Gasanalysetechnik zur Prozesskontrolle bei Biogasanlagen

Transkript

1 Gasanalysetechnik zur Prozesskontrolle bei Biogasanlagen Dr. agr. Markus Schlattmann Folie 1

2 Agenda Vorstellung AWITE Bioenergie GmbH Allgemeines zum Gasanalysesystem Der anaerobe Abbauprozess im Hinblick auf Möglichkeiten der Prozesskontrolle mittels Gasanalysetechnik Zeit, dass Sie die Kontrolle übernehmen. Folie 2

3 AWITE - Firmengeschichte Firmengründung; erstes Analysesystem zur H2S-Messung in Biogas Erstes Büro mit integrierter Fertigung ~20 m² Neubau eines Büround Werkstattgebäudes ~700m² Analysesystem AwiFLEX Cool Analysesystem (Mai) 1550 Analysesysteme 30 Mitarbeiter Folie 3

4 AWITE - Leistungsumfang Gasanalysesysteme Komponentenentwicklung Planung Produktion Inbetriebnahme Wartung/Service/Support Automatisierung Prozesssteuerung, Visualisierung und Softwareentwicklung Schaltschrankbau (Subunternehmer) Verkabelung Wartung/Betreuung Messtechnik Beratung und Projektierung Installation Inbetriebnahme Wartung Folie 4

5 AWITE - Eindrücke Folie 5

7 AwiFLEX Cool+ und AwiECO Folie 7

8 Gasanalysesysteme AwiFLEX Cool+ AwiECO Individuell, vielseitig, erweiterbar Individuelle Sensorausstattung Beliebige Messstellenanzahl Profibus, Profinet, Ethernet, RS232, RS485, USB, analog, GPRS/UMTS, Messgaskühlung (Trocknung) Entschwefelung, Autokalibrierung, Fernwartung Anbindung weiterer Sensoren Berechnungen Zuverlässig, günstig, standardisiert CH 4, H 2 S, O 2, eine Messstelle oder 2 x H 2 S, zwei Messstellen Analoge Ausgänge, Ethernet, (Profibus) USB-Schnittstelle und Software AwiView Diskontinuierliche Messung Folie 8

9 1: Leistungsteil (inkl. AwiProtect) & Profibusmodul 2: AwiMox & SPS-Modul AwiCore 3: Messgaskühler AwiCool 4: Infrarotsensoren (CH4 & CO2) & elektrochemische Sensoren (H2S, O2, H2) 5: AwiConnect (inkl. Drucksensor) 7: H2S-Filter, Ventile, Wasser-Sensor und Messgaspumpe Folie 9

10 Sensoren Folie 10

11 Sensoren Gas Messbereich Messprinzip CH 4, CO Vol.-% Infrarot-Zweistrahl P. und T.-Korrektur Wiederholbarkeit Drift/Jahr ± 0,2 Vol.-% ± 1,5 Vol.-% O Vol.-% Elektrochemisch ± 0,1 Vol.-% ± 2,5 Vol.-% H 2 S H ppm ( ppm) ppm (0-100 Vol.-%) Elektrochemisch (Indirekt über Verdünnung) Elektrochemisch (Indirekt über Verdünnung) ± 0,5 bis ± 50 ppm ± 25 bis ± 500 ppm ± 2,5 bis ± 300 ppm ± 65 bis ± ppm Folie 11

12 Infrarotsensor Messsignal IR Emitter elektrisch geladen Referenzsignal Folie 12

13 Elektrochemischer Sensor Elektrolyt Gegenelektrode Membran Gas Referenzelektrode Arbeitselektrode Folie 13

14 Gasflussschema intern Folie 14

15 Gasanalyse - Einbindung Folie 15

19 Gasanalyse - Bedienung Die Bedienung erfolgt über einen 7 Touch-Panel Die Bedienung ist in verschiedene Hauptreiter und Unterreiter aufgeteilt Die Bedienung ist größtenteils intuitiv und selbsterklärend Folie 19

20 Gasanalyse Messwertaufzeichnung Folie 20

21 Gasanalyse im praktischen Einsatz Folie 21

22 Gasanalyse im Forschungsbetrieb Folie 22

24 Der anaerobe Abbau (CSB-Fluss) Partikul ä res organisches Material (100% CSB) Desintegration Inert Kohlenhydrate Proteine Fette Hydrolyse Monosaccharide Aminos ä uren langkettige Fetts ä uren Acidogenese Zwischenprodukte HPr, HBu, HVa Acetogenese Methanogenese Acetat Wasserstoff Methan 90% Folie 24

25 Prozessparameter Flüssige Phase Gasphase Freie, flüchtige Fettsäuren Pufferfähigkeit Ammonium ph-wert Redoxpotenzial TS, ots, CSB Methan Kohlendioxid Schwefelwasserstoff Wasserstoff Sauerstoff Volumenstrom Folie 25

26 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Folie 26

27 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin Acetogenese Methanogenese Folie 27

28 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff Methanogenese Folie 28

29 Der anaerobe Abbau NH 3 Stickstoff Harnstoff Ammoniak Proteine Peptide Aminosäuren Ammoniak 2 Alanin 2Glycin 2H O 3ADP 3P 3Acetat CO 3NH i 2 4 3ATP NH NH 4 3 H Folie 29

30 Der anaerobe Abbau H 2 S Proteine Peptide Aminosäuren Schwefelwasserstoff Schwefel ca. 500 ppm ca ppm Ca ppm lebensgefährlich in 30 Minuten lebensgefährlich in wenigen Minuten tödlich in wenigen Sekunden Folie 30

31 Prozesskontrolle H 2 S Toxizität => Personenschäden => Größenordnung, Überwachung (Sicherheit) Korrosion => Motorschäden => Entschwefelung (biologisch, geregelte Chemikalienzugabe) => Kontrolle der Entschwefelungsleistung Folie 31

32 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff NH 3 H 2 S Methanogenese Folie 32

33 Der anaerobe Abbau - Versäuerung C 6 H 12 O H 2 O 2 CH 3 COOH + 2 CO H 2 C 6 H 12 O 6 3 CH 3 COOH C 6 H 12 O 6 CH 3 (CH 2 ) 2 COOH + 2 CO H 2 C 6 H 12 O H 2 2 CH 3 CH 2 COOH + 2 H 2 O C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 COOH + CH 3 COOH + CO 2 + H 2 C 6 H 12 O 6 + H 2 O CH 3 CH 2 OH + CH 3 COOH + 2 CO H 2 C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CHOHCOOH C 6 H 12 O 6 CH 3 CHOHCOOH + CH 3 CH 2 OH + CO 2 Folie 33

34 Prozesskontrolle CO 2 Versäuerungsprozesse Kontrollwerte zur Methanmessung Folie 34

35 Exkurs: Dynamische Simulation Was ist ein Modell zur Simulation komplexer, dynamischer Systeme ( Black Box )? Ein dynamisches System beschreibt die zeitliche Veränderung von Größen/Zuständen (z.b. Räuber und Beute). Grundsätzlich 2 Modellansätze: 1) Modelle, welche das Verhalten nachahmen, d.h. reine Ein-/ Ausgangsmodelle, die sich auf die Eingangs- und messbaren Ausgangsgrößen beschränken 2) Modelle, welche die Systemstruktur nachbilden, d.h. auch innere Zusammenhänge und Zustandsgrößen einbeziehen Folie 35

36 Exkurs: Dynamische Simulation Wozu Simulation? + Tools zur Planung und Optimierung + Test vieler Szenarien in relativ kurzer Zeit + Erhöhung des Prozessverständnisses + Reduzierung der Gefahr großtechnischer Pannen durch Computergestützte Analysen + Wertvolles Hilfsmittel bei ökonomischer und ökologischer Bewertung von Varianten - Hoher Datenbedarf - Kalibrierung erfordert hohen finanziellen, personellen und organisatorischen Aufwand Folie 36

37 Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus I Zurück zum Biogasprozess: => Prozessrate: Abbau Zucker Prozessrate p j=5 = Folie 37

38 Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus I Prozessrate: Abbau Zucker Prozessrate p j=5 = k su X I m, su su 1.. n K S S, su S su Folie 38

39 Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus Stöchiometrische Verteilung Folie 39

40 Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus III Stöchiometrische Verteilung gelöste Monosaccharide S su Y su Biomasse Zuckerverwerter X su Prozessrate p j=5 = k su X I m, su su 1.. n K S S, su S su -(Y su )N bac Anorganischer Stickstoff S IN (1-Y su )f h2,su (1-Y su )f pro,su gelöster Wasserstoff S h2 (1-Y su )f bu,su (1-Y su )f ac,su Anorganischer Kohlenstoff S IC Propionsäure S pro Buttersäure S bu Essigsäure S ac Folie 40

41 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff Acetat, Kohlendioxid, Wasserstoff Inert H 2 H 2 S NH CO 2 H 3 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 Folie 41

42 Der anaerobe Abbau Acetogenese Butyrat CH 3 (CH 2 ) 2 COO H 2 O 2 CH 3 COO - + H H 2 Propionat CH 3 CH 2 COO H 2 O CH 3 COO - + H + + HCO H 2 Ethanol CH 3 CH 2 OH + H 2 O CH 3 COO - + H H 2 Folie 42

43 Prozesskontrolle H 2 Versäuerungsprozesse Folie 43

44 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff Acetat, Kohlendioxid, Wasserstoff Methan, Kohlendioxid Inert H 2 H 2 S NH CO 2 H 3 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 H 2 H2 CO 2 CO CO 2 H 2 CO 2 2 Folie 44

45 Der anaerobe Abbau Methanogenese Acetoklastische Methanogenese Acetat CH 3 COO - + H 2 O CH 4 + HCO - 3 Hydrogenotrophe Methanogenese Wasserstoff HCO H H 2 CH H 2 O Folie 45

46 Prozesskontrolle CH 4 Kontrolle der Methanentstehung Folie 46

47 Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus Folie 47

48 CH 4, CO 2 (Vol.-%) Prozessdynamik und Simulationsvalidierung Gasanalyse zur Überprüfung des Simulations-Outputs CH4 (Fermenter 1) CH4 (Fermenter 2) CH4 (Fermenter 3) CO2 (Fermenter 1) CO2 (Fermenter 2) CO2 (Fermenter 2) CH4 simuliert CO2 simuliert Zeit (d) Folie 48

49 Biogasrate (L N /d) Prozessdynamik und Simulationsvalidierung 6,0 5,0 Dynamik aus Versuchsreihen vs. langweilige Werte aus der Praxis Biogasrate (Fermenter 1) Biogasrate (Fermenter 2) Biogasrate (Fermenter 3) Biogasrate simuliert 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Zeit (d) Folie 49

50 Prozesskontrolle CH 4 Methan als wertgebender Bestandteil des Biogases Übermittlung an übergeordnete Prozesssteuerung Folie 50

51 Der anaerobe Abbau Methanogenese Acetoklastische Methanogenese Acetat CH 3 COO - + H 2 O CH 4 + HCO - 3 Hydrogenotrophe Methanogenese Wasserstoff HCO H H 2 CH H 2 O Folie 51

52 Prozesskontrolle H 2 (2) Versäuerungsprozesse Verschiebungen im Ungleichgewicht Methanbildner Säurebildner Folie 52

53 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff Acetat, Kohlendioxid, Wasserstoff H 2 H 2 S NH CO 2 H 3 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 H 2 H2 CO 2 CO CO 2 H 2 CO 2 2 CO CH 2 Methan, Kohlendioxid 4 CH CH CO CH 4 Folie 53

54 Der anaerobe Abbau Desintegration Abbaubares, partikuläres organisches Material Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße Inert Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Monosacharide, Disacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren, Glyzerin flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), Aldehyde, Alkohole, Ketone, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoff Acetat, Kohlendioxid, Wasserstoff O 2 N 2 N 2 O 2 H 2 H 2 S NH CO 2 H 3 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 H 2 H2 CO 2 CO CO 2 H 2 CO 2 2 CO CH 2 Methan, Kohlendioxid 4 CH CH CO CH 4 N 2 Folie 54

55 Prozesssteuerung - O 2 An der Fermenter- und Substratoberfläche: H 2 S + O 2 2 H 2 O + S Steuerung der Entschwefelung (Fuzzy Logic) anhand H 2 S und O 2 Keine manuelle Luftzugabe Gefahr der Überdosierung Verdünnung des Biogases Gefahr der Unterdosierung Zu hoher Schwefelhalt Korrosionsschäden Luftzugabe wird permanent den aktuellen Gasanalysewerten entsprechend nachgeregelt Folie 55

56 Prozesskontrolle - O 2 Kontrollwerte anaerober Prozess, Dichtigkeit Kontrolle/Korrektur Versuchswesen Folie 56

57 Zusammensetzung von Biogas Komponente Zeichen Bereich Einheit Methan CH % Kohlendioxid CO % Wasserdampf H 2 O 0-7 % Stickstoff N % Sauerstoff O % Schwefelwasserstoff H 2 S ppm Wasserstoff H ppm Ammoniak NH ppm O 2 N 2 N 2 O 2 H 2 H 2 S NH CO 2 H 3 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 H 2 O H CO 2 CO CO 2 2 CO 2 2 H 2 H2 N 2 CO CH 2 4 CH CH CO CH 4 Folie 57

58 Applikationen & Anwendungsbereiche (1) Biologische Kontrolle Entschwefelung Labor- und Forschungsanlagen Motorische Gasverwertung Gaseinspeisung und Gasverkauf Brennstoffzellen CDM-Applikationen Folie 58

59 Applikationen & Anwendungsbereiche (2) Volumenstrommessung, Normgas-, Brennwert-, Energieflussrechner, Autom. Kalib. Kont. Messung, Datenaufzeichnung, GW-Überwachung, übergeordnete Steuerung Folie 59

60 Applikationen & Anwendungsbereiche (3) Volumenstrommessung, Normgas-, Brennwert-, Energieflussrechner, Autom. Kalib. Kont. Messung, Datenaufzeichnung, GW-Überwachung, übergeordnete Steuerung Folie 60

61 Gasanalyse und Anlagensteuerung I Folie 61

62 Gasanalyse und Anlagensteuerung II Folie 62

63 Exkurs Fuzzy-Logic: Grundlagen Was ist Fuzzy-Logic? unscharfe Logik basierend auf unscharfer Mengenlehre Zugehörigkeitsgrad B 1 B A A A: große Männer ( 1,80 m) B: kleine Männer (< 1,80 m) 0 1,53 A: große Männer B: kleine Männer 1,98 Körpergröße (m) Folie 63

64 Exkurs Fuzzy-Logic: Grundlagen Wozu Fuzzy-Logic + keine mathem. Beschreibung eines Sachverhaltes oder Problems notwendig + verbale Beschreibung des Prozessverständnisses ( Expertenwissen ) + Systeme können gesteuert/geregelt werden, selbst wenn ein direkter mathematischer Zusammenhang nicht dargestellt werden kann + vergleichsweise leicht zu verstehen und nachzuvollziehen + robust, auch bei Lücken oder veraltetem Wissen + schnelle Berechnung in Echtzeit möglich + geringer Datenbedarf -/+ grey box - Keine direkte Szenarienbetrachtung möglich => Einsatz für Steuerungs- und Automatisierungsaufgaben: Medizintechnik, Finanzwesen, Unterhaltungselektronik, Fahrzeugtechnik, Sprach-/ Dokumenterkennung, biotechnologische Prozesse, Folie 64

65 Exkurs Fuzzy-Logic: Fuzzyfizzierung (Beispiel ph-wert) Folie 65

66 Exkurs Fuzzy-Logic: Aufbau eines Fuzzy-Systems Eingangsvariablen R1 Systemzustände R2 Globale Maßnahmen/ Strategien R3 Ausgangsvariablen,, ph-wert: 6,3,, Fuzzifizzierung Regelbasis 1: IF c1_ph IS very_low THEN c1_state IS toxic; IF c1_ph IS low THEN c1_state IS overload; Regelbasis 3: IF c1_state IS overload THEN feed IS no_feed; IF c1_state IS shortage THEN feed IS more; Defuzzifizzierung, feed: 0,72, Folie 66

67 Exkurs Fuzzy-Logic: Defuzzyfizzierung (Fütterungsänderung) COG: 0,72 Folie 67

68 Exkurs Fuzzy-Logic: Gasanalyse Gasanalyse in einem Fuzzy-Logic-System Eingangsvariablen R1 Systemzustände R2 Globale Maßnahmen/ Strategien R3 Ausgangsvariablen,???,???,???, Regelbasen:???;???;???,???,???,???, Fuzzifizzierung Defuzzifizzierung, feed: 0,72, Folie 68

69 Exkurs Fuzzy-Logic: Fuzzyfizzierung (H 2 ) Folie 69

70 Exkurs Fuzzy-Logic: Gasanalyse Gasanalyse in einem Fuzzy-Logic-System Regelbasen Fuzzifizzierung Methan: ch4 Wasserstoff: h2 Änderung des Methangehaltes: Δch4 Änderung des Wasserstoffgehaltes: Δ h2 Schwefelwasserstoff: h2s Sauerstoff: o2 IF c1_ch4 IS high AND c1_h2 IS low THEN c1_state IS shortage; IF c1_h2 IS high THEN c1_state IS overload; IF d_c1_ch4 IS decreasing AND d_c1_h2 IS increasing THEN c1_state IS overload; IF H2S IS high THEN W_set IS high;, BHKW-Leistung, Fütterungsmenge, Lufteinblasung, Defuzzifizzierung Folie 70

71 Zusammenfassung AWITE Bioenergie GmbH Firmenvorstellung Aufbau eines Gasanalysesystem Systemeinbindung Der anaerobe Abbauprozess: Gasentstehung, Kontroll- und Steuermöglichkeiten mit Hilfe der Gasanalyse H 2 S: Giftgas, Korrosion, biologische Entschwefelung, Grenzwerte CO 2 : Versäuerung, Kontrollwert zur Methanmessung H 2 : Versäuerung, mikrobiologisches Gleichgewicht => gezielte Prozessführung und Fütterung, Vermeiden von Ausfällen und wirtschaftlichem Schaden CH 4 : Prozess-Endprodukt, wertgebender Bestandteil, übergeordnete Steuerung, Grenzwertüberwachung O 2 : Entschwefelungssteuerung, Dichtigkeit des Systems Gasvolumenstrom: Prozesskontrolle Weitere Anwendungsmöglichkeiten Exkurse Modellierung, Simulation, Fuzzy-Logic Folie 71

72 Fuzzy-Logic: noch was zum Nachdenken für s Mittagessen Wenn die Komplexität eines Systems ansteigt, verlieren präzise Aussagen an Sinn und sinnvolle Aussagen an Präzision (Lotfi Zadeh) Folie 72

73 Vielen Dank! Awite Bioenergie GmbH Grünseiboldsdorfer Weg Langenbach/Niederhummel Folie 73