Projekt 19190/01

Gasanalysegerät zur Prozesssteuerung von Biogasreaktoren

Projektträger

CHEMEC GmbH
Meisenstr. 96
33607 Bielefeld
Telefon: 0521/2997-430

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Biogasanlagen bilden einen wichtigen Baustein einer umweltfreundlichen und zukunftorientierten Energieversorgung. Ein Rohstoff für die Biogasgewinnung, organischer Abfall, in großen Mengen günstig verfügbar, speziell angebaute energiereiche Pflanzen werden aber auch eingesetzt. Dadurch gelangt nur soviel CO2 in die Atmosphäre, wie dieser vorher durch Pflanzen entzogen wurde. Biogas besteht zu fast 100 Vol. % aus einem Methan/Kohlendioxid-Gemisch; Methan ist der Energieträger, Kohlendioxid ein nutzloses Begleitgas. Ziel ist ein möglichst hoher Methangehalt und dafür wird eine zuverlässige und robuste Online-Gasanalyse benötigt. Die Analyse umfasst die Gase Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff.
Die Methankonzentration sollte mindestens 60 Vol. % betragen, die des Kohlendioxids 40 Vol. % nicht überschreiten. Schwefelwasserstoff entsteht als Störgas bei der Vergärung schwefelhaltiger Fermente, wie z. B. von Gülle. Da es die Blockheizkraftwerke schädigt, muss seine Konzentration begrenzt werden. Dafür wird kontinuierlich ein geringe Menge Luft in den Fermenter gepumpt. Den Sauerstoff nutzen Mikroorganismen zum Abbau des H2S. Sauerstoff dagegen den Gärprozess, seine Konzentration muss überwacht und gering gehalten werden.
Die zur Zeit angebotene Messtechnik stammt hauptsächlich von Firmen, die Geräte für die chemische und petrochemische Industrie herstellen. Bei diesen Anwendungen sind bestimmet Kriterien mit aufwendigen Zulassungsverfahren und teuren Ausstattungen gefordert, so dass die sich daraus ergebenen hohen Gerätepreise einen breiten Einsatz in der Biogastechnologie verhindern. Ziel des Projektes war es, geeignete Messverfahren und Komponenten auszuwählen um die geforderten Eigenschaften Zuverlässigkeit, geringer Preis und robuster Aufbau zu erreichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie entscheidende Senkung der Herstellkosten wurde erreicht, indem die Konzentrationen der Gase Methan und Kohlendioxid nicht, wie allgemein üblich, mit zwei teuren Infrarotmesssystemen bestimmt werden, sondern deren Mischungsverhältnis mit einem sehr preisgünstigen Wärmeleitfähigkeitssensor.
Diese Lösung ist möglich, weil Biogas zu ca. 99 Vol. % aus diesen beiden Gasen besteht und damit quasi ein binäres Gemisch darstellt. Sauerstoff, der sich in der Startphase des Gärprozesses im Fermenter befindet, wird vom Sauerstoffsensor gemessen und bei der Auswertung des Wärmeleitfähigkeitssensors berücksichtigt.
Der Schwefelwasserstoffsensor kann nicht für Dauermessungen eingesetzt werden, daher wird nur periodisch, in einem Abstand von ca. 30 Minuten gemessen. Nach jeder Messung werden die Sensoren mit Luft gespült.
Eine bakterizide Beschichtung der Sensorkammer sowie die Verwendung bakterizider Filter verhindert die Verseuchung der Messeinrichtung durch Mikroorganismen, die vom Biogas mitgerissen werden. Damit wird die Lebensdauer der Gassensoren deutlich erhöht.


Ergebnisse und Diskussion

Das Gasanalysegerät wurde im Anschluss an das Projekt an zwei unterschiedlichen Biogasanlagen für mehrere Wochen erfolgreich getestet. Die Messungen wurden mit denen eines Parallelgerätes verglichen, das die Methan- und die Kohlendioxidkonzentrationen mit zwei getrennten Infrarot-Messsystemen bestimmt. Beide Geräte zeigten die gleiche Methankonzentration an, bei der Kohlendioxidkonzentration zeigte das Vergleichsgerät einen höheren Wert an. Die Summe der gemessenen Methan- und Kohlendioxid-Anteile überstieg bei dem Vergleichsgerät 100 Vol. %, bei dem Gasanalysegerät nicht.
Der Grund liegt in der Physik der Messtechnik. Jeder Sensor besitzt einen Messfehler, der sich zwar mit einem entsprechenden Auswand verringern aber nicht verhindern lässt. Je mehr Sensoren ein Messsystem besitzt, umso größer wird zwangsläufiger der Gesamtmessfehler.
Mit dem Austausch zweier Infrarotmesssysteme gegen einen Wärmeleitfähigkeitssensor ist nicht nur der Preis verringert sondern auch prinzipiell die Messgenauigkeit erhöht worden. Bei der letzten Aussage muss allerdings berücksichtigt werden, dass Wärmeleitfähigkeitssensoren meist eine größere Querempfindlichkeit zum Wasserdampf aufweisen als optische Systeme. Dieser Nachteil kann mit einem kleinen Messgastrockner eliminiert werden. Messgastrockner werden für die optischen Gasanalysegeräte stan-dardmäßig eingesetzt, um Kondensatbildung im Sensor zu verhindern. Kondensat führt bei den optischen System in der Regel zu einer so gravierenden Verschmutzung, dass der Sensor ausgetauscht werden muss. Wärmeleitfähigkeitssensoren sind gegen Verschmutzungen weitgehend resistent.
Da der Wärmeleitfähigkeitssensor prinzipiell für alle Gase geeignet ist ergibt sich ein weiterer Kostenvorteil gegenüber den optischen Messsystemen. Anstatt ihn mit zwei unterschiedlichen Testgasen, 100 Vol. % Methan und 100 Vol. % Kohlendioxid, zu kalibrieren, lässt sich der Sensor auch mit Luft und 100 Vol. % Methan kalibrieren. Damit ergeben sich auch langfristige Vorteile des Wärmeleitfähigkeitssensors.
Die periodische Gasanalyse, bedingt durch den Schwefelwasserstoffsensor, lässt sich mit den Anforderungen der Biogasproduktion vereinbaren, da der Gärprozess ausgesprochen träge verläuft.
Die bakterizide Beschichtung der Messkammer ist dauerhaft und wird verstärkt durch zusätzliche Filter, die direkt vor den Sensoren angeordnet sind. Die Filter werden bei jedem Sensorwechsel erneuert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Über das Gerät wurde in der Zeitung Neue Westfälische am 16. März 2002 in einem Artikel der Serie Wachstum mit Sonne Wind und Wasser berichtet. Bereits im Januar 2002 wurde der Prototyp des Ge-rätes im Förderverein EnergiKompetenzZentrum Ost-Westfalen-Lippe, jetzt Energie Impuls OWL e. V., vorgestellt und fand reges Interesse.


Fazit

Das entwickelte Gerät ist ein wichtiger Meilenstein bei der Etablierung der Gasmesstechnik in Biogasanlagen und damit für deren Effizienzsteigerung. Hohe Energieerträge fördern die Verbreitung der Biogastechnik, was mittelfristig auch zu geringeren Investitionskosten führen wird. Der nächste Schritt aber muss die Entwicklung geeigneter Regelalgorithmen sein, damit die gewonnen Messdaten optimal genutzt werden.