Die Qualität des gewonnenen Biogases hängt vorrangig von der Zusammensetzung seiner Komponenten ab. Um diese zu kontrollieren und gegebenenfalls zu steuern, empfehlen sich Biogasanalysen. Sie liefern Informationen über den Brennwert des Biogases und sind wichtig für dessen wirtschaftliche Nutzung. Ferner geben sie Aufschluss über den Zustand und die biologischen Prozesse innerhalb der Anlage und unterstützen so deren effiziente Steuerung. In der Regel setzt sich das gewonnene Gasgemisch aus Methan (CH₄), Wasserstoff (H₂), Stickstoff (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und den aggressiven Gasen Schwefelwasserstoff (H₂S) und Ammoniak (NH₃) sowie gegebenenfalls Restsauerstoff (O₂) zusammen. Durchschnittlich weisen die Gemische eine Konzentration von circa 60 Volumen-Prozent Methan, etwa 35 Volumen-Prozent Kohlenstoffdioxid sowie maximal zwei Volumen-Prozent Sauerstoff auf. Die Werte von Schwefelwasserstoff liegen meist zwischen wenigen 100 ppm und einigen 1.000 ppm, in manchen Fällen auch bis zu 10.000 ppm. Um bei der Stromerzeugung einen Schaden an den Gasmotoren zu vermeiden, muss zunächst der Schwefelwasserstoff separiert werden. Dies kann durch verschiedene Filterverfahren geschehen, die sich kombiniert oder mehrstufig installieren lassen. Die Kontrolle dieses Vorgangs fordert eine kontinuierliche Messung der Schwefelwasserstoffkonzentration. Der Anteil des Wasserdampfes liegt aufgrund der Temperaturen im Gärprozess bei etwa fünf Volumen-Prozent. Für die Verarbeitung des Gasgemisches sowie zur kontinuierlichen messtechnischen Überwachung muss jener durch Gastrocknung herausgefiltert werden. Beide Vorgänge erfordern den Einsatz einer verlässlichen Gasmesstechnik.
Die richtige Sensorik
In der industriellen Messtechnik wird hauptsächlich mit drei Sensortechnologien gearbeitet. Wärmetönungssensoren kommen zum Nachweis brennbarer Gase und Dämpfe zum Einsatz, Infrarot(absorptions)sensoren zeigen Methan und Kohlenstoffdioxid an und elektrochemische Sensoren erkennen toxische Gase und Sauerstoff. In Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und den Volumenstrom am Sensoreingang stellen die verschiedenen Sensortypen spezielle Anforderungen an das Messgas. So kann ein Wärmetönungssensor beispielsweise durch Schwefelwasserstoff beschädigt werden. Elektrochemische Sensoren, kurz EC-Sensoren, benötigen konstante Umgebungsbedingungen hinsichtlich Feuchtigkeit und Temperaturbedingungen. Infrarotsensoren (IR-Sensoren) dagegen bieten eine Reihe von Vorteilen: Sie sind vergiftungsresistent, verbrauchen oder verschleißen nicht und sind beheizbar. Der Dräger PBA 500x greift diese Anforderungen auf und variiert die unterschiedlichen Sensortypen, um die Zielgase zu messen. Für die Detektierung von Methan und Kohlenstoffdioxid wurden je ein IR-Sensor und für den Nachweis von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff je ein EC-Sensor in das Gerät integriert. Die Messbereiche betragen bei Methan und Kohlenstoffdioxid 100 Volumen-Prozent, bei Sauerstoff 25 Volumen-Prozent und liegen bei Schwefelwasserstoff bei 10.000 ppm. Dieser hohe Wert für die Detektion von Schwefelwasserstoff ist im Markt einmalig. Zur Messbereichsanpassung sowie zur Verlängerung der Lebensdauer des Gerätes wird das Gasgemisch am Sensoreingang mit Frischluft gekühlt und damit getrocknet. Ein Peltierkühler lässt das Kondensat ausfallen, welches dann mittels einer Schlauch- oder Strahlpumpe abgeschieden wird. Je nach Größe der Biogasanlage muss die Gasmesstechnik an unterschiedlichen Stellen eingesetzt werden. Um dem gerecht zu werden, verfügt der Dräger PBA 500x wahlweise über eine (PBA 5001), vier (PBA 5004) oder acht (PBA 5008) Ansaugstellen. Die Stromversorgung erfolgt über das normale 230V-Netz. Aus den Rohrleitungen der Biogasanlage werden die Gasproben über geeignete Verschlauchungen entnommen und den Eingangsventilen des Gerätes über eine Gaspumpe zugeführt. Bei mehreren Kanälen, also Ansaugstellen, werden die Eingangsventile entsprechend der konfigurierten Taktzeiten umgeschalten. Um Fehlmessungen zu vermeiden, wird, bevor das Gas des nächsten Kanals an die Sensorik gelangt, das gesamte gasführende System im Dräger PBA 500x mit Frischluft gespült. Dies trägt zugleich zur Lebensdauerverlängerung der Sensorik bei. Da ein Biogasreaktor sehr träge auf Änderungen im Gärprozess reagiert, müssen keine kurzen Taktzeiten realisiert werden. Die Betreiber benötigen vielmehr ein langfristiges Konzentrationsprofil der Gase, um Optimierungspotenzial für betriebliche Prozesse zu erkennen und umzusetzen. Neben einem eigenen Display verfügt der Dräger PBA500x über Signalausgänge (typischerweise sind dies 4-20 mA-Ausgänge), die auf eine Prozessleittechnik geschaltet werden können. Hier lassen sich die Daten visualisieren, speichern oder anderweitig weiterverarbeiten. Der Dräger PBA 500x Biogasanalyzer eignet sich für den Einsatz im Non-Ex-Bereich. Aufgrund der sehr geringen Gasmengen, die er zur Messung entnimmt, kann es auch im unwahrscheinlichen Fall einer Leckage nicht zur Explosion im Dräger PBA 500 kommen. Der integrierte Lüfter sorgt für eine entsprechend hohe Luftwechselrate zwischen dem Geräteinneren und der Umwelt, sodass kein zündfähiges Gemisch entstehen kann. Die in Biogasanlagen häufig auftretenden Gase Ammoniak und Wasserstoff lassen sich mit dem Dräger-Polytron-7000-Transmitter mit integrierter EC-Sensorik detektieren.
Ex-Schutz und Personenschutz
In einer Biogasanlage entstehen neben Schwefelwasserstoff beträchtliche Mengen an Methan. Für die Ex-Überwachung des leicht entzündbaren Gases, etwa in der Prozessleitwarte, lässt sich der Messkopf des Dräger PIR 3000 einsetzen. Dieser verfügt über einen IR-Sensor zur Überwachung brennbarer Gase und Dämpfe im Bereich 0 bis 100 Prozent UEG und 4-20 mA-Ausgang. Die kontinuierliche Beobachtung der Gaskonzentrationen dient nicht nur der Anlagensteuerung und -sicherung. Auch die Belegschaft muss besonders vor toxischen Gasen gewarnt und geschützt werden. Zur persönlichen Schutzausrüstung der Beschäftigten zählen mobile Messgeräte, die je nach Arbeitspatz in der Lage sein sollten, vor mehreren Gasen zu warnen. Jede Gasmesstechnik benötigt auch eine kontinuierliche Wartung. Außerdem müssen im Notfall schnell Reparaturen durchgeführt werden beziehungsweise Neugeräte beschafft werden können, um längere Betriebsausfälle zu verhindern. Dies verlangt von den Betreibern ein Konzept zur regelmäßigen Wartung und Instandhaltung sowie einen schnellen Zugriff auf Ersatzgeräte – entweder mit eigenen Mitteln oder durch ein entsprechend ausgebautes Servicenetz des Geräteherstellers. Die kontinuierliche Wartung und Instandhaltung sowie schnelle und flexible Hilfe bei Störungen der Gasmesstechnik stellen Servicetechniker von Dräger an deutschlandweit 50 Standorten sicher. Damit lässt sich die Gefahr, dass sich Störungen in der Anlagensteuerung und -sicherung zu längeren Betriebsunterbrechungen auswachsen, minimieren. Weiter führt Dräger Schutzausrüstungen gegen schädliche Gase in der Atemluft in seinem Sortiment. Diese werden in Biogasanlagen in der Regel von externen Anbietern getragen, die bei Störfällen Reparaturarbeiten übernehmen. Die Palette reicht vom leichten Atemschutz, der übelriechende Partikel fernhält, bis zu umluftunabhängiger Atemversorgung bei toxischer Verunreinigung der Luft.
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