Entwicklung eines Gas-Sensor-Arrays für die kontinuierliche Überwachung von gasförmigen Emissionen aus Biogasanlagen
Projektdurchführung
Dr. Födisch
Umweltmesstechnik AG
Zwenkauer Str. 159
04420 Markranstädt
Zielsetzung
Studien Dritter belegen, dass an zahlreichen Biogasanlagen vermeidbare Emissionen auftreten, die es zum Schutz der Umwelt zu vermeiden gilt.
Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Biogassensors, der eine kontinuierliche Überwachung der Emissionen von Biogasanlagen in Echtzeit ermöglicht. Dafür sollte ein virtuelles Gas-Sensor-Array (VGSA) auf Basis eines Metalloxid-Sensors zum Einsatz kommen. Anhand der damit erzielbaren Mess-ergebnisse (48 Messwerte) sollte ein Abgleich mit Geruchsmustern in einer Datenbank und eine Auswertung erfolgen. Daraus resultieren sollte die verlässliche Detektion einer Leckage auf der Biogasanlage.
Wesentlich für den Erfolg der Entwicklung war, dass der Sensor keine signifikanten Querempfindlichkeiten gegenüber Bestandteilen der Umgebungsluft und Witterungseinflüssen (Luftfeuchte) aufweist. Letzteres ist wichtig, um präzise Ergebnisse beim ganzjährigen Außeneinsatz zu gewährleisten.
Um den Einsatz der Sensoren an einer Vielzahl von Biogasanlagen machbar zu machen, sollte die Investition in einen Sensor < 1.000 EUR betragen. Weitere Kriterien für die Technologie waren eine kompakte Bauweise, einfache Installation und Vernetzung mehrerer Sensoren sowie eine intuitive Bedienung.
Arbeitsschritte
Auf der Grundlage eines virtuellen Gas-Sensor-Arrays (VGSA) wurde der Prototyp eines Biogas-Messgeräts aufgebaut. Dieser Prototyp wurde im Labor mit Testgasen und mit Biogas ausgiebig charakterisiert. Die Querempfindlichkeit gegenüber der (Luft-)Feuchte wurde untersucht.
Nach den sehr erfolgversprechenden Versuchen mit dem Prototypen wurden 10 seriennahe Prototypen aufgebaut (Biogas Sensor Device, BSD 20). Diese wurden zunächst in einer Klimakammer auf Temperatur- und Feuchteeinfluss untersucht.
In die BSD 20 wurde ein mesh-fähiges WLAN-Modul integriert. Diese wurden so programmiert, dass sich die BSD 20 direkt miteinander verbinden können und somit auf einfache Art und Weise eine robuste Datenverbindung sicherstellen.
Vor Beginn des Feldtests wurden die 10 Prototypen in einem Technikum installiert, um den Einsatz im Feld zu simulieren. Mit diesem Aufbau wurden Tests (z. B. gezielte Biogasfreisetzung) durchgeführt, Software und Konfigurationsparameter optimiert.
Nach dem Abschluss der Labortests wurden die BSD 20 im Feld bei einem Industriepartner getestet. Hierzu wurden alle 10 Sensorboxen rund um das Gelände einer Biogasanlage aufgestellt und über mehrere Monate betrieben. Die Messdaten wurden durch das Mesh-Netzwerk gesammelt und vom Mesh-Master via Internet auf eine Datenbank übertragen.
Sobald die Daten in der Datenbank waren, konnte die Auswertung und Visualisierung erfolgen.
Ergebnisse
Es wurde mit den Prototypen in Laborversuchen gezeigt, dass der eingesetzte USM-VGSA V2.0 Sensor Biogas von anderen Gaskomponenten unterscheiden kann. Der Sensor zeigt keine signifikanten Querempfindlichkeiten gegenüber Feuchte oder anderen zu erwartenden Messgaskomponenten. Im Feldtest hat sich gezeigt, dass das Sensorsystem eine stabile und langlebige Performance aufweist sowie das mögliche Drifteffekte ausreichend korrigiert werden können.
Mit dem Feldtest konnte zudem gezeigt werden, dass sich die Methode für eine kontinuierliche Überwachung einer Biogasanlage eignet. Biogas-Ereignisse sind in den Felddaten gut zu erkennen. Ein Rückschluss auf eine quantifizierbare Menge an freigesetztem Biogas kann nicht getroffen werden. Mittels einer speziellen Auswertemethodik und anschließender komponentenspezifischer Skalierung konnte jedoch das Biogassignal hinreichend modifiziert werden. Somit wird dem Anlagenbetreiber anhand eines Ampelsystems eine Entscheidungshilfe hinsichtlich möglicher Gasleckagen zur Verfügung gestellt.
Die entwickelte WLAN-Mesh-Technik zur Datenübertragung hat sich im Feldtest als praktikabel erwiesen. Der Installationsaufwand an einer Anlage wird dadurch stark vereinfacht, die Datenübertragung funktioniert zuverlässig. Die Daten der 10 Prototypen im Feldtest konnten auf anschauliche Weise visualisiert werden. Somit ist ein intuitives Verständnis der großen Datenmengen möglich.
Öffentlichkeitsarbeit
Während der Projektlaufzeit wurden erste Ergebnisse bei der DBFZ Jahrestagung "Bioenergie zwischen Klimapaket und Bioökonomiestrategie" präsentiert. Mit Abschluss des F&E-Projektes ist geplant, die Ergebnisse auf der Website und dem Unternehmensprofil bei LinkedIn bekannt zu machen. Es ist weiterhin geplant, den BSD 20 auf der ACHEMA 2022 auszustellen. Eine erneute Beteiligung bei der DBFZ Jahrestagung ist in Vorbereitung.
Fazit
Es wurde ein kostengünstiger und kompakter Biogassensor (BSD 20) für die stationäre Messung von Emissionen an Biogasanlagen entwickelt.
Der Sensor ist geeignet in Kombination mit Windsensoren (Gas-Sensor-System) Emissionen zu detektieren und damit Leckage frühzeitig anhand von biogastypischen Geruchsmustern in der Umgebungsluft zu detektieren.
Wenn mehrere Biogassensoren als Sensorsystem auf oder um das Gelände einer Biogasanlage installiert werden, dann können Rückschlüsse auf den Ort bzw. die Lage der Leckage erfolgen. Die Entwicklung weist eine sehr stabile und dauerhafte Messleistung auf. Mittels speziellem Datennetzwerk und Visualisierung werden dem Anlagenbetreiber die Messdaten in Echtzeit sowie geeigneter Art und Weise zur Verfügung gestellt.
Vorteilhaft für den vollumfänglichen Nachweis der Eignung des Biogassensors, für die Detektion von unplanmäßigen Emissionen, wäre die messtechnische Begleitung eines tatsächlichen Ereignisses bei dem signifikante Mengen an Biogas emittiert werden.