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1 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 1 / 14 Wichtige Information! Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen - Qualitätssicherung bei der Erkennung: Gasmengen, Konzentrationen, Bewertung Joachim Clemens 1, Sebastian Kohne 2, Stephan Neitzel 3, Wolfgang Schreier 4 1 bonalytic GmbH, Troisdorf 2 Esders GmbH, Haselünne 3 Systemtechnik Weser-Ems, Ganderkesee 4 RUK Umweltanalytik GmbH, Longuich 1 Einleitung Leckagen an Biogasanlagen emittieren Methan. Dadurch kann es zur erhöhten Explosionsgefahr kommen und der positive Umwelteffekt der Anlagen, aber auch deren Rentabilität, wird reduziert. Leckageortung wird u.a. durch Gasspürgeräte und Leckagesprays durchgeführt, allerdings ist damit das Aufspüren von Leckagen an schwer zugänglichen Bereichen oder komplexen Anlagen schwierig, zeitaufwendig und teilweise nicht möglich. Der Einsatz von speziellen gekühlten IR-Kameras (Methanvisualisierung) stellt erstmals eine effiziente Möglichkeit dar, selbst schwer zugängige Bereiche und komplexe Anlagenteile sicher zu untersuchen. Bei fachgerechter Anwendung stellt die Kamera in Zusammenspiel mit Gasspürgeräten die beste Möglichkeit zur Leckagedetektion dar. Weitere Informationen erhalten Sie auch im Internet unter:

2 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 2 / Messmethoden 3.1 Dichtheitsprüfungen über Druckabfall Eine Möglichkeit zur Dichtheitsprüfung von Behältern ist das Aufbringen von Druck mit anschließender Auswertung des entstehenden Druckabfalls. Ein zu hoher Druckabfall lässt auf eine Undichtheit des Behälters schließen. Zusätzlich wird oft versucht die undichten Stellen über Rauch zu visualisieren. Da die Biogasanlagen nur mit einem sehr geringen Druck beaufschlagt werden können (meist nur ein bis drei mbar), ist der Temperatureinfluss auf den Druck so hoch, dass eine Aussage auf Dichtheit nur abgeschätzt werden kann. Der Einsatz von Rauch zeigt nur sehr große Leckagen. Diese Art der Dichtheitsüberprüfung kann nur vor Inbetriebnahme durchgeführt werden. 3.2 Dichtheitsprüfung über Leckagespray / schaumbildende Mittel Vermutliche Leckstellen werden mit schaumbildenden Mittel besprüht. Das Entstehen von Gasblasen lässt Leckstellen erkennen. Diese kostengünstige Methode kann nur bei leicht zugänglichen Anlagenteilen durchgeführt werden. Aber die meisten Leckstellen sind mit schaumbildenen Mitteln nicht zu erreichen. Eine Anlagenüberprüfung mittels Leckagespray ist sehr Zeit aufwendig. 3.3 Dichtheitsprüfung über Gasmessgeräte / Gasspürgeräte Über ein Messgerät, welches Gas über verschiedene Verfahren in ein elektrisches Signal umformt, werden Methankonzentrationen gemessen. Dabei können verschiedene Verfahren für die Detektion von Methan verwendet werden: Flammenionisationsdetektor (FID) Halbleiter Katalytische Verbrennung (Wärmetönung)

3 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 3 / 14 Wärmeleitfähigkeit Elektro-Chemisch Messzellen Infrarot-Absorption (Messküvette) Über die Höhe der Gaskonzentration können oft Rückschlüsse auf die Größe des Gasaustritts getroffen werden. Mit geeigneten Hilfsmitteln können teilweise auch schwer zugängliche Anlagenteile erreicht werden (z.b. Langsonde). Manche Geräte können mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet werden (z.b. H 2 S). Problematisch ist, dass die Gaskonzentration immer nur an einem Punkt gemessen wird, so dass das Abgehen aller Anlagenteile sehr Zeit aufwendig ist und auch nicht alle Anlagenbereiche erreicht werden können. Bei Biogasanlagen besteht oft das Problem, dass durch die Luft vagabundierende Gaswolken Messsignale auslösen. Dies kann dazu führen, dass Undichtheiten an falschen Stellen angenommen werden. Außerdem kann es je nach eingesetztem Sensor zu Querempfindlichkeiten mit anderen Gasen kommen. 3.4 Dichtheitsprüfung über Gasfernmessverfahren Mehratomige nichtelementare Gase (z.b. Methan) absorbieren in ganz bestimmten Wellenlängen Infrarotstrahlung. Diese Eigenschaft macht man sich bei Gaskameras oder Lasersystemen zunutze Laser (aktives Verfahren) Lasersysteme emittieren im Infrarotbereich einen Laserstrahl. Die durch Methan hervorgerufene Dämpfung des reflektierten Strahles wird im Gerät gemessen. Dabei wird das Methan zwischen Messgerät und reflektierter Oberfläche gemessen. Somit erhält man ein eindimensionales Messsignal in der Einheit ppm m. Da aber nicht alle Oberflächen auf Biogasanlagen ausreichend reflektieren (z.b. Folienflächen), kann keine zuverlässige Lecksuche durchgeführt werden. Darüber hinaus ist das Messen mit einem Lasersystem ebenfalls Zeit aufwändig: Zum Aufspüren von Leckagen an den Übergängen von Fermenterwand zur Folie fehlen Reflexionsflächen, wenn man vom Erdboden misst, d.h. man muss in Abständen von wenigen Metern auf Höhe des Übergangs Fermenter/Folie steigen, um eine zuverlässiges Messsignal zu erhalten. Außerdem gilt es auch hier vagabundierende Gaswolken zu erkennen und das Ergebnis richtig zu interpretieren.

4 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 4 / Gaskameras (passives Verfahren) Gaskameras besitzen keine Strahlungsquelle. Die in der Atmosphäre vorhandene Umgebungsstrahlung wird über ein Infrarotobjektiv gesammelt, über ein Bandpassfilter auf die für das Gas charakteristische Wellenlänge begrenzt und von einem gekühlten Sensorarray ausgewertet. Wird von einer Methan-Gaswolke Infrarotstrahlung absorbiert, ist dies über die Kamera in einer Videosequenz zu erkennen. Gasaustritte können auch an unzugänglichen Stellen sicher und aus einiger Entfernung erkannt werden. Dadurch, dass komplette Anlagenbereiche betrachtet werden, können mit der Kameratechnik auch vorbeiziehende Gaswolken als solche visualisiert werden. Mit Hilfe der IR-basierten Gasvisualisierung wird eine transparente und archivierbare Bild- und Videodokumentation des Emissionsverhaltens ermöglicht. Trotz des hohen Anschaffungspreises und der notwendigen Erfahrung und Personalqualifikation für die Arbeit mit den Gaskameras hat sich die Überprüfung mit Gaskameras als bisher einzige Möglichkeit zur schnellen und sicheren Überprüfung auf Biogasanlagen herausgestellt, die wirtschaftlich vertretbar ist.

5 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 5 / 14 4 Qualitätssicherung Methanemissionsmessung an Biogasanlagen Erfahrungen aus der Überprüfung von Biogasanlagen zeigen, dass eine optimale IR- Inspektion nur unter Einhaltung verschiedener Randbedingungen möglich ist. Bei Nichtberücksichtigung dieser Einflussfaktoren kann es zu Fehlinterpretationen kommen und das Messergebnis sowohl positiv als auch negativ verfälscht werden. Eine alleinige Beurteilung der Leckage auf Basis der abgeschätzten entweichenden Gasgemenge und den damit verbundenen wirtschaftlichen Verlusten erscheint ebenfalls nicht ausreichend. Vor diesen Hintergründen wurde durch die im Bereich der Gasleckageortung tätigen Unternehmen Esders GmbH, bonalytic GmbH, Systemtechnik Weser-Ems und Umweltanalytik RUK GmbH im Frühjahr 2011 der Arbeitskreis Qualitätssicherung Methanemissionsmessung an Biogasanlagen (kurz QMaB) gegründet. 4.1 Ziel des AK Das Ziel des Arbeitskreises QMaB ist die Entwicklung einer einheitlichen Vorgehensweise mit hohem Qualitätsniveau für die Durchführung solcher Leckagemessungen. Darüber hinaus sollen objektive und transparente Beurteilungskriterien zur Bewertung der nachgewiesenen Fehlstellen erarbeitet werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, da eine sofortige Beseitigung einer Fehlstelle unter Umständen eine größere Klima- und Umweltbelastung darstellt als eine Reparatur bei der nächsten planmäßigen Anlagenrevision. Andererseits müssen aber auch Aspekte des Brand-, Explosions- und Arbeitsschutzes bei der Bewertung ausreichend Berücksichtigung finden. Der AK QMaB hat Anforderungen an die Geräteausstattung, das Messpersonal, das Berichtswesen und an das Qualitätsmanagement definiert (s. auch Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.abbildung 1) um eine qualitativ hochwertige, vergleichbare Aussage des Anlagenzustandes zu gewährleisten Mindestgeräteausstattung Die Mindestgeräteausstattung dient dazu die Leckagen zu visualisieren, diese auf deren Signifikanz einzuordnen und die Rahmenbedingungen zu erfassen:

6 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 6 / 14 gekühlte IR-Kamera <-150 C (Beispiel GasCam: -214 C, FLIR: -196 C) mit Schmalbandfilter für Kohlenwasserstoffe bei ca. 3,3 µm oder ca. 7,8!m, Empfindlichkeit < 25mK (Abbildung 1). Methansensitives Gasspürgerät mit aktiver Probenabsaugung (Pumpenleistung: l/h) Geräte zur Dokumentation der Randbedingungen (Umgebungsdruck, Temperatur, Windgeschwindigkeit) Geräte zur Bestimmung von Volumenströmen (Staurohr, Anemometer) Abbildung 1: Zwei marktgängige Kameras zur Gasvisualisierung Dokumentation Die Dokumentation dient dazu, alle Leckagen nachvollziehbar festzuhalten. Hierfür kann z.b. auf eine Softwarelösung zurückgegriffen werden. Die Dokumentation enthält: Auftraggeber, Messinstitut Randbedingungen: Luftdruck, Lufttemperatur, Windverhältnisse (m/s), Bewölkungsgrad, Niederschlag Beschreibung der Anlage mit Skizze/Fotos Betriebszustand der Anlage (falls möglich: Gasfüllstand, Gasdruck, Lastzustand) Lageplan der gefundenen Leckagen Jede Leckage wird mit Foto und Film (auf Datenträger) dokumentiert Jede Leckage wird mit Hilfe der Bewertungsmatrix bewertet Bewertungsmatrix Die Bewertungsmatrix dient dazu, die Bewertung von Leckagen transparent zu gestalten. Sie enthält Kriterien zum Explosions-, Umweltschutz sowie zur Ökonomie.

7 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 7 / 14 Für jedes Kriterium werden zwischen 0 und 2 Punkte vergeben. Im Anschluss werden die vergebenen Punkte addiert und daraus eine Fehlerklasse (s.u.) abgeleitet. Tabelle 1: Bewertungsmatrix Kategorie 2 (0 Punkte) Kategorie 1 (1 Punkt) Kategorie 0 (2 Punkte) CH 4 (Vol.-%)* < 0,5 >0,5 bis < 2,5 > 2,5 Zugängigkeit Im Regelbetrieb Nur mit mobiler Bühne/Podest nicht erreichbar Aufstiegshilfe Zündquellenabstand Keine Zündquelle vorhanden < 2m < 1m Gefahr möglicher Schadensausdehnung Keine - Vorhanden (z.b. bei Folienschäden) Lage der Exponiert Teilweise exponiert Geschlossener Gasaustrittsstelle (Fermenterdach) (Bühne) Raum (BHKW) Emissionspotenzial (l/h) < 100 < > *: Die Messung erfolgt i.d.r. X cm von der Leckagestelle entfernt, bei Messung mit Langsonden steht hierfür eine spezielle Probenahmesonde zur Verfügung Fehlerklassen und deren Bedeutung Generell gilt, dass jede Leckage unerwünscht ist und zu beheben ist. Allerdings muss der Nutzen mit dem möglichen Schaden bzw. Aufwand abgewogen werden. Eine kleine nicht sicherheitsrelevante Leckage muss nicht zwangsläufig sofort behoben werden. Aber sicherheitsrelevante Leckagen, die eine Explosionsgefahr stark erhöhen und eine Gefahr für das Anlagenpersonal darstellen, müssen umgehend geschlossen werden. Auch wenn die Möglichkeit einer sofortigen Nachbesserung besteht, sollte dies natürlich unabhängig vom geforderten Handlungsbedarf durchgeführt werden (z.b. nachfetten einer Rührwerksverstellung). Ansonsten kann die Reparatur zeitlich mit anderen Wartungsarbeiten zusammengelegt werden. Eine Einordnung findet sich in Tabelle 2.

8 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 8 / 14 Tabelle 2: Richtwerte zur Behebung von Leckagen Fehlerklasse Punkte Behebung 1 < 3 Bei der nächsten routinemäßigen Wartung Innerhalb von 6 Monaten 3 >4 möglichst rasch* *: ist aufgrund der Leckage mit einer erhöhten Personengefährdung und einem erhöhten Explosionsrisiko zu rechnen, ist der Betreiber im Hinblick auf eine sofortige Fehlerbehebung zu informieren Qualifikation des Messpersonals: Zur zuverlässigen Leckageerkennung gehört nicht nur die Messtechnik, sondern auch erfahrenes / geschultes Personal, welches die Messtechnik bedient und die Messergebnisse interpretieren kann. Darüber hinaus sollten die Unternehmen bzw. Personen, die Messungen anbieten, unabhängig sein: Zugelassen sind Prüfunternehmen, die Biogasanlagen hauptberuflich prüfen und hierfür ständig zur Verfügung stehen. Nicht zugelassen sind Unternehmen, die Biogasanlagen bauen, bauen lassen oder vertreiben Alternativ Personen deren Objektivität und Unabhängigkeit als Sachverständiger durch eine beurkundete öffentliche Bestellung und Vereidigung nachweisen können. Personen, die eine Leckagemessung durchführen, weisen die erfolgreiche Teilnahme an dem Kurs Visualisierung von Gaslecken (Infrarottechnik in Theorie und Praxis/Arbeitsschutz/Ex-Schutz/Anlagenkenntnis) nach. Die Unternehmen/Personen nehmen an einem jährlich stattfindenden Expertengespräch und Vergleichsmessungen teil. 5 Erfahrungen des Arbeitskreises 5.1 Leckagen Die Mitglieder des Arbeitskreises haben auf der Basis von etwa 600 Messungen an Biogasanlagen festgestellt, dass auf etwa 80-90% der Anlagen Leckagen auftraten. Die Fehlerquote kann nicht direkt auf die gesamte Anlagenzahl in Deutschland

9 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 9 / 14 übertragen werden, da bei den Untersuchungen überproportional viele Messungen an Anlagen durchgeführt wurden, an denen Leckagen vermutet wurden. In Anlehnung an die definierten Fehlerklassen lassen sich die Leckagen wie folgt einordnen: kleinere Schäden, analog Fehlerklasse 1 ca. 30 % mittlere Schäden, analog Fehlerklasse 2 ca. 45 % große Schäden, analog Fehlerklasse 3 ca. 25 % Häufig angetroffene Fehler aus dem Bereich Wartung: Folienanbindung Seilzugdurchführung Darüber hinaus sprachen etwa 10% der Überdrucksicherungen an bzw. emittierten Biogas. 5.2 Handlungsempfehlung Auch im Normalbetrieb kommt es immer wieder zu Leckagen. Deshalb gilt es, diese frühzeitig zu erkennen und dann eine Wartung durchzuführen. Eine Kombination aus regelmäßiger Eigen- und Fremdkontrolle gewährleistet einen möglichst leckagearmen Betrieb (Tabelle 1) Regelmäßige Eigenkontrolle Die Eigenkontrolle umfasst arbeitstägliche und monatliche Kontrollen. Arbeitstägig wird die Anlagen begangen und die Funktion der Überdruck/Unterdrucksicherung überprüft (Füllstandskontrolle).Monatliche Kontrolle von Seilzugdurchführungen und Wasservorlagen z.b. bei Rührwerkswelle, Überprüfung von Bullaugen auf Bühnen sowie Methankonzentrationsmessung im Tragluftstrom. Für diese Kontrollen wird ein Gasmessgeräte / Gasspürgerät benötigt.

10 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 10 / Regelmäßige Fremdkontrolle Einmal jährlich sollte die Anlage mit Hilfe einer Kamera begangen und eine professionelle Leckageortung durchgeführt werden. Der Ersttermin der Begehung ist nach Inbetriebnahme der Anlage. Zwischentermine können sinnvoll sein z.b nach Öffnen/Schließen von Membrandächern vor Ablauf Gewährleistung bei Auftreten von plötzlichen und nicht erklärbaren Gasgerüchen bei ansteigendem Futtermittelbedarf für gleichbleibende Gasmenge nach Extremwetterereignissen Tabelle 3: Untersuchung auf den Anlagen zur Leckagekontrolle Intervall Eigenkontrolle Fremdkontrolle Arbeitstäglich Begehung der Anlage Sichtkontrolle der Über/Unterdrucksicherungen Monatlich Seilzugdurchführung Bullaugen Tragluftstrom Jährlich Kamerabegehung

11 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 11 / 14 6 Anwendungsbeispiele der Bewertungsmatrix 6.1 Beispiel 1 Leckage: Nicht verschlossenes Verschraubung Kategorie 2 Kategorie 1 Kategorie 0 Bewertung (0 Punkte) (1 Punkt) (2 Punkte) CH 4 (Vol.-%) X 2 Zugängigkeit X 2 Zündquellenabstand X 2 Gefahr möglicher Schadensausdehnung X 0 Lage der Gasaustrittsstelle X 1 Emissionspotenzial (l/h) X 1 Summe 8 Fehlerklasse 3: < 2Punkte: Fehlerklasse 2: 3-4 Punkte: Fehlerklasse 1: > 4 Punkte: geringer Handlungsbedarf mittlerer Handlungsbedarf hoher Handlungsbedarf Bemerkung: In diesem Fall konnte die Verschraubung einfach festgedreht werden und die Leckage war behoben.

12 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 12 / Beispiel 2 Leckage: Dichtband am Dachabschluss undicht Kategorie 2 Kategorie 1 Kategorie 0 Bewertung (0 Punkte) (1 Punkt) (2 Punkte) CH 4 (Vol.-%) X 2 Zugängigkeit X 0 Zündquellenabstand X 0 Gefahr möglicher Schadensausdehnung X 0 Lage der Gasaustrittsstelle X 0 Emissionspotenzial (l/h) X 1 Summe 3 Fehlerklasse 3: < 2Punkte: Fehlerklasse 2: 3-4 Punkte: Fehlerklasse 1: > 4 Punkte: geringer Handlungsbedarf mittlerer Handlungsbedarf hoher Handlungsbedarf

13 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 13 / Beispiel 3 Leckage: Gasaustritt am Bullauge 16,64 % CH 4 Kategorie 2 Kategorie 1 Kategorie 0 Bewertung (0 Punkte) (1 Punkt) (2 Punkte) CH 4 (Vol.-%) X 2 Zugängigkeit X 2 Zündquellenabstand X 0 Gefahr möglicher Schadensausdehnung X 0 Lage der Gasaustrittsstelle X 0 Emissionspotenzial (l/h) X 1 Summe 5 Fehlerklasse 3: < 2Punkte: Fehlerklasse 2: 3-4 Punkte: Fehlerklasse 1: > 4 Punkte: geringer Handlungsbedarf mittlerer Handlungsbedarf hoher Handlungsbedarf

14 Verluste durch Methanemissionen an Biogasanlagen Qualitätssicherung.. Seite 14 / Beispiel 4 Leckage: Loch in der Gasfolie unter dem Tragluftdach (hier abgedeckt) Anmerkung: Das Bild zeigt eine Gasspeicherfolie, die sich im Betrieb unter einer Tragluftfolie befindet. Das austretende Biogas wird mit der Luft des Stützluftgebläses vermischt. Am Austritt aus dem Tragluftdach betrug die Methankonzentration weniger als 0,5%. Kategorie 2 Kategorie 1 Kategorie 0 Bewertung (0 Punkte) (1 Punkt) (2 Punkte) CH 4 (Vol.-%) X 0 Zugängigkeit X 0 Zündquellenabstand X 0 Gefahr möglicher Schadensausdehnung X 2 Lage der Gasaustrittsstelle X 0 Emissionspotenzial (l/h) X 1 Summe 3 Fehlerklasse 3: < 2Punkte: Fehlerklasse 2: 3-4 Punkte: Fehlerklasse 1: > 4 Punkte: geringer Handlungsbedarf mittlerer Handlungsbedarf hoher Handlungsbedarf

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