Prozessoptimierung und Sicherheit auf Biogasanlagen
Eine Analyse der Gaszusammensetzung ist unerlässlich

Gütersloh, 25.05.2023 (PresseBox) - Durch die Nutzung erneuerbarer Energien soll das Portfolio potentieller Energie-Bezugsquellen erweitert und der Ausstoß an klimarelevanten Treibhausgasen verringert werden.

Dabei spielt die Verwendung des Mediums Biogas eine wichtige Rolle. Der Grund hierfür ist neben einer großen Flexibilität auch eine gute Anpassungsfähigkeit des Gesamtsystems sowie die Stabilität im Hinblick auf den Herstellungsprozess. Beispielsweise können verschiedenste Ausgangsmaterialien für den Vergärungsprozess verwendet werden. Die Bandbreite reicht hier von Nutzpflanzen, über verschiedenste Arten von Mist bis hin zu organischen Abfällen, die sowohl von Haushalten (grüne Tonne) als auch von gewerblichen Einrichtungen (Restaurants, Supermärkte etc.) bezogen werden können.

Zusätzlich zu den im vorherigen Abschnitt beschriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen, die vornehmlich mit nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) betrieben werden, entsteht das brennbare Gasgemisch auch in Kläranlagen, Kompostierungsanlagen und auf Deponien. In allen Fällen kann das vorhandene Biogas dazu verwendet werden, um die darin gespeicherte Energie in elektrischen Strom umzuwandeln oder es nach erfolgreicher Aufbereitung und Komprimierung in das Erdgasnetz einzuspeisen, beziehungsweise es als Treibstoff für entsprechend dafür ausgestattete Fahrzeuge zu verwenden. Außerdem kann die im Prozess entstandene Wärme für Wohngebäude, Stallungen und im Nahwärmenetz, sowie anfallende Gärreste als Düngemittel in der landwirtschaftlichen Prozesskette genutzt werden.

Ein großer Vorteil von Biogas als regenerativem Energieträger ist, dass dieses Verfahren weitgehend unabhängig von Witterungsbedingungen und äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Wind oder Sonne ist.

Hergestellt wird Biogas durch einen biochemischen Vergärungsprozess, in dem verschiedene Prozessschritte durchlaufen werden. Im ersten Prozessschritt, der sogenannten Hydrolyse (Verflüssigung) des Substrates, werden langkettige Polymere durch einen chemischen Zersetzungsprozess in einfachere chemische Verbindungen zerlegt. Die so erhaltenen Produkte werden in einem nächsten Schritt (Acidogenese/Versäuerung) unter der Zuhilfenahme von säurebildenden Bakterien unter anderem in organische Säuren (z. B. Essig-, Buttersäure) umgewandelt. Der im Anschluss stattfindende Abbau dieser Reaktionsprodukte (Acetogenese) zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff und die abschließende Methanogenese komplettieren den biochemischen Vergärungsprozess der sich im Inneren eines Fermenters abspielt.

Analyse der Zusammensetzung von Biogas

Um eine Biogasanlage ökologisch, ökonomisch und sicher zu betreiben ist es erforderlich, die exakte Zusammensetzung des produzierten Biogases zu kennen. Neben der Minimierung des Ausstoßes von klimarelevantem Methan kann so auch eine Optimierung des Anlagenbetriebs hinsichtlich der Menge und Zusammensetzung des Substrats sowie der Effizienz beziehungsweise Lebensdauer verschiedener Komponenten (z. B. Verbrennungsmotor) einer Biogasanlage erzielt werden.

Eine solche Analyse des produzierten Biogases kann entweder mit einem mobilen Mehrgasmessgerät oder einer stationären Messvorrichtung durchgeführt werden. Dabei ist entscheidend, dass das verwendete Messgeräte-System den Ansprüchen des zu charakterisierenden Gasgemisches gerecht wird. Es muss also verschiedene Gase mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften (z. B. toxisch, brennbar, korrosiv) über einen großen Konzentrationsbereich nachweisen können.

Bei einem mobilen Mehrgasmessgerät besteht der Vorteil, dass die Zusammensetzung des Biogases an verschiedenen Messpunkten im Bereich der gesamten Biogasanlage bestimmt werden kann. Bei der Mehrzahl der Geräte können die gemessenen Werte für jeden Messpunkt gespeichert werden. Zudem besteht in den meisten Fällen die Möglichkeit, die gemessenen Werte über eine integrierte Schnittstelle auf einen stationären Rechner zu übertragen. Dies ist notwendig, um zum einen die Langzeitentwicklung der einzelnen Komponenten des Biogases zu beobachten und zum anderen anhand der gemessenen Konzentrationen weitere Berechnungen, beispielsweise zur benötigten Menge an Substrat in Abhängigkeit der produzierten Menge an Biogas, durchführen zu können.

Um die Zusammensetzung des Biogases automatisiert in definierten Zeitabständen und an fixen Messpunkten zu bestimmen, empfiehlt es sich eine stationäre Messeinrichtung zu verwenden. Zumeist findet in solchen Geräten neben einer Analyse der Gaszusammensetzung und der automatisierten Speicherung auch eine Visualisierung der Messdaten sowie verschiedene Berechnungen auf Grundlage der aktuellen Gaszusammensetzung statt. Erhebliche Unterschiede zeigen diese Geräte in der Anzahl vorhandener Messstellen, beziehungsweise der Definition, was eine Messstelle in einem solchen Gerät zu leisten im Stande ist. Einige Hersteller definieren eine Messstelle so, dass an dieser Stelle die Konzentration einer definierten Gaskomponente, beispielsweise Methan, des zu charakterisierenden Gasgemisches bestimmt werden kann. In diesem Fall sind also für die Bestimmung der Gaszusammensetzung an einem Messpunkt mindestens vier Messstellen notwendig. Bei anderen Geräten wird an jeder existierenden Messstelle die Konzentration verschiedener Gaskomponenten des Biogases gemessen.

Eine Geräte-Kombination aus stationärer Einheit mit mobilem Mehrgasmessgerät bietet somit die Möglichkeit, Entwicklungen beziehungsweise Veränderungen in der Zusammensetzung des produzierten Biogases anhand der Konzentrationen einzelner Komponenten zu messen, zu visualisieren und auf der Grundlage dieser Messwerte auch den Herstellungsprozess zielgerichtet zu steuern. Mit dem Analysesystem ist sowohl eine Optimierung als auch eine Überwachung einzelner Prozessschritte oder Bereiche einer Biogasanlage, selbst während des Anlagenbetriebs, möglich.

Bestimmung der produzierten Biogasmenge

Neben der Zusammensetzung spielt auch die Menge an produziertem Biogas eine immer wichtigere Rolle für den wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasanlage. Moderne Durchfluss- und Temperaturtransmitter sind in der Lage sowohl die aktuelle Leistung als auch die produzierte Gesamtmenge an Biogas zu bestimmen. Dieses Messsystem verwendet zur Ermittlung der produzierten Menge an Biogas die aktuellen Konzentrationen, die durch die Gasanalyse bestimmt wurden und beinhaltet außerdem eine Kompensation für Feuchte und Temperatur.

Achten Sie auf Eigenschutz

Eine Sache, die auf Biogasanlagen oft unterschätzt wird und bei Nichtbeachtung dramatische Folgen haben kann, ist der Eigenschutz von Betreibern und Mitarbeitern. Für den Personenschutz und andere sicherheitsrelevante Tätigkeiten, beispielsweise das Freimessen von Schächten, sind Geräte am Markt verfügbar, die entweder auf ein bestimmtes Gas kalibriert sind, oder auch parallel die Konzentrationen verschiedener Komponenten des Mischgases bestimmen können. Dabei genügt es, wenn die Gase in Konzentrationen von wenigen ppm vorliegen.

Auch Dienstleister, die in dieser Branche tätig sind, sollten entsprechende Messgeräte vorhalten, um so bei ihrem Einsatz auf Biogas-, Klär- oder Kompostieranlagen beziehungsweise auf Deponien optimale und sichere Arbeitsbedingungen vorzufinden.

Regelmäßige Untersuchung der Biogasanlagen auf Leckagen

Um die Effizienz der Anlage weiter zu steigern und auch um den Ausstoß klimarelevanter Gase wie Methan und Kohlenstoffdioxid auf ein Minimum zu reduzieren, ist es unerlässlich, die gesamte Anlage regelmäßig auf Undichtigkeiten/Leckagen und bauliche Mängel zu überprüfen.

Die Technische Regel für Anlagensicherheit (TRAS120) vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit gibt die sicherheitstechnischen Anforderungen für die Errichtung und den Betrieb von Biogasanlagen vor. In der TRAS 120 finden sich Empfehlung und technische Vorschläge, welche Anforderungen Geräte erfüllen müssen, damit diese bei der Dichtheitsprüfung/Leckagesuche an Biogasanlagen, entlang der gesamten Prozesskette der Biogasproduktion und für alle Anlagenbereiche, eingesetzt werden dürfen.

Die Prüfungen auf Dichtheit aller gasführenden Anlagenteile (Rohrleitungen, Flansche, Übergänge und Abdichtungen) sind vor der Inbetriebnahme der Anlage und danach im Abstand von drei Jahren durchzuführen. Hierbei ist zu beachten, dass dazu nur Personen berechtigt sind, die über die zur Durchführung von Dichtheitsprüfungen an Biogasanlagen geeigneten Fachkenntnisse und geeignete Messgeräte verfügen.

Auch die Dichtheit der Membranabdeckungen von Gärbehältern ist zu überwachen. Bei den Membranabdeckungen unterscheidet man zwischen der ein- und zweischaligen Bauform.

Nach der TRAS 120 müssen bestehende einschalige Membransysteme täglich auf mechanische Beschädigungen kontrolliert werden. Darüber hinaus muss die Leckageprüfung mit einem tragbaren Gasspürgerät mindestens wöchentlich an relevanten Stellen, z. B. am Behälteranschluss, und mindestens halbjährlich mit einem methansensitiven optischen Verfahren erfolgen.

Zweischalige Membransysteme (Doppelmembransysteme) ermöglichen durch die zusätzliche äußere Umhüllung der Gasmembran, eine permanente Überwachung des Zwischenraumes.

Aus dem vorangegangenen Artikel wird ersichtlich, dass es sich bei Anlagen, auf denen Energie in verschiedenster Form aus vorhandenem oder erzeugtem Biogas bereitgestellt wird, um hochkomplexe Systeme handelt.

Nichtsdestotrotz können diese Systeme durch den Einsatz der richtigen Mess- und Prüftechnik so betrieben werden, dass sie ein Höchstmaß an Effizienz erreichen und dabei aktiv zur Minimierung des Ausstoßes klimarelevanter Treibhausgase beitragen.