Fanalmatic. Dr. Födisch Umweltmesstechnik AG

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1 Netzwerk INNOGAS Fachtagung Herstellung von Biomethan aus Biogas Messtechnik für die Biogas- Biomethaneinspeisung zur Überwachung für die Einspeisung in das Netz der öffentlichen Gasversorger Biogasfachtagung 1 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

2 Gliederung 1. Einleitung 1.1 Kurzinformation zur Fanalmatic GmbH 1.2 Wirtschaftsfaktor Biogasnutzung 2. Rahmenbedingungen der öffentlichen Gasversorger zur Biomethaneinspeisung 2.1 Liefer- und Systemgrenzen bei der Netzeinspeisung 2.2 DVGW Regelwerk zur Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz Anforderungen Gasbeschaffenheit Gasbegleitstoffe Abrechnung 3. Messtechnische Verfahren zur Gasanalyse und Qualitätsüberwachung von Biogas / Biomethan bei Netzeinspeisung 4. Aussichten Biogasfachtagung 2 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

3 1.1 Kurzinformation zur Fanalmatic GmbH Fanalmatic Gesellschaft für Umwelttechnik und Industrieautomation mbh Weltweit bieten wir Realisierung von E-MSR Komplettanlagen, Montage, Baustellenleitung, Wartungs- und Servicedienstleistungen Unser Unternehmen ist seit über 15 Jahren erfolgreich bei der Realisierung komplexer Steuerungs-, Überwachungs- und Leitsysteme tätig. Mit unserem Leistungsspektrum betreuen wir national und international Kunden aus den Branchen Chemische Industrie Rohstoffwirtschaft und Aufbereitung Wasser-, Abwassertechnik Reinraumtechnik Umwelttechnik Fördertechnik Mediensysteme Wesentlich schätzen unsere Kunden den Sachstand, dass Sie durchgängig Alles aus einer Hand erhalten. PROJEKTIERUNG PROGRAMMIERUNG FERTIGUNG MONTAGE INBETRIEBNAHME Biogasfachtagung 3 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

4 Leistungsprofil des Unternehmens Engineering Leistungen Basic Engineering Langjährige Erfahrungen, Systemdenken und Innovationsfähigkeit ermöglichen uns den Anforderungen u. a. in der Anlagendimensionierung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Entwurfsplanung gerecht zu werden Detail Engineering Umsetzung der Ergebnisse des Basic Engineering der Gewerke Elektro-, Analyse- und Steuerungstechnik Montage Engineering Bestandsaufnahme von bestehenden EMR Mess Montageplanung ( Basic u. Detail ) Vorbereitung von Montage TÜV - Abnahmen und Steuerkreisen sowie Leitsystemen PROJEKTIERUNG PROGRAMMIERUNG FERTIGUNG MONTAGE INBETRIEBNAHME Biogasfachtagung 4 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

5 Leistungsprofil des Unternehmens Realisierungsleistungen ( auszugsweise ) Errichtung von kompletten Messwarteneinheiten Niederspannungsschaltanlagen Bedien- und Beobachtungsschränke Steuerpulte Bus System Einheiten Inbetriebnahme und Einstellung von Geräten und Signalkonvertern EMR Schaltschrankbau PLS und SPS Steuerschränke Mess- und Regelschränke mit Fließbildern Bus Systeme und Rangierverteiler Analysetechnik Einrichtung kompletter industrieller Analysentechniksysteme Analysentechnikschränke EMR Feldmontagen bis 1000 V Inbetriebnahmen Hard- und Softwareleistungen für SPS Steuerungen, Leitsysteme Erstellung sämtlicher Prüfprotokolle Einstellarbeiten an messtechnischen Ausrüstungen Aus- und Weiterbildung Lehrlingsausbildung ( Prozeßleitelektroniker ) Seminare Praktika Objektspezifische Schulungen Betreuung von Diplomarbeiten PROJEKTIERUNG PROGRAMMIERUNG FERTIGUNG MONTAGE INBETRIEBNAHME Biogasfachtagung 5 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

6 Umweltmeßtechnik AG 100% an der 40% an der 67% an der 100% an der 75% an der DFU Service GmbH Offenbach a.m. Anbieter für Montage-, Wartungs- und Serviceleistungen an Messgeräten und -systemen zur Emissionsund Prozessüberwachung sowie Erbringung von Umweltdienstleistungen GIBA Gesellschaft für Ingenieurbau, Bauwerksinstandhaltung und Anlagenmanagement mbh Markranstädt Anbieter für Planungs- und Dienstleistungen in Ingenieur- und Leitungsbau, Umwelt- und Landschaftsplanung, Anlagenund Betriebsmanagement Peter Nitschke Dosieranlagen und Service GmbH Markranstädt Anbieter für technische Ausrüstungen und Dienstleistungen im Wasser- / Abwasserbereich Fanalmatic Gesellschaft für Umwelttechnik und Industrieautomation Weißandt-Gölzau Anbieter für elektrische und elektronische Steuer- und Automatisierungsanlagen einschließlich Prozessvisualisierungen IMASYS Gesellschaft für Integrative Mess und Automationssysteme mbh Markranstädt Anbieter von Ingenieurdienstleistungen, Wartungs- und Serviceleistungen Biogasfachtagung 6 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

7 Emissionsmessanlagen nach TA Luft, 13./17./27. BImSchV Prozess und Analysenmesstechnik Forschung / Entwicklung Services Beratung Projektierung Engineering Fertigung (Schaltschränke, Analysencontainer) Montage Inbetriebnahme Betreuung After-Sales- Staubkonzentrationsmessgeräte und Filterwächter Messgeräte für Abgasgeschwindigkeit/ Abgasvolumenstrom Geruchsmesstechnik Analysenmesstechnik für Prozessgase Kontinuierliche Staubmesstechnik Kontinuierliche Geruchsmesstechnik Messtechnik für Abgasrandparameter Geräte nach Kundenwunsch Versuchsanlagen Wartung und Service incl. Rufbereitschaft für Emissionsmessanlagen Genehmigungsverfahren nach BImSchG Umweltverträglichkeitsuntersuchungen Ingenieurdienstleistungen und Optimierungsuntersuchungen an Industrieanlagen 56% 13% 5% 26% Biogasfachtagung 7 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

8 1.2 Wirtschaftsfaktor Biogasnutzung Eigendynamik - Biogas, derzeit läuft der wirtschaftliche Schub durch das Multitalent BIOGAS ungebremst weiter nach oben. Das zeigt sich nicht nur durch die von den Fachverbänden prognostizierten Wachstumsraten von bis zu 30 % pro Jahr, sondern auch ganz konkret im praktischen Bereich der Bestell- und Lieferfristen von Ausrüstungen ( BHKW, Transformator, u.a.) Weiterhin sind die verstärkten nationalen als auch internationalen Aktivitäten in den Biogasapplikationen Biogas / Biomethan Einspeisung in Erdgasnetze Biogas als Kraftstoff ein Zeugnis für den ernstzunehmenden Wirtschaftsfaktor Biogasnutzung. So ist auch u.a. die Selbstverpflichtungserklärung der deutschen Gaswirtschaft zur Beimischung von Biomethan im Kraftstoffsektor durch den Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft (BGW), bis % und bis % des an den Tankstellen verkauften Erdgases durch Biomethan ( Biogas in Erdgasqualität) zu ersetzen. Diese Indikatoren geben konkrete Hinweise auf die zukünftige Entwicklung der Biogasnachfrage. Durch die Aufbereitung und Einspeisung von Biogas erhält man einen flexiblen und einfach transportierbaren Energieträger der unabhängig vom Ort der Produktion, anderen Orts für verschiedenste Zwecke (Stromerzeugung, Wärmebereitstellung, Prozessenergie, Kraftstoff) eingesetzt werden kann. Biogasfachtagung 8 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

9 Zu den Vorteilen einer über Biomethan darstellbaren hohen Energienutzungseffizienz, bedingen sich auch Rahmenbedingungen. So unterliegt die Überwachung der Basis - Produktgaszusammensetzung nicht, wie z.b. die Überwachung von Emissionen, speziellen rechtlichen Vorschriften und Gesetzen. Dadurch, dass die Überwachung der Biogaszusammensetzung nicht rechtlich gefordert wird, gibt es auch keine Mindestanforderungen für Messgeräte für diesen Zweck. Das Resultat ist, dass zur Zeit teilweise Messsysteme Verwendung finden, die diesen Namen nicht verdienen. Empfehlenswert ist somit bereits die Überwachung der Basis - Produktgaszusammensetzung in einer hohen Qualität zu sichern. Eine Orientierung wären hier die Mindestanforderungen, die im Bereich von Emissionsmesstechnik schon seit vielen Jahren gültig sind und zum Teil auf das DVGW Regelwerk abgeleitet werden können. Zum Beispiel wären das u.a.: Die Abweichung der Istwerte von den Sollwerten der Gerätekennlinie hat nicht mehr als ± 2 % des jeweiligen Anzeigebereiches zu betragen Verfügbarkeit der Messeinrichtungen muss in der Eignungsprüfung 95 % erreichen Die Mess- und Auswerteeinrichtungen müssen in der Lage sein, einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung ihren jeweiligen Betriebszustand (Betriebsbereitschaft, Wartung, Störung) über Statussignal mitzuteilen Die Messeinrichtungen sollen eine Vorrichtung besitzen, die eine automatische Aufzeichnung von Null- und Referenzpunkt in regelmäßigen Abständen ermöglicht. Mehrkomponenten-Messeinrichtungen müssen die Anforderungen für jede Einzelkomponente, auch bei Simultanbetrieb aller Messkanäle, erfüllen Biogasfachtagung 9 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

10 2. Rahmenbedingungen der öffentlichen Gasversorger zur Biomethaneinspeisung Die technischen Mindestanforderungen für die Auslegung und den Betrieb dezentraler Erzeugungsanlagen zur Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz der öffentlichen Gasversorger begründen sich ausschließlich auf die Arbeitsblätter der DVGW ( Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.v.) In den nachfolgend aufgezeigten Liefer- und Systemgrenzen bei der Einspeisung von Biomethan sind mit der Errichtung der Gasbeschaffenheitsmessanlage grundsätzlich folgende Anforderungen darzustellen Anforderungen an die Gasbeschaffenheit Gasbegleitstoffe Anforderungen an die Abrechnung Anforderungen an die bauliche Ausführung Allgemeine Angaben des Einspeisers an den Netzbetreiber Die öffentlichen Gasversorger behalten sich in der Regel die Errichtung und Betriebsführung der Gasdruckregel- und Messanlage zur Übernahme von Biomethan vor. Die Anlagen werden durch den öffentlichen Gasversorger geplant, errichtet und an den Biomethan - Einspeiser verkauft. Die Betriebsführung wird durch den Gasversorger erbracht und muss durch den Biomethan- Einspeiser getragen werden Biogasfachtagung 10 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

11 2.1 Liefer- und Systemgrenzen bei der Netzeinspeisung Schema einer Biogasanlage Qualitätssicherung durch BGM06 der Dr.Födisch UMT AG Analyse der Gaszusammensetzung im Roh- und Reingas CO 2 Messung von H 2 S, CH 4,,O 2 und biol. Trockenmasse z.b. Roggen, Mais, Grünschnitt... Nachgärbehälter mit Gasspeicher Fermenter Gasanalyse (Rohgas) Flüssige Co-Fermente Vorgrube/ Güllelager Mist, Gülle, Feststofflager Gärrückstandslager Gasanalyse (Reingas) Einspeisung Erdgasnetz BHKW (Einspeisung Stromnetz) Biogasfachtagung 11 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

12 Verdichter Kontinuierliche Qualitätsmessung Reingas Konditionierung optional CH 4 / H 2 O / H 2 S / CO 2 Biomethan Biogasaufbereitung -DGE DVGW Regelwerk G260 Gasbeschaffenheit Biogasanlage - Erzeugung Biogasfachtagung 12 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

13 2.2 DVGW Regelwerk zur Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz Anforderungen Gasbeschaffenheit Grundlage für die Beschaffenheit von Gasen aus regenerativen Quellen ist das DVGW- Arbeitsblatt G 262. Soll das hergestellte Biomethan in das öffentliche Gasnetz eingespeist werden, so muss das Gas den Anforderungen des DVGW-Arbeitsblattes G 260 insbesondere der 2. Gasfamilie entsprechen. Diese umfast methanreiche Gase aus natürlichen Vorkommen, das sind Erdgase, synthetische Erdgase sowie deren Austauschgase. Eine Unterteilung erfolgt entsprechend Wobbe Index in die Gruppen L low und H high. Die brenntechnischen Kenndaten wie Heizwert, Brennwert, Dichte, Wobbe Index, Anschlußdruck müssen denen des Gases im Netz entsprechen. Hier ist zu beachten, dass die erforderliche Durchmischung des eingespeisten Biomethan im Erdgasnetz nicht in jedem Fall gewährleistet ist. Das bedeutet, einzelne Abnehmer könnten vollständig mit Biomethan versorgt werden. Somit muss das aufbereitete Biogas unbedingt dem Netzgas entsprechen Anforderungen Gasbegleitstoffe Der Gesamtschwefelgehalt Jahresmittelwert darf max. 30 mg/m³ betragen, kurzzeitig 150 mg/m³. Der Schwefelwasserstoffanteil darf 5 mg/m³ nicht überschreiten. Der Sauerstoffgehalt in trockene Netze darf maximal 3 Vol.-% bzw. maximal 0,5 Vol.-% bei Einspeisung in feuchte Netze betragen. Der Kohlendioxidgehalt darf maximal 6 Vol.-%, der des Wasserstoffs max. 5 Vol.-% nicht überschreiten. Der Wassergehalt darf nicht mehr als 50 mg/m³ betragen. Biogasfachtagung 13 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

14 2.2.3 Gasabrechnung Wesentlich regelt das Arbeitsblatt G 488 die Messverfahren zur Gasabrechnung nebst Probenahme und Aufbereitung. Die Gasmenge und der Brennwert des Gases müssen mit geeichten Messinstrumenten gemessen und registriert werden. Dabei muss der Stundenlastgang mit hierfür zugelassenen Geräten aufgezeichnet werden. Ist damit zu rechnen, dass die Konzentration bestimmter Komponenten, wie z.b. H 2 S, O 2 oder CO 2, überschritten wird, so ist die Konzentration dieser Komponenten kontinuierlich zu überwachen. Bei Ausfall eines der Messinstrumente muss durch den Einspeiser sichergestellt werden, dass die Anlage automatisch in den sicheren Zustand gefahren wird bzw. durch Ersatzgeräte eine Absicherung erfolgt. Es ist in jedem Fall sicherzustellen, dass keinerlei schädliche Auswirkungen auf das nachgelagerte Netz auftreten. Anforderungen zur Einhaltung des Eichrechtes im Rahmen der Systeme des Netzbetreibers sind durch den Einspeiser einzuhalten. So darf sich aus eichrechtlichen Gründen im Abrechnungszeitraum der Brennwert des eingespeisten Gases i.d.r. um nicht mehr als 2 % vom Abrechnungsbrennwert unterscheiden, siehe DVGW-Arbeitsblatt G 685. Biogasfachtagung 14 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

15 DVGW Regelwerk G260 Gasbeschaffenheit Gasbeschaffenheitsmessanlage (GBM) nach G488 Brennwertmessung Mengenmessung Netz der öffentliche Gasversorgung Druckregelung Probenahme Aufbereitung Odorierung nach G280-1 Errichtung und Betriebsführung öffentlicher Gasversorger Biogasfachtagung 15 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

16 3. Messtechnische Verfahren zur Gasanalyse und Qualitätsüberwachung von Biogas / Biomethan bei Netzeinspeisung Das Betreiben einer modernen Biogasanlage ist ohne die kontinuierliche Kontrolle der Gasmatrix kaum noch denkbar. Durch die Kenntnis der Gaszusammensetzung kann der Betreiber die Effizienz seiner Anlage steigern und Fehlentwicklungen zeitnah entgegenwirken. Mit dem Biogas-Monitor können gleichzeitig bis zu 4 Gaskomponenten kontinuierlich gemessen werden. Die Basisversion sieht eine Messung von CH 4 und CO 2 mittels Infrarotzelle sowie O 2 und H 2 S mit einer elektrochemischen Zelle vor. Technische Daten (auszugsweise) Nachweisgrenzen: < 2% des jeweiligen Messbereiches Nullpunktkorrektur: Automatisch Kleinste Messbereiche CO Vol% CH Vol% H 2 S ppm O Vol% Der Einsatz ist in der Prozessüberwachung und optimierung im Rohgasbereich und im Reingasbereich zur Überwachung und Steuerung der Biogasaufbereitungsanlage möglich. Biogasfachtagung 16 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

17 Infrarot Meßverfahren Jedes Gas absorbiert Licht von unterschiedlicher Wellenlänge. Beim Infrarot-Meßverfahren wird Licht im infraroten Bereich in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Ein Strahl, der Meßstrahl, wird durch das zu messende Gas geleitet. Ein Teil des Lichtes wird absorbiert und verliert somit an Intensität. Die Intensität des zweiten Teilstrahls, des Referenzstrahls, wird direkt gemessen. Die Differenz der Intensitäten von Meßstrahl und Referenzstrahl ist proportional zur Gaskonzentration. Infrarotabsorptionsverfahren, Absorption von nicht dispersiver IR-Strahlung Strahler: gepulste Strahlungsquelle Strahlungsempfänger: Mehrfachpyrodetektor Biogasfachtagung 17 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

18 Schematischer Aufbau einer elektrochemischen Zelle Prinzip der Brennstoffzelle Der Sauerstoff wird an der Grenzschicht Kathode/Elektrolyt Umgesetzt; der resultierende Strom ist der Sauerstoffkonzentration proportional. Biogasfachtagung 18 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

19 Gasbeschaffenheitsmessanlagen nach G488 GBM werden an Ein-/ Ausspeisestellen oder an repräsentativen Stellen im Gasnetz eingerichtet. Die GBM bestehen im wesentlichen aus Probenahmeeinrichtung mit Probenahmesonde, - leitung, Druckreduzierung (Probesammler nur bei Misch- und Pendelzonen) Aufbereitung Probegas (Entfernung von Gasbegleitstoffen) Messung der Kenndaten Gasabrechnung Brennwertmeßverfahren Verbrennugskalorimeter Gaschromatographische Verfahren Messung des Wobbe-Indexes Biogasfachtagung 19 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

20 Gaschromatographische Verfahren Der Gaschromatograph (GC) ist ein Analysengerät, das nach dem Prinzip der Gaschromatographie zur Bestimmung von chemischen Verbindungen in Stoffgemischen verwendet wird. Ein konstantes Volumen des Gases wird mit.einem geeignetem Trägergas der Trennsäule zugeführt. Am Ausgang der Trennsäule erzeugt ein Dedektor für jede aufgetrennte Komponente ein mengenabhäniges Signal, das unter Berücksichtigung von Faktoren die Grundlage zur Berechnung des Brennwertes ist. Prozeßgaschromatographen beinhalten alle Arbeitsgänge von der Kalibrierung, Probenahme bis zur Ausgabe der Meßwerte und werden von einem Rechner gesteuert. Beispiel: Multifunktionellen Gaschromatographen NGC8200 (ABB) Die Gasprobe wird aus dem Rohrleitungsstrom entnommen, zum Analysator geleitet, gegebenenfalls hinsichtlich vorhandener Partikel und der Phasenhomogenität aufbereitet und in das chromatographische Modul eingeleitet, wo die Komponententrennung und die Peak- Erkennung stattfinden. Der NGC8200 analysiert jede Probe mittels anerkannter chromatographischer Techniken. Durch Erweiterungen hinsichtlich z.b. Durchfluss- und Temperaturbestimmung kann der NGC8200 zu einem Gesamtenergiegerät aufgerüstet werden. Die Standardberechungen umfassen: Heiz- und Brennwert ; Relative Dichte ; Wobbe-Index Eine Brennwertbestimmung ist auch durch Messung des Wobbe-Indexes und gleichzeitiger Messung der Normdichte möglich. Biogasfachtagung 20 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

21 Brennwertmessung Das Messwerk des EMC 500 ermittelt in kontinuierlicher Messung Brennwert-Heizwert Normdichte und Wobbezahl von Erdgas Kernstück des EMC 500 sind zwei thermische, gasartenabhängige Sensoren, mit denen die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Viskosität des Gases gemessen werden. Da diese Größen in einem weiten Bereich eine Funktion des Brennwertes darstellen, ist es möglich, aus diesen Messwerten den Brennwert und den Heizwert zu berechnen (korrelatives Messverfahren). Die Normdichte wird über den Druckabfall an einem Strömungswiderstand bestimmt, der CO -Anteil im Gas wird mit einem Infrarot-Sensor gemessen. Neben der Messung zu Abrechnungszwecken lässt sich das Gerät auch dort einsetzen, wo zwei Gase gemischt oder binäre Gemische analysiert werden. Das Messgerät EMC 500 ist zugelassen für die eichpflichtige Messung des Brennwerts, der Normdichte und des Kohlendioxid-Anteils von Gasen der 2. Gasfamilie (natürliche Erdgase) gemäß DVGW-Arbeitsblatt G 260. Biogasfachtagung 21 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

22 Gasmengenmessung Der Turbinenradgaszähler TRZ 03-L ist ein Strömungsmesser, der für eichpflichtige Gasmessungen eingesetzt werden kann. Die durchströmende Gasmenge wird in Volumeneinheiten bei aktuellem Druck und aktueller Temperatur (Betriebskubikmeter) in einem mechanischen Zählwerk summiert.der Gasstrom wird auf einen definierten Querschnitt eingeschnürt und treibt ein koaxial gelagertes Turbinenrad an. Die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades, die dem Durchfluß proportional ist, wird durch ein Getriebe untersetzt und auf das mechanische Rollenzählwerk übertragen. Am mechanischen Zählwerk sitzt ein Reedkontakt (oder ein induktiver Sensor), der niederfrequente Impulse liefert, deren Anzahl dem geflossenen Betriebsvolumen proportional ist. Der Turbinenradgaszähler TRZ 03-L ist von der PTB für eichpflichtige Gasmessungen zugelassen und vom DVGW geprüft Biogasfachtagung 22 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

23 4. Aussichten Kosteneinsparung, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Flexibilität werden heute und in der Zukunft die Prämissen für innovative multifunktionelle Messsysteme sein. Onlineüberwachung und hohe Verfügbarkeit bei bester Messgenauigkeit mit einem mehrmonatigen Betrieb ohne Kalibrierung. Die integrative Zusammenarbeit der Messysteme mit selbstoptimierender und diagnostizierender Prozesssteuerungen z.bsp. Leistungsgesteuertes Fütterungsregime bei Biogasanlagen, wird in der Zukunft die Produktgasqualität und die Optimierung der Methanausbeute / Wirkungsgrade bestimmen Biogasfachtagung 23 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006

24 Vielen Dank für Ihr Interesse! Literaturverzeichnis [1] Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft (BGW ) 2006 [2] DVGW-Arbeitsblätter G 260,G262; G488; G280 [3] RMG Meßtechnik GmbH [4] DFU AG Biogasfachtagung 24 Lutherstadt Wittenberg, Oktober 2006