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04-05 | 2019

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Messtechnik Eine von

Messtechnik Eine von vielen Biogasanlagen, in denen die neue Sonde die Biogasausbeute erhöhen kann. Alle Macht dem Sensor Betreiber können dank einem neuen Sensor die Feuchte im Biogas in Echtzeit messen und ihre Anlage damit besser einstellen. Mit einer wachsenden Bevölkerung, die einen steigenden Bedarf an Energieressourcen hat, ist Biogas eine erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen. Biogas ist vielfältig einsetzbar sei es als Kraftstoff für Fahrzeuge oder für die Wärme- und Stromerzeugung in Blockheizkraftwerken (B HKW). Kein Wunder also, dass das Geschäft mit Biogas in den letzten Jahren insbesondere hierzulande florierte. Deutschland ist Biogasland Nummer 1. Mehr als 9.000 Biogasanlagen produzieren acht Prozent des deutschen Ökostroms und versorgen damit rund acht Millionen Haushalte. Aber der einstige Hoffnungsträger der Energiewende kämpft ums Überleben: 2020 ist bei vielen Betreibern von Biogasanlagen rot im Kalender markiert. Denn dann werden die ersten Anlagen zur Stromerzeugung aus der auf 20 Jahre befristeten staatlichen Förderung fallen, die ihre Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) aus dem Jahr 2000 erhalten. Betreiber müssen daher profitabler sein denn je, damit sich die Einspeisung von Strom aus Biogas wirtschaftlich lohnt. Höchste Zeit, die Hauptbestandteile von Biogas näher in den Blick zu nehmen. Abfall sinnvoll nutzen Mit Biogasanlagen können Bioabfälle umweltfreundlich verarbeitet und die in organischen Abfällen enthaltenen Nährstoffe wieder in die Landwirtschaft zurückgeführt werden. Das dabei entstehende Biogas wiederum kann zur Energie gewonnen werden. Diese energetische Verwertung ist damit ein entscheidender Faktor für den Übergang in einer kohlenstoffarmen Wirtschaft. Die häufigste Lösung ist die kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) am Anlagenstandort. Immer häufiger wird Biogas auch gereinigt und in Biomethan umgewandelt, das entweder über das Erdgasnetz oder als verflüssigtes Erdgas verteilt werden kann. Die Biogasproduktion ist ein organischer Prozess, das heißt, er ist inkonsistent. So variiert etwa die Zusammensetzung, wobei der Volumenanteil von Methan in der Regel jedoch etwa bei 60 bis 65 Prozent und der von Kohlendioxid (CO 2 ) bei 35 bis 40 Prozent liegt. Ebenfalls enthalten sind andere Gase in ppm-Werten. Biogas entsteht durch anaerobe Gärung. Neben anaeroben Bedingungen sind für diesen enzymatischen Prozess verschiedene Arten von Mikroben erforderlich, von denen jede eine entscheidende Rolle im Gesamtprozess spielt. Die Gärung beginnt mit der Hydrolyse. Enzyme spalten hierbei Proteine, Kohlenhydrate und Lipide in kleinere Bestandteile auf. Wichtig sind vor allem drei enzymatische Reaktionen: Bei der so genannten Acidogenese werden diese Bestandteile in flüchtige Fettsäuren umgewandelt, wobei Ammoniak (NH 3 ), CO 2 und Schwefelwasserstoff (H 2 S) entstehen. Bei der Acetogenese werden hingegen einige flüchtige Fettsäuren in Essigsäure (CH 3 CO 2 H), Wasserstoff (H 2 ) und CO 2 umgewandelt. Die Produkte der vorherigen Phase werden bei der Methanogenese durch methanbildende Mikroorganismen in verschiedenen biochemischen Prozessen zu Methan (CH 4 ) umgewandelt. Daten verstehen Um die Rentabilität ihrer Biogasanlagen zu verbessern, suchen Betreiber nach Wegen, die elektrische Leistung ihrer Kraft-Wärme-Kopplung zu erhöhen und gleichzeitig die Betriebskosten zu senken. Dafür benötigt der Motor des Blockheizkraftwerks qualitativ hochwertiges Biogas, das möglichst viel Methan und so wenig Wasser wie möglich enthält. Denn je höher der Methananteil ist, desto energiereicher ist das Biogas. Und ist der Methangehalt des Gases genau bekannt, kann der Betreiber den Motor präziser einstellen. Übermäßige Feuchtigkeit greift zudem 48 UmweltMagazin April - Mai 2019

Messtechnik den Motor an. Wasser und Schwefelwasserstoff bilden eine korrosive Kombination, die zu Ausfällen führt oder den BHKW-Motor und andere Prozesskomponenten langfristig beschädigen kann. Zur Entfernung von Schwefelwasserstoff als auch von Siloxanen im Biogas werden üblicherweise Aktivkohlefilter eingesetzt, die jedoch wasserempfindlich sind und deren Austausch teuer ist. Siloxane sind chemische Verbindungen, die in Konsumentenprodukten aus dem Kosmetikbereich als Pflege- und Konservierungsmittel eingesetzt werden. Wird siloxanhaltiges Biogas verbrannt, bleiben Ablagerungen an Zylinderköpfen, Kolben oder Turbinenflügeln haften und führen zum Verschleiß. Indem der Wassergehalt des Biogases während der Aufbereitungsphase gemessen wird, kann der Anlagenbetreiber die Lebensdauer der Aktivkohlefilter maximieren und die Betriebskosten senken. Die Überwachung des Wasserdampfs im Biogas ermöglicht somit eine Optimierung des Wärmetauschers. Die neue Sonde MGP261 des finnischen Unternehmens Vaisala. Feuchte im Blick Doch vor allem die Feuchtemessung gestaltete sich bislang schwierig. Traditionell wurden kapazitive Sensorinstrumente eingesetzt, die den schmutzigen und korrosiven Bedingungen im Inneren des Rohres nicht standhielten. Für viele kapazitive Feuchte-/Taupunktsensoren kommen erschwerend die fast kondensierenden Bedingungen hinzu und beeinträchtigen die Messgenauigkeit. Mit einer neuartigen Messsonde unterstützt das Unternehmen Vaisala mit Sitz im finnischen Vantaa jetzt Betreiber bei der Kontrolle der Biogasqualität. Diese Sonde – MGP261 genannt – misst Methan, Kohlendioxid sowie Feuchte und damit die drei Hauptkomponenten von Biogas. Sie nutzt als weltweit erste Messsonde die optische Feuchtemessung im infraroten (IR) Wellenlängenbereich. Hierbei erfolgt die Messung berührungslos, da Infrarotlichtquelle und -sensor durch ein Saphirglasfenster vor den Prozessgasen geschützt sind. Deshalb können keine Probleme mit der Korrosion der Sensoren auftreten. Dank Fortschritten bei Microglow-IR-Quellen und Fabry-Pérot-Interferometern sind Vaisala-Geräte mit der neuen Sonde zur optischen Feuchtemessung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit dauerhaft brennbaren Gasund Luftgemischen geeignet und „Exzertifiziert“. Die neue Sonde ist bis „Zone 0“ Ex-zertifiziert. Zone 0 beschreibt gasexplosionsgefährdete Bereiche, in denen ständig oder langzeitig eine explosionsfähige Atmosphäre aus einem Gemisch von Luft mit brennbaren Substanzen in Form von Gas, Dampf oder Nebel vorhanden ist. Die Sonde kann in diesen Gefahrenbereichen ohne Probenahmeleitungen, Pumpen oder Wasserabscheider installiert werden. Möglich macht das die In-Line-Installation, bei der das Biogas direkt in der Prozessleitung der Biogasanlage gemessen wird – ohne eine Gasprobe zu entnehmen. Dies vereinfacht die Einrichtung erheblich und erübrigt das Pumpen des Gases aus der Prozessleitung durch Gastrocknungs- und Filtrationsanlagen. Da das Gas nicht behandelt wird, kennen Betreiber die Zusammensetzung des Biogases in Echtzeit. Die Kalibrierung der Sonde erfolgt automatisch, sodass im Routinebetrieb keine Kalibriergase erforderlich sind. MGP261 basiert auf der patentierten CARBOCAP-Technologie von Vaisala mit einem nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR). Damit lassen sich mehrere Gase gleichzeitig messen und eine automatische Kalibrierung ohne Kalibriergase während der Messung durchführen. Optimal für mehr Ertrag Für einen dauerhaft stabilen Betrieb einer Biogasanlage ist die Überwachung aller Einflussgrößen die Basis der Prozessführung. Die Feuchtemessung ist in vielen Branchen ein wichtiges Werkzeug für die Prozesskontrolle. Zum ersten Mal ist es nun möglich, den CH 4 -, CO 2 - und Feuchtegehalt im Biogas mit einem einzigen Messgerät zu messen. Davon profitieren Betreiber, denn je besser sie den gesamten Biogasprozess überwachen und auf Veränderungen bei der Gaszusammensetzung und der Feuchte reagieren können, desto effizienter ist ihre Anlage. Hier offenbaren sich zahlreiche Optimierungspotenziale – insbesondere vor dem Hintergrund, dass die ersten Anlagen 2020 aus der EEG-Förderung fallen. Welche Potenziale sich ergeben können, zeigt das Beispiel einer der größten Deponiegasanlagen in Europa, auf der die neue Sonde getestet wurde. Auf dem Gelände in Finnland befinden sich zwei Deponien mit mehreren Gaspumpstationen, von denen eine nun mit der MGP261-Sonde zur Überwachung der Gasqualität in Echtzeit ausgestattet wurde. Die Erfassung der Methankonzentration im Gas durch die Sonde zeigt an, wann Deponiebecken geöffnet und geschlossen werden müssen, um zu verhindern, dass Methan in die Atmosphäre gelangt. Die Gaszusammensetzung kann auch auf mögliche umweltbedingte Schäden an der Gassammelleitung hinweisen. Andreas Knop, Sales Director EMEA Industrial Measurements bei Vaisala, andreas.knop@vaisala.com Bilder: Vaisala UmweltMagazin April - Mai 2019 49

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