Freitag, Oktober 23, 2020
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Effiziente Biogaserzeugung

Messen-, Steuern- und Regeln auf Biogasanlagen

Dr.-Ing. Jürgen Wiese

Die Optimierung von landwirtschaftlichen und industriellen Biogasanlagen gewinnt in jüngster Zeit zunehmend an Bedeutung, u.a. aufgrund der steigenden Rohstoffpreise für nachwachsende Rohstoffe bzw. fallender Entsorgungserlöse für organische Reststoffe. Der Einsatz moderner Mess- und Automationstechnik ist ein wesentlicher Ansatzpunkt für die Effizienzsteigerung von Biogasanlagen. 

Was ist Messen, Steuern und Regeln?

Messen
Aufgabe des Messens ist die experimentelle Bestimmung quantitativ erfassbarer Größen zur Beurteilung der Eigenschaften, Funktion, Qualität und Zuverlässigkeit bestimmter Stoffe.

online = Messen direkt im Prozess
  = quasi in Echtzeit
  = (quasi-)kontinuierlich
offline = Messen im Labor o.ä.
  = mit (erheblicher) Zeitverzögerung
  = nur (un-)regelmäßi

Steuern und Regeln
Die gezielte Beeinflussung eines Prozesses mit dem Ziel, eine oder mehrere chemisch-physikalische und biologische Größen (z.B. pH, Temperatur) auf einen gezielten Sollwert zu bringen.

Warum Messen, Steuern und Regeln auf Biogasanlagen? 
Die meisten Biogasanlagen sind intransparente Systeme! 

Bild FW-Gas-Wiese-1.jpg 

Konsequenz: Blackbox-Systeme lassen sich nur schwer analysieren und optimieren!

• Für jeden der vier Teilschritte der Biogaserzeugung sind unterschiedliche Bakterienstämme verantwortlich.

• Der Anaerobprozess wurde von der Natur über viele Hundert Millionen Jahre optimiert. Wie viele spezialisierte Organismen reagieren auch anaerobe Bakterien oft sensibel auf Milieu-Änderungen:

  • Änderung des pH-Wertes
  • Änderung der Temperatur
  • Zu hohe Konzentrationen bestimmter Stoffe (z.B. organische Säuren)
  • Suboptimale Nährstoffverhältnisse
  • Zu niedrige Konzentration bestimmter Stoffe (z.B. Spurenelemente)
  • Starke Belastungsschwankungen

• Das Wachstum anaerober Mikroorganismen ist relativ langsam. D.h. im Falle einer ernsthaften biologischen Störung kann es 2 bis 3 Monate dauern, bis der Prozess wieder auf voller Leistung ist.

Beispiel: Vergleich einer 500 kW-NaWaRo-Biogasanlage mit 70 bzw. 90 % Wirkungsgrad

  Einheit  Anlage A
(suboptimal) 
Anlage B
(Beispiel) 
Auslastungsgrad  70  90 
Energieproduktion pro Jahr  kWh  3.066.000  3.942.000 
Einnahmen (Strom) pro Jahr  EUR/a  487.500  627.000 
Differenz = Mindererlös  EUR/a    + 139.500 

Fehlende Prozessüberwachung kann teuer werden, besonders wenn es zum Versagensfall kommt und die Biogasanlage längere Zeit still steht!

Antriebskräfte für den Einsatz von MSR-Technik

1. Immer mehr größere Biogasanlagen werden gebaut.
2. Zunehmender Druck durch Finanzinstitute und Versicherungen
3. Zunehmender Kostendruck wegen steigender Substratkosten (NaWaRo) bzw. sinkender Entsorgungserlöse (Kofermente)
4. Probleme werden zunehmend komplex:
• Maximierung der Energieproduktion → Erhöhung Einnahmen
• Minimierung der Eingangsstoffen → Reduzierung Ausgaben
• Viele verschiedene Inputstoffe → Nutzung von Marktchancen
• Minimierung der Betriebsrisiken → Hohe Anlagenverfügbarkeit 

Was kann auf Biogasanlagen zurzeit gemessen werden?

Flüssig-/Festphase

Füllstand (Behälter, Reaktionsräume) → online möglich
Durchfluss (Beschickung, Reaktionsräume) → online möglich
Temperatur (Reaktionsräume)  → online möglich
pH-Wert (Beschickung, Reaktionsräume) → online möglich
LF-Wert (Beschickung, Reaktionsräume) → online möglich
Redox (Reaktionsräume) → online möglich
TS-Konz. (Beschickung, Reaktionsräume) → online möglich
Konz. org. Säuren (Reaktionsräume) → offline
NH4-N-Konz. (Reaktionsräume) → offline
Säurekapazität (Reaktionsräume) → offline

Gasphase (Biogas)

Zusammensetzung (CH4, CO2, O2, H2S + ggf. H2, NH3)  → online mögl. 
Volumenstrom  → online mögl.
Gasfüllstand  → online mögl.
Gasdruck  → online mögl.

Beschickung

Art (Substrattyp)  →  offline/online
Volumen / Gewicht  →  offline/online

Maschinen und Apparate 

Betriebszustand (Betriebsstatus, Wartungsintervalle)  → online mögl.
Energieverbrauch / Leistungsaufnahme  → online mögl.

Was ist bei der Auswahl von Messgeräten zu beachten? 

Problematische Messbedingungen
• inhomogene Vielstoffgemische → prinzipiell schwierig zu messen
• Schmutzstoffe (z.B. Fette) → ggf. kurze Reinigungsintervalle
• Zopfende und verstopfende Inhaltsstoffe → ggf. kurze Reinigungsintervalle
• Störstoffe → Querempfindlichkeiten
• Schadstoffe → z.B. H2S-Elektrodenvergiftung von pH-Sonden
• Ggf. Ex-Schutz-Problematik 

Konsequenz: robuste Messtechnik auswählen! 

Online- versus Offline-Messtechnik
• Welche Messintervalle benötige ich, um den Prozessverlauf adäquat nachbilden zu können?
• Welche Messgenauigkeit benötige ich, um den Prozessverlauf adäquat nachbilden zu können?
• Wie ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen online- und offline-Messtechnik (Investitions- und Betriebskosten)?
• Lassen sich online-Messgeräte (problemlos) nachrüsten?
• „Nur“ Messgerät oder Grundlage für Steuerungs- und Regelungsstrategien? 

Mögliche andere Entscheidungskriterien
• Ist eine einfache Anbindung an die Automationsebene der Biogasanlage möglich?
• Sind ausreichende Reserven auf der Automationsebene vorhanden?
• Digitalisierung der Messtechnik:
• Digitale Messgeräte bieten andere Möglichkeiten bezüglich vorausschauender Wartungskonzepte, Fehleranalyse etc. als analoge Messgeräte.
• Durch digitale Messkonzepte lassen sich ggf. Investitionskostenvorteile erzielen (z.B. nur noch eine Controllerplattform) 

Was ist bei der Auswahl von Messpunkten zu beachten? 

Mögliche Kriterien
• Wie aufwändig ist die Wartung der Messgeräte an der entsprechenden Stelle? (z.B. Zugänglichkeit)
• Wie (finanziell und technisch) aufwändig/riskant ist der Einbau eines Messgerätes an einer bestimmten Stelle? (z.B. Spannbeton)
• Ist die Messstelle repräsentativ für den Prozess?
• Ex-Schutz-Problematik? (ggf. deutlich höhere Kosten)
• Kann ich es mir finanziell und vom Personalaufwand her leisten, in jedem Reaktionsraum zu messen oder kann ich mit einem Messgerät mehrere Reaktionsräume beproben?
• Art des Messverfahrens: in-situ, on-site, berührungslos … 

Was ist auf der Automationsebene zu beachten? 

• Der intensive Einsatz von Steuerungs- und Regelungstechnik setzt das Vorhandensein automatisch manipulierbarer Maschinen und Apparate voraus! (z.B. Automatikschieber)
• Beim Bau einer Biogasanlage sollten bereits Reserven auf der Automationsebene eingeplant werden, sodass Messgeräte ohne größeren Aufwand nachgerüstet bzw. Steuerungs- und Regelungskonzepte implementiert werden können!
• Nach Möglichkeit sollten auf der Automatisierungs- und Visualisierungsebene Standardschnittstellen vorhanden sein! 

Wie hoch sind die Kosten für Messtechnik? 

Bild FW-Gas-Wiese-2-1.jpg
pH/Redox (≈ 1.000 €)
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TS-Sensor
(ab 3.000 €)
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Biogasanalyse
(≈ 6.000 €)
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Gasfüllstand,
Füllstand
(je < 1.000 €)
Bild FW-Gas-Wiese-2-4.jpg
Biogasdurchfluss
(≈ 2.500 €)
Bild FW-Gas-Wiese-2-6.jpg
IDM (≈ 2.000 €)
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Autom. Titrator
(≈ 4.000 €)
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TS-Labor (< 2.000 €)
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Leitsystem(Softw.)
(< 15.000 €)
 

Praxisbeispiel: SBW Biogas Lelbach
Bild FW-Gas-Wiese-3.jpg

Beispiel: BGA Lelbach (Lageplan) 
Bild FW-Gas-Wiese-4.jpg

Beispiel: BGA Lelbach (Lageplan)
Bild FW-Gas-Wiese-5.jpg


Beispiel: BGA Lelbach (Eingangsstoffe)

Bild FW-Gas-Wiese-6-1.jpg
Fahrsilo
Bild FW-Gas-Wiese-6-2.jpg
Lagertank für Gülle
Die Anlage wurde konzipiert zu Verwertung verschiedener Nachwachsender Rohstoffe:

• Rindergülle (≈ 15 t/d)
• Maissilage und GPS (25 – 30 t/d) (TS = 28 %)
• Sudangras (< 1 t/d)
• Hühnertrockenkot (< 1 t/d)
• Getreide (Roggen, CCM, Raps) (<< 1 t/d)
• Zuckerrüben (1)
• Futterrüben (1)

(1)saisonaler Ersatz für Getreide und Maissilage

Beispiel: BGA Lelbach (Prozessleitsystem)

Bild FW-Gas-Wiese-7-1.jpg  • Modernes Prozessleitsystem (WinCC 6.0)
• Programmierschnittstellen (VBA, C-Script)
• Standardschnittstellen (Active-X, OLE, OPC)
• Datenbankschnittst. (SQL, ODBC, OLE-DB)
• Leistungsfähige Speicherprogrammierbare Steuerung (S7)
• Digitaler Prozessbus (PROFIBUS-DP)
• Fernwirktechnik (mobil und drahtgebunden) und Störmeldekonzepte 
Bild FW-Gas-Wiese-7-2.jpg 

Beispiel: BGA Lelbach (Pumpstation) 

Bild FW-Gas-Wiese-8-1.jpg  • voll automatisiert
• Messgeräte:
• Durchfluss (MID)
• pH-Sonde
• Redox-Sonde
• TS-Sonde
• …

  „Spinne“: Durch Nutzung dieser Konstruktion kann jeder Reaktionsraum mit nur einem Satz Messgeräte mehrmals am Tag überwacht werden.

Bild FW-Gas-Wiese-8-3.jpg

Bild FW-Gas-Wiese-8-2.jpg 

Beispiel: pH, Redox und Gasdurchfluss 
Bild FW-Gas-Wiese-9.jpg

Beispiel: TS-Messung 
Bild FW-Gas-Wiese-10.jpg 

Beispiel: BGA Lelbach (Feststoffdosierer 1)

Bild FW-Gas-Wiese-11-1.jpg  • Container (68 m3) mit Schubboden und
Auflösewalze
• Vertikale und horizontale Schnecken
• Erprobtes System für Maissilagen, Gras,
Sudangras, Hühnertrockenkot und Getreide
• Quasi-kontinuierliche bedarfsgerechte Fütterung von Fermenter und Nachgärer möglich
• Messgeräte (Auswahl):
• Wägezellen
• Energieverbrauch
• Nah-Infrarot-Spektrometer (NIRS)

Bild FW-Gas-Wiese-11-3.jpg

Bild FW-Gas-Wiese-11-2.jpg 

 

Beispiel: BGA Lelbach (Feststoffdosierer 1) 

Bild FW-Gas-Wiese-12.jpg

Beispiel: BGA Lelbach (Feststoffdosierer 2)

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Bild FW-Gas-Wiese-13-2.jpg

• Maschine zum Waschen/Zerkleinern (Ø < 2 cm) von
größeren Feststoffen
• Anwendung: Zucker-/Futterrüben, Kartoffeln o.ä. 
Bild FW-Gas-Wiese-13-3.jpg

Beispiel: BGA Lelbach (Fermenter/Nachgärer)

Bild FW-Gas-Wiese-14-1.jpg

Bild FW-Gas-Wiese-14-2.jpg

• 1 x Tauchmotorrührwerk
• 1 x Großflügelrührwerk
• Messgeräte:
• Füllstand (Flüssigkeit)
• Füllstand (Gas)
• Überfüll-/Schaumwächter
• Temperaturmessungen
• Energieverbrauch 
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Beispiel: BGA Lelbach (Biogas)

Bild FW-Gas-Wiese-15-1.jpg

Bild FW-Gas-Wiese-15-2.jpg

• Durchflussmessung
• Gaszusammensetzung
• Methan (CH4) (IR)
• Kohlenstoffdioxid (CO2) (IR)
• Sauerstoff (O2) (EC)
• Schwefelwasserstoff (H2S) (EC)
• Überwachung der Ex-Zone im Gebäude

Bild FW-Gas-Wiese-15-3.jpg

EC = Elektrochemisch
IR = Infrarot-Absorption 

Beispiel: BGA Lelbach (Sonstige Messdaten)

• Zahlreiche Daten über das BHKW: Drehzahl, Gastemperatur, Temperatur in jedem einzelnen Zylinderkopf, …
• Zahlreiche Daten über die Stromerzeugung: Blindarbeit, Wirkarbeit, cos φ, …
• Zahlreiche Daten über Stromverbrauch: Rührwerke, Antriebe, Frequenzumformer, …
• Zahlreiche Temperaturdaten: Heizkreisläufe, Wärmetauscher, Fermenter, Nachgärer, Wärmemengenzähler
• Lückenlose Dokumentation: Status, Laufzeiten, Schaltzahlen etc. für Pumpen, Rührwerke, Antriebe, Schieber etc. 

Beispiel: BGA Lelbach – Betriebsergebnisse
Bild FW-Gas-Wiese-16.jpg

Tabelle: Betriebsdaten der BGA Lelbach (Vergleichswerte nach FNR, 2005 bzw. Hessen, 2006)
(M = Medianwert, MW = Mittelwert, B = Bandbreite) 

Betriebskenngröße  Einheit  Lelbach  Vergleichswert 
Stromproduktion zu Eingangsstoffen  kWh/tinput   251  M: 150 
Eigenenergieverbrauch (Biogasanlage)  7,7 B: 3-14 r, MW: 8 
Stromproduktion pro m3 Biogas  kWh/m3Biogas  2,08  B: 1,4-2,4 
Methanproduktion zu Reaktorvolumen  m3CH4/(m3R×d)  1,21  B: 0,3-1,1;
MW: 0,74 
Motor-Auslastungsgrad (bezogen auf 530 kW)  95,1 MW: 62,0 
Abbaugrad der Eingangsstoffe  76,9  MW: 61,5 

Anmerkungen: Berechnungen und Vergleichsdaten analog den Studien „Ergebnisse des Biogas-Messprogramms“ (FNR-Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2005) bzw. „Biogas in Hessen“ (HMUlRV, 2006)

 
Beispiel: Photometrische Schnelltests

Bild FW-Gas-Wiese-17-1.jpg Bild FW-Gas-Wiese-17-2.jpg
Messplatz
Investkosten: < 10.000 €
Bild FW-Gas-Wiese-17-3.jpg
Eingabe der offline-Messwerte als Führungsgröße für Leitsystem möglich!

Beispiel: Automatische Titratoren

Bild FW-Gas-Wiese-18-1.jpg Autom. Titrator(ca. 4.000 €)
Bild FW-Gas-Wiese-18-2.jpg
Eingabe des offline-Messwertes als Führungsgröße für Leitsystem möglich!

MSR-Anwendungen
• Bilanzen für Energie (Strom, Wärme) und feste, flüssige und gasförmige Stoffe sind möglich.
• Automatisierung und Anlagensteuerung sind auf einem sehr hohen Niveau möglich.
• Lückenlose Dokumentation des Anlagenbetriebs (inkl. der Störungen).
• (Quasi-)kontinuierliche Überwachung wichtiger Betriebs- und Prozessparameter.
• Andere wichtige Betriebsparameter (z.B. hydraulische Verweilzeit) können automatisch kalkuliert werden.

(Zukünftige) MSR-Anwendungen
• Zahlreiche wichtige Daten für
• ein technisches, ökonomisches und ökologisches Controlling and Benchmarking,
• Entscheidungsunterstützende Systeme,
• (anlagenweite) Echtzeitsteuerung/-regelung,
• Künstliche Intelligenz-Anwendungen und
• (anlagenweite) Computermodellierung.
• „Virtuelle Kraftwerke“: virtuelle Kombination von Biogasanlagen und ggf. anderen Erneuerbaren Energien (z.B. Wind) ® Bündelung von Energieproduktionskapazitäten

Zusammenfassung und Fazit
• Der Einsatz umfangreicher Messtechnik macht aus dem „Black-Box-System“ Biogasanlage ein „Gray-Box-System“.
• Ziel: die Anlagenverfügbarkeit und den Auslastungsgrad auf einem möglichst hohen Niveau zu halten.
• Der Stand der Mess- und Prozessleittechnik erlaubt bereits heute eine high-level Automation. Es sind technisch nahezu beliebig komplexe MSR-Konzepte realisierbar.
• Messgeräte müssen gewartet und kontrolliert werden!
• Eine Analytische Qualitätssicherung der online-/offline- Messgeräte ist wichtig, besonders wenn die Messtechnik die Grundlage für Steuerungen und Regelungen ist.
• Die Betreiber von Biogasanlagen müssen entsprechend geschult bzw. für mögliche Probleme sensibilisiert werden!

Autor:
Dr.-Ing. Jürgen Wiese
GKU
Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbH
Heinrichstraße 17/19
36037 Fulda

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