Aus den vorherigen Beiträgen zum Thema Biogas haben wir gelernt, dass Biogas genau wie Sonnen-, Wasser- und Windenergie zu den regenerativen Energiequellen gehört. Neben nachwachsenden Rohstoffen, wie Mais und Getreide, werden Abfälle aus Privathaushalten, Bioabfälle aus der Landwirtschaft, Mist und Gülle aus der Tierhaltung so wie Speisereste und andere biologisch abbaubare Abfälle aus Unternehmen oder dem privaten Bereich als sogenannte Substrate in einer anaeroben Umgebung (ohne Sauerstoff) durch Bakterien biologisch abgebaut, wodurch Energie entsteht.
Energie als Oberbegriff, weil durch die Verbrennung im Blockheizkraftwerk Strom und Wärme erzeugt werden kann oder durch entsprechende Gasaufbereitung eine Einspeisung in das Erdgasnetz möglich ist. Darüber hinaus kann das entstandene Gärsubstrat auch als Dünger in der Landwirtschaft verwendet werden. Der Methangehalt ist abhängig von der Substratzusammensetzung. Abhängig davon, schwankt dieser zwischen 50 und 75 Prozent. Je höher der Anteil des Methans ist, desto besser eignet sich das Biogas für eine effiziente Wärme- und Stromgewinnung. Konventionelles Erdgas ist ein fossiler nicht unbegrenzt vorhandener Energieträger.
Aufbau Biogasanlage
Effizienz einer Biogasanlage
Entscheidend für die Effizienz einer Biogasanlage ist nicht nur die Substratzusammensetzung, um möglichst viel Methan für die Energiegewinnung zu generieren. Mindestens ebenso wichtig ist eine auf den ersten Blick relativ plausible Voraussetzung. Eine Biogasanlage muss gasdicht sein.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass Methan etwa 25-mal stärker wirkt als Kohlenstoffdioxid. Somit sorgen bereits kleine Mengen für einen großen Treibhauseffekt.
Die zweite negative Auswirkung einer Leckstelle an einer Biogasanlage beschreibt die finanziellen Folgen. Wenn Gas ungehindert in die Atmosphäre strömt, kann es nicht mehr in Energie umgewandelt werden.
Die folgende Grafik zeigt beispielhaft den geldwerten Verlust, der durch das Ausströmen einer gewissen Gaskonzentration am Entlüfter entsteht:
Diese Grafik zeigt den geldwerten Verlust bei einer dichten Gasfolie, bei der die doch sehr geringe Gaskonzentration von 250 ppm, gemessen im Abluftstrom des Behälters, durch die untere Folie des Tragluftdaches diffundiert. Würde eine Berechnung der Mehrkosten des Substrates aufgrund eines Risses in der Folie erfolgen, wären die Kosten weit höher.
Technische Regel für Anlagensicherheit 120 - Biogas
Die TRAS 120 ist ein technisches Regelwerk, welches auf die sicherheitstechnischen Anforderungen auf Biogasanlagen eingeht. Die TRAS120 besagt unter anderem (Auszug):
- dass die Dichtheit von Membramsystemen zu überwachen ist. Anlagen mit einem solchen Membramsystem sind mit einer äußeren Umhüllung zu betreiben, damit eine ständige Überwachung dieses Zwischenraums gewährleistet werden kann. Handelt es sich um ein einschaliges Membramsystem, muss dieses täglich auf mechanische Beschädigungen kontrolliert, mindestens wöchentlich an Stellen wie z.B. dem Behälteranschluss und Revisionsöffnungen der Membrane durch transportable Gasspürgeräte und mindestens halbjährlich mit Hilfe von methansensitiven optischen Verfahren auf Leckagen geprüft werden.
- Eine Prüfung auf Leckagen mittels eines geeigneten, methansensitiven, optischen Verfahrens ist jeweils nach Ablauf von drei Jahren zwischen den Dichtheitsprüfungen durchzuführen.
- Der Zwischenraum zwischen Gasmembran und deren äußerer Umhüllung ist gemäß Kapitel 3.5 zur Erkennung von Leckagen der Gasmembran zu überwachen.
- Eine Stützluftüberwachung hat auf der Lufteinführung gegenüberliegenden Seite zu erfolgen. Der Abluftstrom des Zwischenraums ist auf Leckagen von Biogas zu überwachen. Die gemessenen Werte sind täglich abzulesen und wöchentlich auszuwerten, sofern dies nicht automatisch erfolgt. Die Werte sind zu dokumentieren. Sofern es sich um eine Anlage handelt, die der Störfall-Verordnung unterliegt, hat die Überwachung kontinuierlich zu erfolgen, wobei die Werte aufzuzeichnen sind.
Messgerätetechnik
Um den Anforderungen der TRAS 120 gerecht zu werden, macht eine Überprüfung der Anlage mittels eines methansensitiven optischen Verfahrens in regelmäßigen Zeitabständen Sinn. Bei der Gasvisualisierung mittels Infrarotkamera nutzt man die spezifische Gaseigenschaft organischer Gase in bestimmten Wellenlängenbereichen um besonders viel Wärmestrahlung zu absorbieren. Der Arbeitsbereich der IR-Gaskamera wird durch einen Schmalbandfilter auf einen methanspezifischen Wellenlängenbereich (7,8 µm) eingeschränkt, so dass beim Auftreten von Gasen weniger Strahlung aus dem Bildhintergrund den hochsensiblen lichtsensitiven Focal-Plane-Array-Detektor erreicht. Die hieraus resultierende Temperaturänderung bewirkt einen Photonenfluss. Dieser wird in einem Ausleseschaltkreis in ein digitales Signal umgesetzt und anschließend visuell dargestellt. Auftretendes Gas wird auf dem Display in Form einer Wolke sichtbar. Das aufgenommene Bild wird in Echtzeit dargestellt und lässt sich zur Dokumentation als Filmsequenz abspeichern.
Aus dem dargestellten Zusammenhang wird ersichtlich, dass als Grundvoraussetzung für die Visualisierung eine Temperaturdifferenz des Gases zum Hintergrund erforderlich ist. Da die Kamera über eine thermische Empfindlichkeit von <10 mK (Milli-Kelvin) verfügt, ist diese Bedingung bei Gasaustritten an Biogasanlagen faktisch immer erfüllt.
Gaskameras besitzen keine Strahlungsquelle. Die in der Atmosphäre vorhandene Umgebungsstrahlung wird über ein Infrarotobjekt gesammelt, über ein Bandpassfilter auf die für das Gas charakteristische Wellenlänge begrenzt und von einem gekühlten Sensorarray ausgewertet. Wird von einer Methan-Gaswolke Infrarotstrahlung absorbiert, ist dies über die Kamera in einer Videosequenz zu erkennen.
Visualisierung einer GasCam
Regelmäßige Überprüfung auf Leckagen
Eine weitere Anforderung aus der TRAS120 besagt, dass der Abluftstrom des Zwischenraums einer wöchentlichen Überprüfung auf Leckagen zu unterziehen ist. Dafür werden im Folgenden zwei Möglichkeiten aufgezeigt, um eine unkomplizierte Messung, ohne den Einsatz einer Aufstiegshilfe oder Leiter, zu gewährleisten.
1. Möglichkeit: Messung über Schlauchverbindung am Behälterrand entlang
Wie auf dem Bild zu sehen, wird eine Schlauchverbindung von der Ausbläseröffnung am Behälterrand entlang verbaut. Durch einen entsprechenden Adapter erhält man bei Einsatz eines Gasspürgerätes innerhalb weniger Sekunden die Gaskonzentration des Zwischenraums, die über den Ausbläser austritt.
2. Möglichkeit: Messung mit Industriesonden-Set
Über zusammenschraubbare Sonden ist es möglich das Sondensystem auf bis zu 5 Meter zu verlängern, um vom Boden aus zum einen die Gaskonzentration des Abluftstroms zu messen und zum anderen höher gelegene Stellen, wie beispielsweise ein Tragluftdach auf einer Biogasanlage, auf Leckagen zu überprüfen.
Mit den Informationen zur Lecksuche und der Ferndetektion mit Hilfe einer GasCam möchte ich nun die Blogbeitragsserie zum Thema Biogas vorerst abschließen. Die wichtigsten Bereiche im Zusammenhang mit der Gasmessung auf Biogasanlagen konnten behandelt werden. Angefangen mit dem Personenschutz auf Biogasanlagen, haben wir uns im zweiten Blockbeitrag mit der Analyse, sprich der Messung der einzelnen Gaskonzentrationen des Rohbiogases, befasst. Bei allen Beiträgen haben wir auf Biogasanlagen auftretende Probleme behandelt und versucht diesen Problemen lösungsorientiert entgegenzuwirken. Außerdem wurden Möglichkeiten zur Messung mit Hilfe von Gasmessgeräten aufgezeigt.