Projekt 15087/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung: Entwicklung eines Multigasmessgerätes zur Prozessoptimierung und Steuerung von Biogasanlagen

Projektträger

Sensors Europe GmbH
Feldheider Str. 60
40699 Erkrath

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Problemstellung besteht darin, dass bereits heute in Deutschland ca. 600 Hofbiogasanlagen mehrheitlich ohne Prozessanalysentechnik betrieben werden. Die Gründe liegen einerseits in der Komplexität/Handhabung der Prozessanalyse und anderseits in den Kosten der heute auf dem Markt verfügbaren Geräte, die einen wirtschaftlichen Einsatz ausschließen. Die mit einer fehlenden Prozessanalysentechnik verbundenen Nachteile bestehen aus:

- einem erhöhten Sicherheitsrisiko (Explosionsgefahr) für den Betreiber,
- einer reduzierten Energieausbeute,
- einer Belastung der Umwelt mit H2S,
- einer Geruchsbelästigung (Die Geruchsschwelle von H2S liegt im ppb-Bereich) und damit verbundenen Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung
- sowie aus einer höheren Belastung der Umwelt durch Emission von Schwefeldioxid als Verbrennungsprodukt des H2S.

Die reduzierte Energieausbeute beruht einerseits auf einem Kapazitätsgrad von ca. 70-80% durch Schaffung eines Sicherheitspuffers und andererseits auf möglichen Fermenterausfällen, die durch das Absterben der zur Methanerzeugung notwendigen Bakterien durch Vergiftung basieren.
Ein weiteres Problem besteht in der Vermeidung hoher Schwefelwasserstoffkonzentrationen und somit starker Korrosionsbelastungen der Motoren von mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW).
Mit dem im Projektantrag dargestellten Messsystem soll eine effiziente Regelung von Biogasanlagen realisiert werden, die zu einer deutlichen Reduzierung von Schadstoffen (Schwefelwasserstoff) führt. Durch diese Maßnahme wird die Akzeptanz und Einsetzbarkeit von Biogas wesentlich verbessert, so dass in der Zukunft der Anteil von Biogas gesteigert werden kann. Dies führt dann zu einer weiteren Entlastung der Umwelt, da Methangas einen größeren Beitrag zum Treibhauseffekt liefert als Kohlendioxid. Unkon-trollierte Methangaskonzentrationen (Faulgas, Gülle,...) gelangen nämlich direkt in die Atmosphäre und führen dort zu einem verschärften Treibhauseffekt. Die kontrollierte Biogaserzeugung führt 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
Im Rahmen des Projektes wird ein modulares Prozessanalysengerät für Biogasanwendungen entwickelt, mit dem die Schwefelwasserstoffkonzentrationen im Bereich von 0..1000 ppm und 0..100 ppm mit einer Auflösung von 1 ppm sicher erfasst werden können. Um eine schnelle Regelung der Luftzufuhr zu garantieren, muss das zeitliche Ansprechverhalten < 10 Sekunden sein. Da die Geräte für 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.


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 große 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 über eine gemeinsame Auswerteelektronik die Basis für ein modulares Prozessanalysegerät geschaffen, welches auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der Biogasmessung erfüllt.
Schwefelwasserstoff (H2S) weist eine extrem starke Absorptionbande im UV-Bereich < 240 nm auf, die für 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 ausgeräumt.
Bei einer fotometrischen Absorptionsmessung ist der Dynamikbereich im Regelfall auf 1:10 beschränkt, da bei einer konstruktiv vorgegebenen Küvettenlänge (z. B. 10 cm) nach dem Lambert-Beerschen Gesetz die Intensitätsänderung I(c) bei kleinen Gaskonzentrationen c immer geringer wird, so dass ein sicherer Nachweis aufgrund des schlechter werdenden Signal/Rausch-Verhältnisses nicht möglich ist. Im vorliegenden Fall müssten daher zwei unabhängige Fotometer mit unterschiedlichen Küvettenlängen (z. B. 10 cm und 100 cm) aufgebaut werden, was aus Kostengründen aber nicht wünschenswert ist.


Ergebnisse und Diskussion

In 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 Küvettenlängen von 10 cm Messbereiche von 300 ppm möglich sind. Limitierender Faktor für kleinere Messbereiche ist im Augenblick das Rauschverhalten der eingesetzten Fotodioden. Durch leistungsfähigere Fotodioden (geringerer Shuntwiderstand) wird ein deutlich reduzierter Rauschpegel erwartet. Entsprechende Versuche sind daher im weiteren Projektverlauf geplant.
Ein weiterer Ansatzpunkt war die Verbesserung der eingesetzten Strahlungsquelle. Durch eine Erhöhung der Intensitätsstabilität und der Absolutintensität konnte der zu erwartende Messbereich nochmals redu-ziert werden. Diese Ergebnisse waren sehr viel versprechend und bestätigen den eingeschlagenen Weg.

Der komplette Biogassensoraufbau wurde mit integrierter Kohlendioxid- und Methan-Messung realisiert und hinsichtlich seiner gasanalytischen Messeigenschaften (Querempfindlichkeiten, Linearität, Drifttest, Temperaturfehler) untersucht. Die erzielten Ergebnisse waren sehr zuversichtlich und erfüllen alle Anfor-derungen für 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 sämtliche Anforderungen mit einer Ausnahme erfüllt werden konnten. Lediglich die Langzeitdrift war in dieser Testphase nicht zufrieden stellend. Durch ergänzende Laboruntersuchungen kamen wir zu dem Ergebnis das diese Drift durch unvermeidliche Veränderungen 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.

Das vorgestellte Multigasmessgerät zur simultanen Erfassung von Kohlendioxid, Methan und Schwefelwasserstoff konnte hinsichtlich seiner Eignung für Anwendungen in Biogasanlagen eingehend untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Messgenauigkeit vollkommen ausreichend für 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, lässt sich die Nullpunktdrift vollständig kompensieren. Der zusätzliche Aufwand (Steuerelektronik, Magnetventil und Nullgaspumpe) ist allerdings nicht zu vernachlässigen.
Weitere Entwicklungsschritte sollen daher in naher Zukunft eine verbesserte Version des Schwefelwasserstoffsensors liefern. Ansatzpunkte sind hier eine modifizierte spektrale Selektivierung auf Schwefelwasserstoff und für die erforderliche Referenzmessung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ein erster Prototyp wurde auf der SENSOR 2003 in Nürnberg ausgestellt.

Das Multigasmessgerät wurde auf der SENSOR 2005 in Nürnberg erstmalig der Öffentlichkeit vorgestellt.

Auf der BIOTECHNICA 2005 in Hannover präsentierte Die Firma Sensors Europe gemeinsam mit der FH-Dortmund auf dem NRW Gemeinschaftsstand den Biogassensor.

Weiterhin ist eine Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift in Vorbereitung.


Fazit

Das Projekt konnte antragsgemäß im Rahmen der vorgegebenen Projektlaufzeit erfolgreich abgeschlossen werden