Bei der Vergärung von organischem Müll, Gülle, Klärschlamm oder Pflanzenresten entsteht Biogas, das vielseitig eingesetzt werden kann – sei es als Kraftstoff für Fahrzeuge oder für die Wärme- und Stromerzeugung in Blockheizkraftwerken. Abhängig von der Zusammensetzung der Biomasse erfolgt die Fermentation allerdings sehr unterschiedlich und führt teilweise zu stark schwankenden Betriebsbedingungen.

Für einen dauerhaft stabilen Betrieb und die präzise Prozessführung von Biogas-Anlagen ist die Überwachung aller Einflussgrößen Voraussetzung. Zu den wichtigsten Parametern gehören der Gasdruck in den Fermentern, die Gär-Temperatur und die erzeugte Gasmenge. Besonders die Gasmenge und deren Methangehalt sind entscheidend für den Wirkungsgrad der Anlage und gleichzeitig erste Indizien für Störungen im Fermentationsprozess. Dem kann durch eine veränderte Beschickung mit Biomasse, einer Zugabe von Co-Substraten und einer Anpassung der Gär-Temperatur kurzfristig begegnet werden. Würden diese Parameter nicht überwacht, kann die Biologie im Fermenter „kippen“ und zum Erliegen kommen. Als Konsequenz daraus müsste der komplette Fermenter geräumt und in einem langwierigen Prozess neu angefahren werden. Deshalb ist es wichtig, Methangehalt und Gasmenge ständig zu überwachen.

Die Kombination von Temperatur- mit Durchflussmessung ermöglicht eine präzise Bestimmung des Methangehalts von Bio-, Deponie- und Faulgas sowie die notwendigen Kenn­größen Normvolumen, Heizwert und Wobbe-Index.

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Allerdings bereiten eine hohe Feuchtigkeit mit Kondensat-Bildung, Verunreinigungen im Gas, niedrige Prozessdrücke und die erforder­liche hohe Messdynamik der gängigen Durchfluss-Messtechnik Probleme – insbesondere direkt nach dem Fermenter.

Deshalb gibt es bislang keine Durchfluss-Messsysteme, die unter den spezifischen Prozessbedingungen einer Biogas-Anlage zuverlässig funk­tionieren.

Die spezifischen Anforderungen auf der „nassen“ Seite vor der so genannten Kondensat-Falle sind: Feuchtigkeit, niedriger Druck, hohe Messdynamik, veränderliche Gaszusammensetzung und ein bidirektionaler Durchfluss. Bislang wurde daher oft erst nach der Kondensat-Falle in der gemeinsamen Gas-Sammelleitung mehrerer Fermenter gemessen, auf der „trockenen“ Seite. Der Nachteil: Eine direkte Kontrolle einzelner Fermenter ist nicht mehr möglich. Durchflussmessungen auf der „feuchten“ Seite mit thermischen Massedurchfluss-Messgeräten, Blenden oder Vortex-Zählern waren bis dato aufgrund der besonderen Prozessbedingungen äußerst fehleranfällig oder haben überhaupt nicht funktioniert. Thermische Geräte funktionieren nicht bei hoher Feuchtigkeit und Kondensat-Bildung aufgrund des verfälschten Wärme-Abtrages am Sensor. Ebensowenig können sie bidirektional messen und sind bei veränderlicher Gaszusammensetzung nicht einsetzbar. Blenden- und Vortex-basierte Systeme scheitern wiederum an den geringen Prozessdrücken, an der Kondensat-Bildung und an der bidirektionalen Durchflussmessung.

Mit dem speziell auf die Anforderungen in Biogas-Anlagen hin abgestimmten Durchflusstransmitter Prosonic Flow B200 ist es dagegen seit kurzem möglich, neben dem Gasvolumenstrom auch das darin enthaltene Methan direkt in der Leitung zu bestimmen.

Durchfluss- mit Temperaturmessung kombiniert

Die Bestimmung des Methangehalts basiert auf einer präzisen Messung der Schallgeschwindigkeit im Gas und einer zusätzlichen, im Sensor integrierten Temperatursonde. Damit lässt sich ohne zusätzliche Geräte mit dem Durchfluss auch die Methankonzentration mit einer für diese Prozessgröße hohen Präzision von ±2 % erfassen. Die Kombination von Durchfluss- und Methan-Messung gilt weltweit als einzigartig und eröffnet neue Perspektiven für eine sichere Prozess-Steuerung von Biogas-Anlagen.

Die lückenlose Überwachung von Gasmenge und Gasqualität ermöglicht eine schnelle und gezielte Einleitung von Gegenmaßnahmen bei Störungen im Gärprozess. Das System funktioniert bei niedrigsten Druckverhältnissen von 800 mbar Unterdruck, bei denen herkömmliche Durchfluss-Messsysteme streiken, bis zu einem maximalen Prozessdruck von 10 bar. Da das implementierte Laufzeitdifferenzverfahren bidirektional arbeitet, lassen sich über Gas-Rückflüsse Störungen im Fermentations-Prozess frühzeitig erkennen.

Die Bestimmung von Durchfluss und Methangehalt basiert auf einer Ultraschallmessung mit integrierter Temperaturerfassung.

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Beim Ultraschall-Laufzeitverfahren wird die Durchflussgeschwindigkeit des Biogases mithilfe von zwei gegenüberliegenden Messaufnehmer-Anordnungen erfasst. Diese sind in einem Winkel zueinander angeordnet, so dass ein Messaufnehmer etwas weiter „stromabwärts“ montiert ist als der andere. Die Konstruktion verfügt über keine beweglichen Teile und ragt nicht in das Messrohr, so dass weder Verschleiß noch Druckverluste auftreten. Durch abwechselndes Messen der Laufzeit eines akustischen Signals von einem Messaufnehmer zum anderen lässt sich der Durchfluss ermitteln, da Schall mit der Strömungsrichtung des Gases schneller übertragen wird als gegen die Strömung. Der Volumenstrom resultiert aus sequentiellen Messungen zwischen allen Messaufnehmer-Paaren.

Schallgeschwindigkeit, Temperatur und chemische Zusammensetzung eines Gases stehen in direkter Beziehung zueinander: Mit der Gastemperatur und dem Methan-Anteil steigt die Schallgeschwindigkeit im Biogas. Da das Messgerät sowohl die Schallgeschwindigkeit als auch die aktuelle Gastemperatur präzise erfasst, kann der Methan-Anteil direkt bestimmt und vor Ort angezeigt werden – ohne zusätzliches Messinstrument. Die relative Feuchtigkeit in Biogas beträgt in der Regel 100 %. Somit lässt sich über die Temperaturmessung auch der Wassergehalt ermitteln und entsprechend berücksichtigen.

Die kontinuierliche Methan-Messung ermöglicht eine Optimierung der Fermentation und schützt die Gasmotoren der Blockheizkraftwerke durch die Erkennung der Methan-Untergrenze. Da-rüber hinaus lässt sich über Methan-konzentration und Durchflussmenge die Energiebilanz des Prozesses ermitteln. Dazu berechnet der Durchflusssensor die notwendigen Kenngrößen:

• Normvolumen,
• Heizwert,
• Wobbe-Index.

Eine präzise Bilanzierung/Abrechnung unterstützt der Durchflussmesser durch seine Messgenauigkeit von 1,5 % vom Messwert unabhängig von der Gaszusammensetzung. Die Mess-Ergebnisse der Durchflussmessung sind zudem für jedes Messgerät durch eine Kalibrierung auf akkreditierten (ISO/IEC 17025) Anlagen gesichert und vollständig auf nationale und internationale Standards rückführbar.

Als Zweileiter-Gerät konzipiert, vereinfacht sich die Installation und Systemintegration in bestehende Infrastrukturen, zum Beispiel beim Austausch von Blenden oder Turbinenradzählern.

Autor: Peter Dietrich ist Fachverantwortlicher Durchflussmesstechnik bei der Firma Endress+Hauser in Weil am Rhein.