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Diffusion durch Membranen
Gasspeichermembranen auf Biogasanlagen bestehen aus Kunststoffen. Diese sind aber nicht 100%ig gasdicht, da immer ein wenig Gas durch die Membran diffundiert.
Diffusion durch Gasspeicherfolien
Der Diffusionsrate ist abhängig:
- von dem Konzentrationsgradienten des Gases an der Innen- und Außenseite, d.h. der Methankonzentration im Behälter und in der Luft. Biogas enthält i.d.R. zwischen 50 und 65 % CH4. Die Konzentration in der Außenluft ist sehr gering und beträgt etwa 1,8 ppm (bzw. 0,00018 Vol%).
- von der Materialeigenschaft der Membran: Je dicker und dichter eine Membran ist, umso geringer ist die Diffusion durch die Folie
- von dem Dehnungszustand der Membran: Je gedehnter die Membran ist, umso dünner ist sie und verliert zudem u.U. an Gasdichtigkeit, wenn sie wieder entspannt ist.
- von der Temperatur: je wärmer es ist, umso höher ist die Diffusion durch die Membran.
Die Diffusionsfähigkeit einer Gasspeicherfolie kann über das „Fick’sche Diffusionsgesetz“ berechnet werden. In die Berechnung des Diffusionskoeffizienten fließen dann die Materialeigenschaften, die Temperatur und die Dehnung (Foliendicke) ein (Abbildung 1).
Überprüfung von Tragluftdächern
Ein Tragluftdach besteht in der Regel aus zwei Folien (Gasmembran und Wetterschutzfolie), die über den Gärbehälter gespannt sind. Über einen Lüfter wird Luft zwischen die beiden Folien geleitet, sodass sich ein Druck aufbaut und die Wetterschutzfolie sich nach oben spannt. Die Gasmembran wird vom Druck im Gasraum nach oben und vom Druck zwischen den Gasmembranen nach unten gedrückt. Daraus ergibt sich je nach Betriebszustand der Biogasanlage (Gasfüllstand) eine Wölbung der Gasmembran, um Biogas zu speichern (Abbildung 2).
Da der Lüfter für das Tragluftdach kontinuierlich Luft zwischen die Gasfolien bläst und am Abluftstutzen (optimal auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters) kontinuierlich Luft entweicht, kommt es zu einer dauerhaften Belüftung des Raums zwischen Gasmembran und Wetterschutzfolie. Eine gewisse Methandurchlässigkeit lässt nicht vermeiden (siehe Einleitung), sodass am Abluftstutzen auch im Normalbetrieb eine geringe Methankonzentration messbar ist.
Der Zwischenraum zwischen Gasmembran und deren äußerer Umhüllung ist gemäß Kapitel 3.5 der TRAS 120 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.“
Hintergrund dieser Anforderung ist, dass zwar eine Methankonzentration aufgrund der Diffusion zu erwarten ist, eine zu hohe Konzentration aber auf eine Leckage in der Gasmembran hinweist.
Im Folgenden wird die Vorgehensweise beschrieben, wie vor Ort eine Überprüfung der zulässigen Diffusion von Methan durch die Membran erfolgen kann.
Vorgehensweise in der Praxis
Vor Beginn der eigentlichen Messung muss die Position des Abluftstutzens oder der Abluftstutzen ermittelt werden.
Kontrolle der Methankonzentration des Tragluftstroms
Die Gaskonzentration im Tragluftstrom wird mit einem Gasmessgerät ermittelt. Dabei ist es wichtig, dass die Konzentrationen im ppm (parts per million) Bereich gemessen werden. Dies kann zum Beispiel mit unserem Gasmessgerät OLLI im Menüpunkt „Prüfung Bauwerk“ erfolgen.
Die Messung kann entweder direkt am Abluftstutzen erfolgen. Alternativ kann, wie auf dem Bild zu sehen, eine Schlauchverbindung von der Ausbläseröffnung am Behälterrand entlang verbaut werden. So kann die Gaskonzentration im Tragluftstrom komfortabel ohne Leiter etc. gemessen werden.
Das OLLI ist ein explosionsgeschütztes, kompaktes Diffusions-Handmessgerät für bis zu fünf brennbare und toxische Gase sowie Sauerstoff in einem extrem widerstandsfähigem 2K-Kunststoffgehäuse mit wiederaufladbarem und explosionsgeschütztem Li-Ionen Akkupaket. Es können bis zu drei Gassensoren verbaut werden (Ex/Ox/Tox). Das Gerät kann optional mit einer Pumpe und Druckmessung ausgerüstet werden. Die Bestückung erfolgt individuell auf Kundenwunsch.
Um die Messung durchzuführen wird im OLLI der Menüpunkt „Prüfung Bauwerk“ genutzt, der speziell im unteren Messbereich bei sehr geringen Konzentrationen (ppm-Bereich) empfindlich reagiert. Hierbei ist es wichtig, den Sensor an frischer Luft einlaufen zu lassen, damit der Nullpunkt korrekt gesetzt wird.
Wie berechne ich die zulässige Methankonzentration?
Um die zulässige Methankonzentration zu berechnen, werden folgende Parameter benötigt:
- Fläche der Gasfolie (in m²)
- Volumenstrom der Luft am Abluftstutzen (in m³/h)
Der Volumenstrom an der Ablufthaube wird einmalig mit einem Anemometer gemessen.
Die Fläche der Gasfolie kann z.B. einfach über einen Kugelabschnitt berechnet werden. Hier werden als Parameter nur der Behälterdurchmesser und die Höhe der Gasfolie verwendet. Die Formel für diese Kugelkalotte ist:
Gründe und Ziele der Strömungsmessung
AGal: Fläche der Folie (Kalotte) m²
r: Radius Behälter [m]
h: Höhe der Gasfolie über Behälterrand [m]
Die maximale Methankonzentration aufgrund der Diffusion wird dann über folgende Formel berechnet:
Um die Berechnung zu vereinfachen, haben wir auf Grundlage dieser Formeln eine Software erstellt, in die nur noch die gemessene Gaskonzentration und die Konstanten der Biogasanlage eingegeben werden müssen. Neben der Bewertung, ob die Gasfolie dicht ist, werden auch noch die sich ergebenden Methanverluste berechnet.
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