Biogasanlagen Anlagenoptimierung im Rahmen von Emissionsmessungen Reinhold Gamisch 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen, Nürnberg, 2.
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- Sabine Gerber
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1 TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Anlagenoptimierung im Rahmen von Emissionsmessungen Reinhold Gamisch 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen, Nürnberg, 2. Dezember 2010
2 Rechtliche Grundlagen - Kurzübersicht Anforderungen an die Messstellen Messtechnik Einfluss von Motorparametern auf die Abgaszusammensetzung Optimierung der Leitparameter CO, NOx Optimierung mittels FTIR Vorteile für Betreiber TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 2
3 Nach dem 22 BImSchG sind immissionsschutzrechtlich nicht genehmigungsbedürftige Anlagen so zu errichten und zu betreiben, dass schädliche Umwelteinwirkungen verhindert werden, die nach dem Stand der Technik vermeidbar sind, nach dem Stand der Technik unvermeidbare schädliche Umwelteinwirkungen auf ein Mindestmaß beschränkt werden und die beim Betrieb der Anlagen entstehenden Abfälle ordnungsgemäß beseitigt werden können. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 3
4 Für immissionsschutzrechtlich genehmigungsbedürftige Anlagen gelten weitergehende Anforderungen. Nach 5 Abs. 1 BImSchG sind genehmigungsbedürftige Anlagen so zu errichten und zu betreiben, dass zur Gewährleistung eines hohen Schutzniveaus für die Umwelt insgesamt schädliche Umwelteinwirkungen und sonstige Gefahren, erhebliche Nachteile und erhebliche Belästigungen für die Allgemeinheit und die Nachbarschaft nicht hervorgerufen werden können; Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen und sonstige Gefahren, erhebliche Nachteile und erhebliche Belästigungen getroffen wird, insbesondere durch die dem Stand der Technik entsprechenden Maßnahmen; TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 4
5 Abfälle vermieden, nicht zu vermeidende Abfälle verwertet und nicht zu verwertende Abfälle ohne Beeinträchtigung des Wohls der Allgemeinheit beseitigt werden; (...) Energie sparsam und effizient verwendet wird. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 5
6 Aktuelle Abgas - Grenzwertvorgaben: BImSchG Grenzwerte definiert in der TA Luft 2002 (1. BImSchVwV vom ) Gilt für genehmigungspflichtige Anlagen nach Anhang 1 der 4. BImSchV (VO über genehmigungspflichtige Anlagen) Feuerungswärmeleistung > 1 MW Definiert den Stand der Technik Messungen in 3 jährigem Turnus TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 6
7 Aktuelle Grenzwerte Die Grenzwerte beziehen sich jeweils auf trockenes Abgas im Normzustand (273 K, 1013 hpa) und 5 Vol.-% an Sauerstoff Gasmotoren < 3 MW Feuerungswärmeleistung Kohlenmonoxid Stickstoffoxide, als NO 2 Schwefeloxide, als SO 2 organische Stoffe Formaldehyd 1,0 g/m³ 0,5 g/m³ 0,35 g/m³ 60 mg/m³ TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 7
8 Aktuelle Grenzwerte Die Grenzwerte beziehen sich jeweils auf trockenes Abgas im Normzustand (273 K, 1013 hpa) und 5 Vol.-% an Sauerstoff Gasmotoren ab 3 MW Feuerungswärmeleistung Kohlenmonoxid Stickstoffoxide, als NO 2 Schwefeloxide, als SO 2 organische Stoffe Formaldehyd 0,65 g/m³ 0,5 g/m³ 0,35 g/m³ 60 mg/m³ TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 8
9 Aktuelle Grenzwerte Die Grenzwerte beziehen sich jeweils auf trockenes Abgas im Normzustand (273 K, 1013 hpa) und 5 Vol.-% an Sauerstoff Zündstrahlmotoren < 3 MW Feuerungswärmeleistung Kohlenmonoxid Stickstoffoxide, als NO 2 Schwefeloxide, als SO 2 organische Stoffe Formaldehyd Gesamtstaub 2,0 g/m³ 1,0 g/m³ 0,35 g/m³ 60 mg/m³ 20 mg/m³ TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 9
10 Aktuelle Grenzwerte Die Grenzwerte beziehen sich jeweils auf trockenes Abgas im Normzustand (273 K, 1013 hpa) und 5 Vol.-% an Sauerstoff Zündstrahlmotoren ab 3 MW Feuerungswärmeleistung Kohlenmonoxid Stickstoffoxide, als NO 2 Schwefeloxide, als SO 2 organische Stoffe Formaldehyd Gesamtstaub 0,65 g/m³ 0,50 g/m³ 0,35 g/m³ 60 mg/m³ 20 mg/m³ TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 10
11 Aktuelle Vorgaben: Für nicht genehmigungspflichtige Anlagen: Feuerungswärmeleistung < 1 MW baurechtliche Genehmigung im Regelfall werden die in der TA Luft 2002 definierten Grenzwerte (Stand der Technik) im Baugenehmigungsbescheid angewandt! z.t. nur einmalige Messungen (Abnahmemessung), im Regelfall jedoch 3 jähriger Turnus TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 11
12 Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) mit Inkrafttreten zum : Im EEG Abs. 5 wird auf die Einhaltung des Emissionsminimierungsgebots nach Nr TA Luft verwiesen. Dementsprechend wird im Beschluss der Bund/Länderarbeitsgruppe Immissionsschutz (LAI) vom 17./ für alle Biogasanlagen die Einhaltung des folgenden Emissionswertes gefordert: Formaldehyd 40 mg/m³ Zudem müssen die im Genehmigungsbescheid genannten Grenzwerte CO und NOx eingehalten werden! Messung jährlich erforderlich TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 12
13 Anforderungen an die Messstelle Die Anforderungen sind in folgender Norm definiert: DIN EN (01/2008) Messung von Emissionen aus stationären Quellen Anforderungen an Messstrecken und Messplätze und an die Messaufgabe, den Messplan und den Messbericht TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 13
14 Diese Europäische Norm enthält Vorgaben zu : - Messtrecken und Gestaltung von Messplätzen - Messaufgabe und Messplanung - Probenahmestrategie - Berichterstattung TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 14
15 Messstrecke und Messquerschnitt: es sollten bereits bei der Planung folgende Punkte beachtet werden: 1. Positionierung so, dass repräsentative Messungen durchgeführt werden können 2. Voraussetzung: Homogene Strömungsverhältnisse 3. Gerader Kanalabschnitt, Abstand zu Einbauten oder Umlenkungen (idealerweise: 5 D Einlauf und 5 D Auslauf) 4. Messquerschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung 5. Besser vertikale als horizontale Kanäle 6. Geeignete Messbühnen, sonst. Infrastruktur TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 15
16 Gestaltung von Messplätzen: Arbeitsfläche / Messbühne Hier hilft die Richtlinie zur Umsetzung von vernünftigen Arbeitsbedingungen am Messplatz Traversierfläche (Freiraum hinter den Messöffnungen) Erreichbarkeit der Messöffnungen Energieversorgung Zugänglichkeit über Treppen Transportmöglichkeit für Geräte Arbeitssicherheit Vorzugsweise innerhalb der Betriebsgebäude, Schutz vor Staub und Hitze ansonsten Wetterschutz, Beheizung u.ä. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 16
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21 Vorbereitung der Messungen Durch den Anlagenbetreiber: Weitergabe der Genehmigungsunterlagen (Bescheide) an das Messinstitut Sicherstellen der festgelegten Betriebsbedingungen Einrichtung der Messplätze, Freilegen der Messöffnungen, ggf. Wetterschutz Einbau geeigneter Messöffnungen (bei Zündstrahlern Staub!) Bereitstellung von Hilfspersonal Eventuell Hinzuziehung des Anlagenherstellers (Kundendienst) TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 21
22 TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 22
23 Durch das Messinstitut: Bereitstellung des Personals Bereitstellung der messtechnischen Ausrüstung Überprüfung, Justierung oder Kalibrierung der Messgeräte Vorbereiten der Probenahmematerialien Bestätigung des Messtermines TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 23
24 Messtechnik Es dürfen nur Verfahren eingesetzt werden, die folgenden Anforderungen entsprechen: Richtlinien über die Eignungsprüfung von Mess- und Auswerteeinrichtungen für kontinuierliche Emissionsmessungen und die kontinuierliche Erfassung von Bezugs- bzw. Betriebsgrößen und zur fortlaufenden Überwachung der Emissionen gemäß der Bundeseinheitliche Praxis bei der Überwachung der Emissionen - RdSchr. d. BMU v Az.: IG I /5 TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 24
25 Die von TÜV SÜD Industrie Service eingesetzten Gerätschaften erfüllen diese Anforderungen! Thema Formaldehydmessungen: Zugelassenes Messverfahren:VDI Liefert zwar keine Werte vor Ort, ist dafür aber spezifisch für CH 2 O! Keine Querempfindlichkeiten! Photometrische Verfahren (Acetylaceton, Pararosanilin) liefern Ergebnisse vor Ort, weisen Querempfindlichkeiten sowie bei der vorliegenden Abgasmatrix Minderbefunde auf. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 25
26 Anhand einiger kontinuierlich erfassbarer Komponenten (CO, NOx) kann ziemlich sicher Vorortprognose über Einhaltung des GW gegeben werden. Sinnvoll: Methanschlupfmessung (geringe Mehrkosten) Kontinuierliche Messgeräte für Formaldehyd - FTIR sind als mobile Einheiten nicht eignungsgeprüft (jedoch als ortsfeste Messeinrichtungen!!) Liefern aber brauchbare Ergebnisse online derzeit läuft Validierung des Verfahrens beim TÜV SÜD im Rahmen einer Bachelorarbeit! TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 26
27 FTIR Messtechnik Aufbau eines Interferometers Ein Interferometer ist ein optischer Aufbau, der dazu dient, Lichtbündel (Wellen) zu trennen, sie räumlich gegeneinander zu verschieben und wieder zu überlagern TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 27
28 FTIR Messtechnik nur eine Lichtquelle, aber Erzeugung verschiedener resultierender Wellenlängen durch Inferferenz TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 28
29 FTIR Messtechnik systematischer Aufbau: TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 29
30 FTIR Messtechnik mit FTIR gewonnenes Spektrum eines Stoffs TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 30
31 Anwendungen der FTIR Messtechnik Da alle organischen Stoffe und viele anorganischen Stoffe im IR absorbieren jeder Stoff hat sein spezifisches Spektrum wenn Spektrum bekannt (Bibliotheken) aus gesamtem Spektrum lässt sich über Fouriertransformation der Anteil jedes Stoffes errechnen Aber: grundsätzliche Kenntnisse über Gaszusammensetzung erforderlich! TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 31
32 FTIR Messtechnik. Gasphotometer Gasmet 4000 TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 32
33 TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 33
34 Einfluss von Motorparametern auf die Abgaszusammensetzung Die Abgaszusammensetzung ist von vielen technischen sowie von Umgebungsparametern abhängig TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 34
35 Motoreinstellung Gemisch-Zusammensetzung (fett, mager) Ladedruck Ladelufttemperatur Zündzeitpunkt (Gasottomotoren) Zündölmenge, Einspritzwinkel und Einspritzzeit (Zündstrahlmotoren) Biogaszusammensetzung (CH4-Gehalt) TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 35
36 Umgebungsbedingungen Luftdruck Umgebungstemperatur Luftfeuchte TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 36
37 (Wartungs)zustand des Motors Zylinderkopf (Ventilüberschneidung, Dichtheit der Ventilsitze) Zustand Ladegruppe Zustand Katalysator (Schäden durch thermische, mechanische oder chemische Einflüsse) Zustand der Zündkerzen usw. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 37
38 Optimierung der Leitparametern CO und NOx Kundendienstmonteur erforderlich! CO, NOx relativ einfach zu messen Standardparameter CO sollte möglichst niedrig, NOx möglichst in Grenzwertnähe liegen dann sind Anlagenspezifisch geringe Formaldehydemission zu erwarten CO zu hoch: Gemisch zu mager, Zündzeitpunkt nicht optimal NOx zu hoch: Gemisch zu fett, Ladedruck zu hoch, Bei Anlagen ohne Kat - falls CO nicht optimierbar - ist ein Oxydationskatalysator erforderlich. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 38
39 Zusammenhang Leitparameter CO Formaldehyd 60,0 Formaldehyd - CO 50,0 R² = 0, ,0 30,0 20,0 Formaldehyd Linear (Formaldehyd) 10,0 0, TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 39
40 Zusammenhang Leitparameter C-ges Formaldehyd 60,0 Formaldehyd - C-ges 50,0 R² = 0, ,0 30,0 20,0 Formaldehyd Poly. (Formaldehyd) 10,0 0, TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 40
41 Optimierung mittels FTIR Messung von CH4 und Formaldehyd online Durch Änderung der Einstellparameter (wie im vorigen Kapitel): Einfluss auf Formaldehydwert kann sofort festgestellt werden. Nicht zugelassenes Messverfahren, aber gute Korrelation mit Messwerten aus Vergleichsmessungen wurden ermittelt. Die mittels FT-IR ermittelten Formaldehydgehalte liegen über den nasschemisch bestimmten Konzentrationen (bis zu 5 mg/m³), wobei die größte Abweichung bei der geringsten Formaldehydkonzentration zu verzeichnen ist. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 41
42 Vorteil der Optimierung im Rahmen der Messungen Kostenersparnis geringerer Aufwand anstatt komplette Wiederholungsmessung Bei Einsatz FTIR zwar höhere Kosten für Messtechnik, aber direkte Aussage über Formaldehydkonzentration möglich Eventuelle Schäden an Motor/Kat können vor Ort aufgedeckt werden TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 42
43 Anhand der kontinuierlichen Formaldehydmessungen zeigt sich, dass keine Verringerung der Formaldehydemissionen zu erreichen ist, ohne dass andere Parameter (Wirkungsgrad, Stickoxide bis Grenzwerteinhaltung) verschlechtert werden. Eine Möglichkeit die Formaldehydemissionen positiv zu beeinflussen, ist beim Gasmotor z.b. die Anfettung des Gemisches (Erhöhung der Stickoxidemissionen). TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 43
44 Durch eine Verstellung des Zündzeitpunktes in Richtung spät können sowohl die Formaldehyd- als auch die Stickoxid- Emissionen verringert werden. - Dies führt zu einer Wirkungsgradverschlechterung (Brennstoffmehrverbrauch von 10 bis 13%). - Die Abgastemperaturen im Auslasskanal erhöhen sich dadurch im Vergleich zu der Einstellung beim maximalen Wirkungsgrad um bis ca. 150 C, was eine erhöhte Belastung des Motors (Lebensdauer) zur Folge hat. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 44
45 Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit TÜV SÜD Industrie Service GmbH Edisonstraße Nürnberg Reinhold Gamisch Telefon TÜV SÜD Industrie Service GmbH Biogasanlagen Planen, Errichten, Betreiben / Reinhold Gamisch / 2. Erfahrungsaustausch Biogasanlagen / 2. Dezember 2010 / 45
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