In diesem Blogbeitrag befassen wir uns mit der Analyse des Biogases. Dafür wollen wir uns noch einmal die einzelnen Gaskomponenten, die in einer Biogasanlage entstehen, ins Gedächtnis rufen.
Die beiden Hauptkomponenten sind Methan und Kohlendioxid in einem prozentualen Verhältnis von ca. 50/50. Zu den weiteren Bestandteilen gehören Wasserdampf, Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff. Methan ist die wichtigste Komponente, denn wie schon im vorherigen Blogbeitrag zum Thema Biogas erwähnt, ist Methan die Komponente mit dem größten Nutzen für die Energiegewinnung. Methan verbrennt mit Sauerstoff und wird schadstoffarm zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.
Um eine möglichst gute Qualität des Rohbiogases zu erhalten, können durch entsprechende Maßnahmen die Konzentrationen der unerwünschten Bestandteile des Biogases reduziert werden. Welche Faktoren sich negativ auf das Biogas auswirken und mit welchen Maßnahmen man diesen entgegenwirken kann, wird im nächsten Absatz beschrieben.
Welche Faktoren wirken sich negativ auf die Qualität des Biogases aus?
1. Feuchtigkeit
Die Feuchtigkeit ist grundsätzlich nicht das große Problem. Vielmehr können die Schadstoffe in der Feuchtigkeit bei der Gasverwertung zu Ventil-, Lager- und Leitungsschäden im Bereich des Motors führen. Bei Untersuchungsergebnissen wurden folgende schädliche Inhaltsstoffe festgestellt:
Die angegebenen Werte sind beispielhaft an einer Biogasanlage gemessen und können von Anlage zu Anlage variieren.
Die Menge der im Biogas enthaltenen Feuchtigkeit ist abhängig von der Gastemperatur. Im Fermenter ist das Biogas wasserdampfgesättigt. Wenn man die Temperatur des Biogases absenkt, kondensiert entsprechend ein Teil des Wasserdampfes und kann somit aus dem Gasstrom abgeschieden werden. Die Entfeuchtung des Biogases kann mit Hilfe von elektrischen Kühlaggregaten oder erdverlegten Gasleitungen realisiert werden.
2. Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoff entsteht durch den Abbau eiweißreicher Verbindungen im Substrat. Die Konzentration dieses Gases liegt meistens im Bereich von 0 – 1500 ppm (10.000 ppm entspricht 1 Vol.-%). Zum einen führt diese aggressive Verbindung zur Korrosion von Anlagenteilen. Zum anderen entsteht bei der Verbrennung im BHKW Schwefeldioxid, was wiederum zu Korrosion an den Armaturen und dem Motor führt. Die meisten Hersteller für Blockheizkraftwerke und Heizkessel legen Grenzwerte für Schwefelwasserstoff fest, die zur Vermeidung von Korrosionsschäden nicht überschritten werden dürfen.
Generell gilt: Biogas sollte entschwefelt werden, um die Konzentration möglichst gering zu halten.
Wie kann man Schwefelwasserstoff im Biogas reduzieren?
Möglichkeit 1 – Sauerstoffzufuhr
Durch die Sauerstoffzufuhr in das Substrat ist es möglich Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel umzuwandeln und damit die Konzentration zu senken. Dieses Verfahren ist auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen gängige Praxis. Wichtig bei dieser Methode ist die regelmäßige Überwachung. Das heißt auch am Ende der Fließstrecke sollte eine ausreichende Sauerstoffzufuhr gewährleistet sein, damit die Konzentrationserhöhung durch eine dortige Sulfid-Bildung verhindert wird. Zu hoch sollte der Sauerstoffanteil aber auch nicht sein, da es sonst zu Korrosion von Anlagenteilen kommen kann und die methanproduzierenden Bakterien besser unter Sauerstoffabschluss arbeiten.
Möglichkeit 2 – Eisensulfat
Durch die Zugabe von Eisensulfat entsteht eine Bindung des Schwefelwasserstoffs, was wiederum zur Senkung der Konzentration führt. Grundlage der H₂S-Bindung mittels Eisensalzen ist die hohe Affinität von Eisen gegenüber Sulfiden. Unabhängig davon in welcher Bindungs- oder Wertigkeitsform das Eisen vorliegt, erfolgt bei Anwesenheit von Sulfiden immer die Bildung von Eisensulfid (FeS). Aufgrund der geringen Löslichkeit von FeS können Konkurrenzreaktionen mit anderen Wasserinhaltsstoffen ausgeschlossen werden.
Möglichkeit 3 – Aktivkohlefilter
Das Biogas wird durch eine spezielle Aktivkohle hindurchgeleitet. Die vorwiegenden Bestandteile Methan und Kohlendioxid gehen durch die Aktivkohle. Der Schwefelwasserstoff wird durch eine chemische Reaktion von der Aktivkohle in Schwefel und Wasserstoff umgewandelt und verursacht somit keine Schäden am Motor und sorgt dadurch für einen möglichst störungsarmen Betrieb. Wie lange die Aktivkohle in der Lage ist den Schwefelwasserstoff umzuwandeln, hängt von der Konzentration des H₂S und dem Biogas-Volumenstrom ab.
Messung
Durch hochmoderne Infrarottechnik kann die Messung von sehr geringen Konzentrationen (ppm-Bereich) bis hin zu 100 Vol.-% Methan und CO₂ eingesetzt werden. Durch die elektrochemischen Sensoren für Sauerstoff und Schwefelwasserstoff können auch diese Konzentrationen bestimmt werden.
Folgende Messbereiche werden somit abgedeckt:
Methan: 0-100 Vol.-% CH4
Kohlendioxid: 0-100 Vol.-% CO₂
Sauerstoff: 0-25 Vol.-% O₂ (optional)
Schwefelwasserstoff: 0-2.000 ppm H₂S (optional)
Nach der Auswahl des Menüpunktes zur Biogasmessung beginnt die Sensoreinlaufphase. Sie dauert nur ca. 25 Sekunden und sollte immer in frischer Umgebungsluft erfolgen. Nach der Sensoreinlaufphase zeigt das Gerät die aktuellen Messwerte an. Diese sollten in frischer Luft „0“ sein (Ausnahme O₂ und CO₂). Um exakte Ergebnisse bei der Messung zu erhalten, werden einwandfreie Schläuche und Adapter eingesetzt. Durch gasdichte Verbindungen von der Messstelle zum Messgerät wird verhindert, dass Umgebungsluft die Messergebnisse verfälschen würde. Ein mobiles Gasmessgerät zur Analyse des Biogases verschafft einem die Möglichkeit, Messungen an mehreren Stellen der Biogasanlage durchzuführen. Durch exakte Messungen an ausgewählten Messstellen können Maßnahmen zur Optimierung der Anlage besser beurteilt werden.
Wir wählen verschiedene Messpunkte aus. Die erste Messung führen wir mit unserem GOLIATH an der Über- und Unterdrucksicherung des Fermenters durch.
Eine weitere Messung führen wir vor und nach dem Aktivkohlefilter durch. Sie ist insofern sinnvoll, um die Sättigung der Aktivkohle im Auge zu behalten.
In einem weiteren Blogbeitrag zum Thema Biogas befassen wir uns mit der Lecksuche auf Biogasanlagen und zeigen in dem Zusammenhang unterschiedliche Methoden auf, unter anderem die Ferndetektion mit einer GasCam.