ABGS GmbH

Aehnelt & Braune Gaswarn- & Systemtechnik

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[Fachartikel] Biogas

11. September 2012 | ABGS GmbH | Kategorie Wissen

Eine Biogasanlage dient der Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden meist tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und Energiepflanzen als Substrat eingesetzt. In nicht-landwirtschaftlichen Anlagen wird Material aus der Biotonne verwendet. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert. Bei den meisten Biogasanlagen wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die Biomasse als Nährstoff- und Energielieferanten (Kohlenhydrate, Fette, Proteine). Beim aeroben (mit Sauerstoff) mikrobiellen Abbau (Kompostierung) des eingesetzten Substrates decken die Organismen ihren Energiebedarf mit einem großen Teil der enthaltenen Energie. Beim anaeroben (ohne Sauerstoff) mikrobiellen Abbau (Vergärung) des eingesetzten Substrates können die Organismen nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Die anaerob nicht nutzbare Energie befindet sich im „Abfallprodukt“ Methan. Das hat zur Folge, dass die spezifischen Umsatzraten an Substrat, bezogen auf die Biomasse, wesentlich höher sind. Die Mikroorganismen müssen daher relativ große Mengen Substrat umsetzen, um ihren Energiebedarf decken zu können. Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind das energiereiche Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, kann aber zusammen mit dem energiereichen CH4 in geeigneten BHKW’s der Verbrennung zugeführt werden.

Die Zusammensetzung von Biogas ist sehr unterschiedlich, weil sie von der Substratzusammensetzung und der Betriebsweise des Faulbehälters abhängt.

GaskomponenteSchwankungsbreiteDurchschnitt
Methan (CH4)45 – 70 Vol %60 %
Kohlenstoffdioxid (CO2)25 – 55 Vol %35 %
Wasserdampf (H2O)0 – 10 Vol %3,1 %
Stickstoff (N2)0,01 – 5 Vol %1 %
Sauerstoff (O2)0,01 – 2 Vol %0,3 %
Wasserstoff (H2)0 – 1 Vol % < 1%
Ammoniak (NH3)0,007 – 1,79 ml/m3 (ppm)0,7 ml/m3 (0,7 ppm)
Schwefelwasserstoff (H2S)0,00141 – 4,23 Vol % 0,07 Vol % (700 ppm)

Wertvoll am wassergesättigt anfallenden Biogas ist das zu rund 60 % enthaltene Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Im Rohbiogas störend sind vor allem Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Sie werden bei der Biogasaufbereitung vor der Verbrennung entfernt, um Korrosion in Motoren, Turbinen und nachgeschalteten Komponenten (u. a. Wärmetauscher) zu verhindern. Da in Biogasanlagen große Mengen brennbarer Gase erzeugt und verarbeitet werden, ist die Betriebssicherheit von großer Bedeutung. Bei falscher Bedienung der Biogasanlage, bei Konstruktionsfehlern und Materialschäden besteht die Möglichkeit einer Explosion. Andere Bestandteile des Biogases sind toxische Gase, vor denen der Mensch oder die Umwelt zu schützen sind. Deshalb wird häufig eine Raumluftüberwachung mit Gaswarntechnik durchgeführt. Das Kohlendioxid mit einem Anteil von bis zu 55 Vol % hat einen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 0,5 Vol % oder 5000 ppm. Neben der toxischen Gefährdung wird der Luftsauerstoff verdrängt. Der Schwefelwasserstoff mit einem Anteil von bis zu 4,23 Vol % hat einen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW)von 5 ppm. Es besteht Vergiftungsgefahr. Beim Ammoniak mit einem Anteil von maximal 2 ppm und einem Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 20 ppm ist die Gefahr gering. Mit maximal 2 Vol % herrscht Sauerstoffmangel und es besteht eine Gefährdung.

Biogasanalysatoren dienen der Prozesskontrolle und –steuerung. Zum Einsatz kommt ein extraktives Messverfahren (selbstansaugend), meist mit mehreren Ansaugstellen und Messstellenumschaltung. Durch den geringen Sauerstoffgehalt des Messgases sind die Auswahlmöglichkeiten des Messprinzipes eingeschränkt:

GaskomponenteMessbereichMessprinzip
Methan (CH4)0 - 100 Vol %infrarot
Kohlenstoffdioxid (CO2)0 - 40 Vol %infrarot
Schwefelwasserstoff (H2S)0 – 0,5 Vol % (5000 ppm)elektrochemische Zelle
Sauerstoff (O2)0 – 25 Vol %elektrochemische Zelle

Der H2S-Sensor wird durch automatisches Verdünnen des Messgases vor Überlastung geschützt. Wegen des hohen Wasserdampf-Anteiles ist eine Gasaufbereitung mit Kühlung zur Entfeuchtung erforderlich. In die Entnahmeleitung ist zwischen Biogasanlage und Analysator eine Flammensperre zur Detonationssicherung eingebaut. Bei Außenaufstellung sind Schaltschranklüftung und –heizung erforderlich. Individuelle Messzyklen können, automatisch oder von Hand gesteuert, ausgewählt werden.
Der Ablauf ist:

  • Nullpunktfestlegung mit Umgebungsluft
  • Messung
  • Spülung
  • Kalibrierung (in zeitlichen Abständen)

Die ermittelten Messwerte können während der Messung auf der Anzeigeeinheit abgelesen werden. Nach erfolgter Messung vergleicht das System die Gaskonzentration mit den programmierten Alarmschwellen. Pro Messgas sind zwei Alarmschwellen programmierbar. Bei Über- bzw. Unterschreiten werden die Melderelais geschaltet. Für eine zusätzliche Signalverarbeitung gibt der Analysator alle Messwerte als entsprechendes 4-20 mA Signale aus. Zur mittelfristigen Protokollierung speichert das System die letzten Messungen. Über eine integrierte Schnittstelle ist der Speicher abrufbar.

Vorschriften, Verordnungen, Regeln und Informationen:

Literatur:
Publikationen der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Publikationen des Fachverbandes Biogas, div. Firmenschriften

Gastautor: Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

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© 2012 ABGS GmbH – Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

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Der Beitrag wurde am Dienstag, den 11. September 2012 um 09:36 Uhr veröffentlicht und wurde unter Wissen abgelegt.

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