0..100 ppm mit einer Aufl\u00f6sung von 1 ppm sicher erfasst werden k\u00f6nnen. Um eine schnelle Regelung der Luftzufuhr zu garantieren, muss das zeitliche Ansprechverhalten < 10 Sekunden sein. Da die Ger\u00e4te f\u00fcr eine kontinuierliche Anwendung ausgelegt werden, ist eine Lebensdauer der wichtigsten Systemkomponenten von > 10 Jahren erforderlich. Weiterhin sollen in dem Messsystem die Standardkomponenten wie Sauerstoff, Methan und Kohlendioxid mit erfasst werden, um eine komplette Biogasanalyse zu realisieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie technische Neuheit besteht aus der Entwicklung einer wirtschaftlich, einsetzbaren optischen Schwefelwasserstoff-Sensorin auf Basis der UV-Fluoreszenz bzw. der UV-Absorption. Durch den simultanen Einsatz beider Technologien lassen sich gro\u00dfe Dynamikbereiche (0…100 ppm, 100….1000 ppm) hinsichtlich der unterschiedlichen Gaskonzentrationen erreichen. In Kombination mit den bereits entwickel-ten miniaturisierten Infrarot-Gassensoren (CO2 und CH4) wird \u00fcber eine gemeinsame Auswerteelektronik die Basis f\u00fcr ein modulares Prozessanalyseger\u00e4t geschaffen, welches auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der Biogasmessung erf\u00fcllt.
\nSchwefelwasserstoff (H2S) weist eine extrem starke Absorptionbande im UV-Bereich < 240 nm auf, die f\u00fcr messtechnische Zwecke sehr gut geeignet ist. Die Absorptionsbanden im Infrarot-Bereich haben den Nachteil, dass die Empfindlichkeit sehr gering ist und sich die Querempfindlichkeiten zu Wasserdampf nicht reduzieren lassen. Diese Nachteile werden durch eine Messung im UV-Bereich ausger\u00e4umt.\nBei einer fotometrischen Absorptionsmessung ist der Dynamikbereich im Regelfall auf 1:10 beschr\u00e4nkt, da bei einer konstruktiv vorgegebenen K\u00fcvettenl\u00e4nge (z. B. 10 cm) nach dem Lambert-Beerschen Gesetz die Intensit\u00e4ts\u00e4nderung I(c) bei kleinen Gaskonzentrationen c immer geringer wird, so dass ein sicherer Nachweis aufgrund des schlechter werdenden Signal\/Rausch-Verh\u00e4ltnisses nicht m\u00f6glich ist. Im vorliegenden Fall m\u00fcssten daher zwei unabh\u00e4ngige Fotometer mit unterschiedlichen K\u00fcvettenl\u00e4ngen (z. B. 10 cm und 100 cm) aufgebaut werden, was aus Kostengr\u00fcnden aber nicht w\u00fcnschenswert ist.\n\n\nErgebnisse und Diskussion\n\nIn der ersten Projektphase wurden die allgemeinen Messeigenschaften des fotometrischen Verfahrens der Schwefelwasserstofferfassung im Spektralbereich um 226,5 nm untersucht. Dabei zeigten sich ausreichende Absorptionsquerschnitte, mit denen bereits bei K\u00fcvettenl\u00e4ngen von 10 cm Messbereiche von 300 ppm m\u00f6glich sind. Limitierender Faktor f\u00fcr kleinere Messbereiche ist im Augenblick das Rauschverhalten der eingesetzten Fotodioden. Durch leistungsf\u00e4higere Fotodioden (geringerer Shuntwiderstand) wird ein deutlich reduzierter Rauschpegel erwartet. Entsprechende Versuche sind daher im weiteren Projektverlauf geplant.\nEin weiterer Ansatzpunkt war die Verbesserung der eingesetzten Strahlungsquelle. Durch eine Erh\u00f6hung der Intensit\u00e4tsstabilit\u00e4t und der Absolutintensit\u00e4t konnte der zu erwartende Messbereich nochmals redu-ziert werden. Diese Ergebnisse waren sehr viel versprechend und best\u00e4tigen den eingeschlagenen Weg. \n\nDer komplette Biogassensoraufbau wurde mit integrierter Kohlendioxid- und Methan-Messung realisiert und hinsichtlich seiner gasanalytischen Messeigenschaften (Querempfindlichkeiten, Linearit\u00e4t, Drifttest, Temperaturfehler) untersucht. Die erzielten Ergebnisse waren sehr zuversichtlich und erf\u00fcllen alle Anfor-derungen f\u00fcr den Einsatz in einer Biogasanlage. Es wurde daher ein weiterer Prototype aufgebaut, mit dem dann ein Praxistest in einer Biogasanlage begonnen wurde. Es zeigte sich in dieser Praxistestpha-se, dass s\u00e4mtliche Anforderungen mit einer Ausnahme erf\u00fcllt werden konnten. Lediglich die Langzeitdrift war in dieser Testphase nicht zufrieden stellend. Durch erg\u00e4nzende Laboruntersuchungen kamen wir zu dem Ergebnis das diese Drift durch unvermeidliche Ver\u00e4nderungen der Strahlungsquelle hervorgerufen wurde. Um auch diesen Nachteil auszugleichen wurde ein Zusatzmodul entwickelt mit dem periodisch Nullgas auf das Messsystem gegeben wird. Nach einer vorgegebenen Zeit erfolgt dann eine automati-sche Nullpunktkalibration. \n\nDas vorgestellte Multigasmessger\u00e4t zur simultanen Erfassung von Kohlendioxid, Methan und Schwefelwasserstoff konnte hinsichtlich seiner Eignung f\u00fcr Anwendungen in Biogasanlagen eingehend untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Messgenauigkeit vollkommen ausreichend f\u00fcr diese Art der Gasmesstechnik ist. Problematisch war hingegen die Langzeitdrift des Schwefelwasserstoffsensors auf Basis der UV-Absorption. Durch den Einsatz einer Auto-Zero-Funktion, die periodisch Nullgas auf den Sensor gibt, l\u00e4sst sich die Nullpunktdrift vollst\u00e4ndig kompensieren. Der zus\u00e4tzliche Aufwand (Steuerelektronik, Magnetventil und Nullgaspumpe) ist allerdings nicht zu vernachl\u00e4ssigen. \nWeitere Entwicklungsschritte sollen daher in naher Zukunft eine verbesserte Version des Schwefelwasserstoffsensors liefern. Ansatzpunkte sind hier eine modifizierte spektrale Selektivierung auf Schwefelwasserstoff und f\u00fcr die erforderliche Referenzmessung.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nEin erster Prototyp wurde auf der SENSOR 2003 in N\u00fcrnberg ausgestellt.\n\nDas Multigasmessger\u00e4t wurde auf der SENSOR 2005 in N\u00fcrnberg erstmalig der \u00d6ffentlichkeit vorgestellt. \n\nAuf der BIOTECHNICA 2005 in Hannover pr\u00e4sentierte Die Firma Sensors Europe gemeinsam mit der FH-Dortmund auf dem NRW Gemeinschaftsstand den Biogassensor.\n\nWeiterhin ist eine Ver\u00f6ffentlichung in einer Fachzeitschrift in Vorbereitung.\n\n\nFazit\n\nDas Projekt konnte antragsgem\u00e4\u00df im Rahmen der vorgegebenen Projektlaufzeit erfolgreich abgeschlossen werden\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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