Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas

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1 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 485 Neues Sensormessverfahren zur Gasbeschaffenheitsmessung von Biogas Joachim Kastner und Torsten Porsch Die Einspeisung von aufbereitetem Biogas in die Gastransportnetze stellt neue Anforderungen an die Gasbeschaffenheitsmessung. Für die amtliche fiskalische Messung wurden daher in jüngerer Zeit neue Gasbeschaffenheitsmessgeräte für Biogas entwickelt und zugelassen, hauptsächlich Prozessgaschromatographen. Der vorliegende Artikel präsentiert eine Untersuchung zu einem neuen Sensormessverfahren, das Potential für ein einfaches, robustes und wirtschaft liches Gasbeschaffenheitsmessgerät für Biogas zeigt. 1. Einleitung Die Energiewirtschaft befindet sich weltweit im Wachstum, insbesondere in den aufstrebenden Regionen wie China, Indien, Brasilien, wo die rasante Entwicklung von Wirtschaft und Lebensstandard zu einem stetig steigenden Energiebedarf führt. Die Globalisierung des Gashandels trägt dem Rechnung und erfordert den Neubau von Pipelines und den Ausbau der Transportkapazität von Flüssiggas (LNG). Neben Wachstum ist die weltweite Energiewirtschaft aber auch von einem fundamentalen Wandel geprägt, dessen Wesen und Dynamik zwar noch regional variieren, aber den folgenden Randbedingungen geschuldet ist: Die fossilen Ressourcen sind grundsätzlich begrenzt, auch wenn immer wieder neue Vorkommen gefunden werden, so steigt doch der Preis ihrer Erschließung. Außerdem fordern die internationalen Klimaschutzziele eine Reduktion der CO 2 -Emissionen und damit eine Dekarbonisierung der Energiewirtschaft, das heißt eine Reduktion des Anteils von fossilem Kohlenstoff durch regenerative Energiequellen wie Sonnen-, Wind- und Bioenergie, aber auch Geothermie. Aktuell kommt eine Diskussion über die Kernenergie hinzu, deren Rolle als CO 2 -freie Brückentechnologie in eine nachhaltige Energiewirtschaft seit den Ereignissen in Japan mehr oder weniger kritisch bewertet wird. Die Gaswirtschaft spielt sowohl beim Wachstum als auch beim Wandel der Energiewirtschaft eine maßgebliche Rolle. Zum einen ist Erdgas derjenige fossile Energieträger mit der geringsten energiespezifischen CO 2 -Emission, zum anderen haben sich die potenziellen Reserven durch neue unkonventionelle Gasvorkommen, wie z. B. Schiefergas (shale gas) erheblich vergrößert. Doch auch was Nachhaltigkeit betrifft ist die Gaswirtschaft gut aufgestellt: Maßgebliche regenerative Energiequellen können mit der bestehenden Gaswirtschaft vernetzt werden. Hier ist zuvorderst Biogas zu nennen, das nach entsprechender Aufbereitung in die Gastransportnetze eingespeist werden kann. In Deutschland wurden in den letzten Jah-

2 Gastransportnetz 486 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt ren bereits etwa 60 solcher Aufbereitungs- und Einspeisestationen er richtet, Tendenz steigend, andere europäische Länder sind im Begriff zu folgen. Ein weiteres noch neueres Energiekonzept sieht vor, überschüssige elektrische Energie aus Wind- und Solarkraftwerken per Elektrolyse in Wasserstoff umzuwandeln, der in begrenzten Mengen ebenso in die Gastransportnetze eingespeist werden kann. In einer Erweiterung dieses Konzeptes wird der Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid, das zum Beispiel aus der Biogasaufbereitung stammt, zu umgewandelt, so dass die Kompatibilität zur bestehenden Gaswirtschaft in noch höherem Maße erreicht wird. Damit stellt sich die Gaswirtschaft als eine attraktive Brückenund Zieltechnologie für die Energiewirtschaft im Wandel dar. All diese Konzepte erfordern eine geeignete Gasmesstechnik, um diese neuartigen Energieströme an den Schnittstellen der Energiewirtschaft gerecht und wirtschaftlich abrechnen und die Produktqualität und Sicherheit gewährleisten zu können. Daraus resultieren neue Herausforderungen für die Gasmesstechnik, insbesondere für die Gasbeschaffenheitsmessung, denn der technologische Wandel betrifft in erster Ordnung die Gasbeschaffenheit. Biogas spielt eine maßgebliche Rolle bei den regenerativen Alternativen zum fossilen Erdgas. Bei seiner Erzeugung, Aufbereitung, Konditionierung und Einspeisung spielt die Kenntnis der Gasbeschaffenheit stets eine wichtige Rolle, um Prozesse zu optimieren, die Produktqualität zu gewährleisten und schließlich die Energieströme abzurechnen. Zur Fermentersteuerung und bei der Gasaufbereitung werden betriebliche Messungen der Gasbeschaffenheit durchgeführt. Die fiskalischen Messstellen und Messaufgaben bei der Biogaseinspeisung sind in Bild 1 illustriert: Das Rohbiogas wird in Biogasproduktionsanlagen (BGPA) erzeugt. Wenn BGPA GQM GVM Systemgrenze Systemgrenze Amtliche fisk. Einspeisemessung (ggf. vor u. nach Konditionierung): CH 4, CO 2, N 2, H 2, O 2, C3, ic4, nc4, H s, ρ n, V n à Energie Produktqualität: zzgl. H 2 S, Taupunkt Fiskalische Messung: CH 4, CO 2, H 2, H 2 O, H s,v n à Energie BGEA BGAA GQM GVM GQM GVM Gaskonditionierung LPG/Luft-Zumischung BGPA GQM GVM Bild 1. Fiskalische Messaufgaben bei der Biogaseinspeisung: Das Rohbiogas wird in der Biogasproduktionsanlage (BGPA) erzeugt und in der Biogasaufbereitungsanlage (BGAA) auf Transportnetzqualität gebracht. In der Biogaseinspeiseanlage (BGEA) erfolgt meist noch eine Konditionierung mit Flüssiggas/Luft. Fiskalische Messaufgaben bestehen bei der Zulieferung des Rohbiogases, falls mehrere Gasproduzenten zuliefern. In jedem Fall wird der Einspeise- Energiestrom in das Gastransportnetz, ggf. vor und nach der Konditionierung, amtlich fiskalisch gemessen.

3 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 487 mehrere Biogasproduzenten ihr Rohbiogas an eine Aufbereitungsanlage liefern, müssen die jeweiligen Energieströme zur Abrechnung erfasst werden, dies erfordert eine fiskalische Volumen- und Gasbeschaffenheitsmessung der Rohbiogase. In der Biogasaufbereitungsanlage (BGAA) wird das Rohbiogas auf Pipelinequalität gebracht, dabei wird der CO 2 -Anteil deutlich reduziert und das Gas gereinigt, damit es die Anforderungen zur Einspeisung in Transportnetze nach den DVGW Arbeitsblättern G260 und G262 erfüllt. In der Biogaseinspeiseanlage (BGEA) wird das aufbereitete Biogas gegebenenfalls durch Zumischung von Flüssiggas (LPG) und/oder Luft konditioniert, um es an die brenntechnischen Parameter des Einspeisenetzes anzupassen. Dabei kann eine schnelle kontinuierliche betriebliche Gasanalyse nötig sein, um die Zumischung genau zu regeln. Schließlich erfolgt eine amtliche fiskalische Messung des rein regenerativen Energiestroms vor der Konditionierung sowie des Einspeiseenergiestroms in das Gastransportnetz. 2. Messtechnik Zur amtlichen fiskalischen Messung von Erdgas stehen verschiedene, von der PTB zugelassene Messgeräte zur Verfügung. Es gibt Kalorimeter und korrelative Sensormessverfahren, die auf unterschiedlichen Messprinzipien, wie Infrarotabsorption und Transportgrößen, beruhen. Die höchste Genauigkeit und umfassendste Information über das Gas liefern Gaschromatographen. Abgesehen von Kalorimetern sind diese Erdgasmessgeräte für die Biogasmessung aber nur mehr oder weniger bedingt geeignet, da Biogas signifikante Anteile von Wasserstoff und Sauerstoff enthalten kann, die nicht gemessen werden und die die Messung sogar stören können. In jüngerer Zeit wurden daher verschiedene Gaschromatographen für die amtliche fiskalische Biogasmessung entwickelt und von der PTB zugelassen. Mittel- bis langfristig wären jedoch einfachere und preiswertere Messgeräte zur Biogasanalyse wünschenswert. 2.1 Neues Sensormessverfahren zur Biogasanalyse Der vorliegende Artikel präsentiert eine Untersuchung zum Potenzial des korrelativen Sensormessgerätes gas-lab Q1 für die Analyse von Biogas. Ziel dieses ersten Ansatzes war die Analyse von trockenem Biogas, bestehend aus den Komponenten CH 4, Kohlendixid CO 2, Stickstoff N 2, Sauerstoff O 2, Wasserstoff H 2, ohne Zumischung von Flüssiggas (LPG). Das Messgerät wurde für diese Untersuchung in seinem physikalischen Aufbau nicht verändert, lediglich der Auswertungs-Algorithmus wurde für die veränderte Gaszusammensetzung neu entwickelt. Bild 2 zeigt ein Schema des Messverfahrens: Zunächst wird angenommen, dass das Biogas trocken ist und nur aus den Komponenten CH 4, CO 2, N 2, O 2, H 2 besteht, so dass sich deren Summe zu 100 % ergibt (Normierungsbedingung). Das Sensormesssystem er fasst drei physikalische Eigenschaften des Gases: Zwei Messungen der Infrarotabsorption und eine Messung der Wärmeleitfähigkeit. Die erste IR-Messung erfolgt im Spektralbereich der CO 2 -Absorption um 4200 nm und liefert die Konzentration des Kohlendioxids xco 2. Die zweite IR-Messung liegt im Spektralbereich der Kohlenwasserstoffe um 3400nm und liefert die Konzentration des s xch 4. Allerdings ist diese Spektrallage nicht optimal für die Messung von, da das Messgerät gaslab Q1 für natürliche Erdgase mit höheren Kohlenwasserstoffen optimiert wurde.

4 488 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt Messung Infrarot-Absorption(CH 4 ) Infrarot-Absorption(CO 2 ) Wärmeleitfähigkeit λ Auswertung direkt IR-A(CH 4 ) à xch 4 IR-A(CO 2 ) à xco 2 Trockenes Biogas xch 4 +xco 2 +xn 2 +xo 2 +xh 2 =100% Modellierung λ Modell =F(xCH 4, xco 2, xn 2, xo 2, xh 2 ) Auswertung indirekt λ Modell =! λ Messung à xh 2, x(n 2 +O 2 ) Bild 2. Schema des Sensormessverfahrens zur Analyse von trockenem Biogas bestehend aus den Komponenten CH 4, CO 2, N 2, O 2, H 2. CH 4, CO 2, H 2, (N 2 + O 2 ) à Brennwert, etc. Die gemessene Wärmeleitfähigkeit charakterisiert das Gesamtgasgemisch und liefert an sich keine Aussage über die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente. Aus diesen drei Messgrößen werden nun durch eine korrelative Modellrechnung die Konzentrationen der anderen Gaskomponenten H 2, N 2 und O 2 bestimmt. Hierzu wurde eine Modellrechnung entwickelt, die die Wärmeleitfähigkeit als Funktion aller betrachteten Gaskomponenten CH 4, CO 2, N 2, O 2, H 2 darstellt. Die unbekannten Gaskomponenten H 2, N 2, O 2 werden durch ein iteratives numerisches Lösungsverfahren ermittelt. Hierzu werden die direkt gemessenen Gaskomponenten CH 4, CO 2 in den Modellansatz für die Wärmeleitfähigkeit eingesetzt und die unbekannten Komponenten so angepasst, dass die Modellwärmeleitfähigkeit mit der gemessen Wärmeleitfähigkeit übereinstimmt. Das Lösungsverfahren ist numerisch sehr stabil und führt in der Regel nach zwei bis drei Iterationen zum Ergebnis. Hier muss erwähnt werden, dass Stickstoff und Sauerstoff nur als Summenkonzentration x(n 2 +O 2 ) = xn 2 + xo 2 bestimmt werden können. Wenn diese Komponenten ausschließlich aus der Umgebungsluft in das Gas gelangt sind, kann in guter Näherung eine Verteilung von xn 2 / xo 2 = 4/1 angesetzt werden. Das Verfahren wurde im Labor mit Testgasen ent wickelt und getestet. Ein anschließender Feldtest diente zur Bewertung der Praxistauglichkeit. 3. Laboruntersuchungen Zur Entwicklung des neuen Messverfahrens wurde ein Satz von Prüfgasen definiert und beschafft, der die Bandbreite von Biogasen für die Einspeisung nach DVGW Arbeitsblatt G262 weitgehend abdeckt (Bild 3). Die Prüfgase wurden mit einem handelsüblichen Exemplar des korrelativen Gasbeschaffenheits mess systems gas-lab Q1 vermessen. Die dabei gewonnenen Rohsignale dienten zur Bestimmung der Kalibrierkurven für den neuen Auswertungs-Algorithmus. Bild 4 bis 6 zeigen die Kalibrierkurven sowie die Streuungen der Messpunkte um die Kalibrierfunktionen. Die Stoffmengenkonzentrationen von und Kohlendioxid werden aus den IR-Absorptio-

5 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 489 nen bei den entsprechenden Wellenlängen bestimmt, die Wärmeleitfähigkeit wird aus der Signalspannung des Wärmeleitfähigkeitssensors gebildet. Alle Kalibrierkurven wurden als Polynome 2. Grades an die Messpunkte angepasst. Die Kalibrierfunktion für die konzentration (Bild 4) zeigt einen weitgehend linearen Verlauf, wobei die IR-Absorption über den Messbereich relativ wenig variiert, da die Wellenlänge nicht für, sondern für die höheren Kohlenwasserstoffe optimiert ist. Dennoch liegen die absoluten Abweichungen der Messpunkte in einer Bandbreite von ± 0,2 mol%. Die Kalibrierkurve der Kohlendioxidkonzentration (Bild 5) reicht über einen wesentlich größeren relativen Messbereich und zeigt daher einen deutlich nicht-linearen Verlauf, der aber mit der gewählten Kalibrierfunktion gut beschrieben werden kann. Die absolute Streuung der Messpunkte liegt in einer Bandbreite unter ± 0,1 mol%. Die Kalibrierfunktion des Wärmeleitfähigkeitssensors (Bild 6) ist wieder sehr linear, die relative Streuung der Kalibrierpunkte um die Kalibrierfunktion liegt in einem Band von ± 0,1 %. Die Abszissenausschnitte der Streugraphen in Bild 4 und Bild 5 entsprechen der jeweiligen Eichfehlergrenze für diese Gase. Die Messungen der Prüfgase wurden mit den Kalibrierkurven ausgewertet und die Daten gemäß dem oben beschriebenen Algorithmus weiterverarbeitet, um die Konzentration der indirekt gemessenen Gaskomponenten zu bestimmen. Bild 7 zeigt, dass die absoluten Messabweichungen für Wasserstoff in einem Band von ±5mol% liegen. Der dargestellte Abszissenausschnitt entspricht der Eichfehlergrenze für Wasserstoff. Bild 8 zeigt die absoluten Messabweichungen der Summenkonzentration von Stickstoff und Sauerstoff xn 2 + xo 2, sie liegen in einem Band von ± 0,15 mol%. Der dargestellte Abszissenausschnitt entspricht der Eichfehlergrenze von Stickstoff. Somit sind alle betrachteten und signifikanten Gaskomponenten bestimmt und der Brennwert der Prüfgasgemische kann nach ISO 6976 berechnet werden. Bild 9 zeigt die relativen Messabweichungen des Brennwerts, die in einem Band von ± 0,2 % liegen und damit deutlich unter der Eichfehlergrenze für die amtliche Brennwertmessung von ± 1 %. Die Brennwertbestimmung wird maßgeblich von der messung Gas Min Max CH % 81,486 % 92,977 % 95,996 % 97,494 % 89,449 % 84,986 % 97,997 % 81,486 % 1000 % N 2 00 % 12,010 % 1,002 % 2,055 % 4,015 % 00 % 12,010 % CO 2 00 % 3,000 % 6,021 % 4,004 % 7,894 % 5,004 % 2,003 % 00 % 7,894 % H 2 00 % 0,502 % 2,506 % 99 % 4,991 % 00 % 4,991 % O 2 00 % 3,003 % 0,503 % 1,004 % 00 % 3,003 % Bild 3. Satz von Prüfgasen zur Entwicklung des neuen Sensormessverfahrens. Die Zusammensetzung orientiert sich an der Bandbreite der Gasbeschaffenheit nach DVGW Arbeitsblatt G262.

6 490 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt Stoffmengenanteil xch4 [mol%] 100% 98% 96% 94% 92% 90% 88% 86% 84% Kalibriergase (synthetische Biogase) Bild 4. Kalibrierkurve für die Bestimmung der Stoffmengenkonzentration von aus der entsprechenden IR-Absorption. Absolute Streuung der Messpunkte um die Kalibrierfunktion. 82% 80% 0,252 0,262 0,272 0,282 0,292 0,302 - IR-Absorbance des Kohlenwasserstoffsensors ACH [Absorbance-Einheit] 0,30% Kalibriergase (synthetische Biogase) 0,20% abs. Abweichung [mol%] 0,10% 0% -0,10% -0,20% -0,30% 80% 82% 84% 86% 88% 90% 92% 94% 96% 98% 100% Stoffmengenanteil xch4 [mol%] beeinflusst. Wie oben beschrieben ist die Wellenlänge des IR-Sensors beim Seriengerät des gas-lab Q1 für nicht ideal; hier liegt ein maßgebliches Verbesserungspotenzial des Verfahrens. 4. Feldversuch Das neue Sensormessverfahren für Biogas wurde in einem umfangreichen Feldversuch der E.ON Ruhrgas auf der Biogasanlage Hardegsen getestet. Im Folgenden sei lediglich der Aspekt des neuen Sensormessverfahrens beschrieben. Bild 10 zeigt das Schema der Messanordnung. Als Referenzmessung diente ein Prozessgaschromatograph EnCal 3000 Biogas, der als 3-Strömer konfiguriert war. Der erste Strom maß Rohbiogas vor der Aufbereitung, der zweite Strom aufbereitetes Biogas, der dritte Strom konditioniertes Biogas, wie es ins Transportnetz eingespeist wurde. Das Rohbiogas und das aufbereitete Biogas wurden vor dem Prozessgaschroma-

7 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 491 Bild 5. Kalibrierkurve für die Bestimmung der Stoffmengenkonzentration von Kohlendioxid aus der entsprechenden IR-Absorption. Absolute Streuung der Messpunkte um die Kalibrierfunktion. Stoffmengenanteil Kohlendioxid xco2 [mol%] 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% Kalibriergase (synthetische Biogase) 0% ,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 IR-Absorbance des Kohlendioxidsensors ACO2 [Absorbance-Einheit] 0,30% Kalibriergase (synthetische Biogase) 0,20% abs. Ab weichung [mol%] 0,10% 0% -0,10% -0,20% -0,30% 80% 82% 84% 86% 88% 90% 92% 94% 96% 98% 100% Stoffmengenanteil xch 4 [mol%] tographen mit einem Gaskühler auf einen Taupunkt von 3 C getrocknet. Für alle drei Probengasströme wurde die Restfeuchte vom PGC gemessen und bei der Auswertung berücksichtigt. Das Sensormesssystem schließlich bekam als Probengas das konditionierte Einspeisegas zugeführt. Ein wichtiger Aspekt für die Bewertung der Messergebnisse ist die unterschiedliche Dynamik der Messgeräte. Während der PGC im Betrieb als 3-Strömer jeden Gasstrom nur alle 15 Minuten misst, erfolgen die Messungen des Sensormesssystems etwa ein Mal pro Sekunde. Bei schnellen Änderungen der Gasbeschaffenheit können durch die unterschiedlichen Messzyklen starke Unterschiede in den Ergebnissen beider Geräte auftreten. Die Differenzen können die Größenordnung der Gasbeschaffenheitsänderung über die Messperiode des langsameren Messgerätes annehmen und damit deutlich größer sein als die Messgenauigkeit der Geräte. Die Bilder 11 bis 16 zeigen Messreihen über einen Zeitraum von etwa 16 Tagen. Sie zeigen die Daten des Referenzmessgerätes EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwerte sowie die Daten

8 492 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt Wärmeleitfähigkeit λ [mw/(m K)] Kalibriergase (synthetische Biogase) Bild 6. Kalibrierkurve für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit aus der Spannung des Wärmeleitfähigkeitssensors. Streuung der Messpunkte um die Kalibrierfunktion ,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Signalspannung des Wärmeleitfähigkeitsdetektors UWLD [V] 8% Kalibriergase (synthetische Biogase) 6% 4% rel. Abweichung [%] 2% 0% -2% -4% -6% -8% Wärmeleitfähigkeit λ [mw/m K] abs. Abweichung [mol%] 0,20% 0,15% 0,10% 5% 0% -5% Kalibriergase (synthetische Biogase) Bild 7. Messabweichung der Stoffmengenkonzentration von Wasserstoff xh 2 bei der Messung von Prüfgasen. -0,10% -0,15% -0,20% 0% 1% 2% 3% 4% 5% Stoffmengenanteil Wasserstoff xh 2 [mol%]

9 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 493 Bild 8. Messabweichung der Summenkonzentration von Stickstoff und Sauerstoff xn 2 + xo 2. abs. Abweichung [mol%] 0,20% 0,15% 0,10% 5% 0% -5% -0,10% Kalibriergase (synthetische Biogase) -0,15% -0,20% 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% Stoffmengenanteil Summe Stickstoff+Sauerstoff xn2 + xo 2 [mol%] Bild 9. Messabweichung der Brennwertbestimmung aus den gemessenen Stoffmengenkonzentrationen des Satzes von Prüfgasen. rel. Abweichung [%] 0,20% 0,15% 0,10% 5% 0% -5% Kalibriergase (synthetische Biogase) -0,10% -0,15% -0,20% Brennwert Hs [kwh/m 3 ] Bild 10. Schema des Feldversuchs: Als Referenzmessung diente ein Prozessgaschromatograph EnCal 3000 Biogas, der als 3-Strömer Rohbiogas, aufbereitetes Biogas und konditioniertes Biogas analysierte. Das neue Sensormessverfahren erhielt das konditionierte Einspeisegas. Rohbiogasproduktion Prozessgaschromatograph EnCal 3000 Biogas feuchtes Rohbiogas Gaskühler Biogasaufbereitung (Aminwäsche) aufbereitetes unkonditioniertes Biogas Gaskonditionierung (Luftbeimischung) Sensormesssystem gas-lab Q1 mit Algorithmus für Biogas konditioniertes Biogas Gasdruckerhöhung Einspeisemessung Erdgasnetz (Verdichter) (Prozessgaschromatograph) und Odorierung

10 494 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt des Sensormesssystems als Minuten- und Stundenmittelwerte. Die Minutenmittelwerte des Sensormesssystems (hellblau) illustrieren die starke Dynamik der Gasbeschaffenheit. Der PGC ist als 3-Strömer konfiguriert und bildet die Stundemittelwerte aus nur 4 Einzelmesswerten. Bei starken Gasbeschaffenheitsschwankungen können starke Differenzen zwischen den Messgeräten entstehen, die ein Artefakt der unterschiedlichen Messdynamiken sind und nicht auf die Messgenauigkeit der Messgeräte zurückzuführen sind. Die absoluten Messwerte sind auf der linken Achse skaliert, eine weitere Messkurve zeigt die Differenz der Stundenmittelwerte und ist auf der rechten Achse skaliert. Horizontale Linien markieren die Eichfehlergrenzen (durchgezogen), beziehungsweise die Verkehrsfehlergrenzen (gestrichelt) der jeweiligen Messgrößen. Allen Messreihen gemeinsam ist, dass die Differenzen zwischen Referenzmessung und Sensormessverfahren dann besonders groß sind, wenn die Gasbeschaffenheit stark variiert; besonders auffällig ist dabei der Bild 11 zeigt die Messkurven der Stoffmengenkonzentration von. Die Absolutwerte variieren zwischen 88 mol% und 92 mol%. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen in einem Band von ±0,6 mol%, außer am , sonst überwiegend sogar innerhalb ± 0,3 mol%. Bild 12 zeigt die Messkurven der Stoffmengenkonzentration von Kohlendioxid. Die Absolutwerte variieren zwischen 9 mol% und 12 mol%. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen klar in einem Band von ± 0,3 mol%, außer am Bild 13 zeigt die Messkurven der Stoffmengenkonzentration von Wasserstoff. Die Absolutwerte variieren zwischen 0 mol% und 0,15 mol%, in Spitzen bis 0,2 mol%. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen stets deutlich unter ± 0,1 mol%. Das neue Sensormessverfahren weißt somit auch im Feld eine sehr genaue Wasserstoffmessung auf. Bild 14 zeigt die Messkurven der Summen-Stoffmengenkonzentration von Stickstoff und Sauerstoff. Die Absolutwerte variieren zwischen 3 mol% und 8 mol%. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen in einem Band von ±0,6 mol%, in der Regel innerhalb ± 0,3 mol%. Bild 15 zeigt die Messkurven des Brennwerts. Die Absolutwerte variieren zwischen 9,8 kwh/m 3 und 10,15 kwh/m 3. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen in der Regel in einem Band von ± 0,5 %, in Dynamikspitzen bis 1 %. Bild 16 zeigt die Messkurven der Dichte. Die Absolutwerte variieren zwischen 0,78 kg/m 3 und 0,82 kg/m 3. Die Differenzen zwischen den Messgeräten liegen in der Regel in einem Band von ± 0,5 %, außer in der Dynamikspitze am Fazit und Ausblick Die Einspeisung von aufbereitetem Biogas ins Transportnetz gewinnt zunehmende Bedeutung bei der Reduktion von fossilem Kohlenstoff in der Energiewirtschaft. Für die Gasbeschaffenheitsmessung entstehen daraus neue Anforderungen, da Biogas auch Wasserstoff und Sauerstoff enthalten kann. Die etablierten Erdgasmessgeräte mit PTB-Bauartzulassung sind hierfür nur bedingt geeignet, daher wurden in jüngerer Vergangenheit spezielle Prozessgaschromatographen für die Biogasmessung entwickelt und zugelassen. Die Marktentwicklung der Biogaseinspeiseanlagen lässt erwarten, dass künftig Bedarf an einfachen, robusten und wirtschaftlichen Messgeräten zur fiskalischen Energiemessung bei der Rohbiogaszulieferung und Biogaseinspeisung entsteht.

11 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 495 Bild 11. Messreihe der Stoffmengenkonzentration von xch 4. Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Absolute Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung Stoffmengenanteil xch 4 [mol%] CH 4 Sensorsystem Minutenmittel [mol%] CH 4 Sensorsystem Stundenmittel [mol%] CH 4 GC Stundenmittel [mol%] abs. Abweichung CH 4 [mol%] 1,2 0,9 0,6 0,3-0,3-0,6-0,9 abs. Abweichung [%] auf der rechten Achse. 78-1, Zeit [TT.MM.JJJJ] Bild 12. Messreihe der Stoffmengenkonzentration von Kohlendioxid xco 2. Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Absolute Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung auf der rechten Achse. [mol%] d xco 2 Stoffmengenanteil Kohlendiox CO 2 Sensorsystem Minutenmittel [mol%] CO 2 GC Stundenmittel [mol%] CO 2 Sensorsystem Stundenmittel [mol%] abs. Abweichung CO 2 [mol%] 2 1,2 17,5 0,9 15,0 0,6 12,5 0,3 1 7,5-0,3 5,0-0,6 2,5-0,9-1, Zeit [TT.MM.JJJJ] abs. Abweichung [%] Bild 13. Messreihe der Stoffmengenkonzentration von Wasserstoff xh 2. Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Absolute Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung auf der rechten Achse. ] % [mol xh 2 Wasserstoff Stoffmengenanteil 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 H 2 Sensorsystem Minutenmittel [mol%] H 2 Sensorsystem Stundenmittel [mol%] Zeit [TT.MM.JJJJ] H 2 GC Stundenmittel [mol%] abs. Abweichung H 2 [mol%] 0,8 0,6 0,4 0,2-0,2-0,4-0,6-0,8 abs. Abweichung [%]

12 496 Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt [mol%] xn 2 +xo 2 Summe Stickstoff+Sauerstoff Stoffmengenanteil N 2 +O 2 Sensorsystem Minutenmittel [mol%] N 2 +O 2 GC Stundenmittel [mol%] N 2 +O 2 Sensorsystem Stundenmittel [mol%] abs. Abweichung N 2 +O 2 [mol%] 24 1,2 21 0,9 18 0,6 15 0, ,3 6-0,6 3-0,9 0-1, Zeit [TT.MM.JJJJ] abs. Abweichung [%] Bild 14. Messreihe der Summenkonzentration von Stickstoff und Sauerstoff xn 2.+ xo 2 Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Absolute Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung auf der rechten Achse. Brennwert Hs [kwh/m³] 10,4 10,2 1 9,8 9,6 9,4 9,2 9,0 Hs Sensorsystem Minutenmittel [kwh/m³] Hs GC Stundenmittel [kwh/m³] Hs Sensorsystem Stundenmittel [kwh/m³] rel. Abweichung Hs [%] 2,0 1,5 1,0 0,5-0,5-1,0-1,5 rel. Abweichung [%] Bild 15. Messreihe des Brennwerts. Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Relative Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung auf der rechten Achse. 8,8-2, Zeit [TT.MM.JJJJ] Normdichte rhon [kg/m³] rhon Sensorsystem Minutenmittel [kg/m³] rhon GC Stundenmittel [kg/m³] rhon Sensorsystem Stundenmittel [kg/m³] rel. Abweichung rhon [%] 0,84 2,0 0,82 1,5 0,80 1,0 0,78 0,5 0,76 0,74-0,5 0,72-1,0 0,70-1,5 0,68-2, Zeit [TT.MM.JJJJ] rel. Abweichung [%] Bild 16. Messreihe der Dichte. Referenzmessung mit PGC EnCal 3000 Biogas als Stundenmittelwert sowie Messungen des neuen Sensormessverfahrens als Stunden- und Minutenmittelwert mit Skalierung auf der linken Achse. Relative Differenz der Stundenmittelwerte mit Skalierung auf der rechten Achse.

13 Neues Sensormessverfahren zur Gas beschaffenheitsmessung von Biogas 497 Der vorliegende Artikel stellt ein neues Sensormessverfahren auf Basis des korrelativen Erdgasmessgeräts gas-lab Q1 vor. In diesem ersten Ansatz bestand die Aufgabe in der Analyse von trockenem Biogas, bestehend aus den Komponenten CH 4, CO 2, N 2, O 2, H 2, ohne Zumischung von Flüssiggas (LPG). In Laborversuchen wurde das Verfahren mit einer großen Bandbreite von Prüfgasen getestet. Dabei wurde festgestellt, dass sowohl die Bestimmung der Stoffmengenkonzentrationen, als auch der daraus berechneten Größen Brennwert und Normdichte mit guter Genauigkeit möglich ist. Ein Feldversuch in einer Biogaseinspeiseanlage zeigt den Vergleich zu einem Prozessgaschromatographen EnCal 3000 für die Biogasmessung. Auch unter Praxisbedingungen erreicht das neue Messverfahren eine gute Übereinstimmung mit dem Referenzgerät. Der vorgestellte erste Ansatz berücksichtigt zunächst nicht die Konditionierung mit Flüssiggas (LPG) sowie den Einfluss von Wasserfeuchte; dies wären wichtige Ansätze für eine tiefer gehende Weiterentwicklung. Die Erfahrungen in Labor und Feld über eine weite Bandbreite von Gasen belegen jedoch die Machbarkeit für die Entwicklung des neuen Sensormessverfahrens zu einem fiskalischen Messgerät für trockenes Biogas ohne Flüssiggaskonditionierung. Autoren Dr. Joachim Kastner Elster GmbH Dortmund Tel.: Torsten Porsch Elster GmbH Dortmund Tel.: , Veröffentlicht in: gwf-gas Erdgas Heft 10/2011 Seite

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