Gasanalysetechnik zur Prozesskontrolle bei Biogasanlagen

Gasanalysetechnik zur Prozesskontrolle bei Biogasanlagen Dr. agr. Markus Schlattmann 16.05.2013 Folie 1

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

AWITE - Firmengeschichte 2000 2001 2009 2011 2012 2013 Firmengründung; erstes Analysesystem zur H2S-Messung in Biogas Erstes Büro mit integrierter Fertigung ~20 m² Neubau eines Büround Werkstattgebäudes ~700m² 1000. Analysesystem AwiFLEX Cool+ 1500. Analysesystem (Mai) 1550 Analysesysteme 30 Mitarbeiter Folie 3

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

AWITE - Eindrücke Folie 5

AwiFLEX Cool+ und AwiECO Folie 7

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

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

Sensoren Folie 10

Sensoren Gas Messbereich Messprinzip CH 4, CO 2 0-100 Vol.-% Infrarot-Zweistrahl P. und T.-Korrektur Wiederholbarkeit Drift/Jahr ± 0,2 Vol.-% ± 1,5 Vol.-% O 2 0-25 Vol.-% Elektrochemisch ± 0,1 Vol.-% ± 2,5 Vol.-% H 2 S H 2 0-20 0-5.000 ppm (0-50.000ppm) 0-2000 0-50.000 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 ± 1.500 ppm Folie 11

Infrarotsensor Messsignal IR Emitter elektrisch geladen Referenzsignal Folie 12

Elektrochemischer Sensor Elektrolyt Gegenelektrode Membran Gas Referenzelektrode Arbeitselektrode Folie 13

Gasflussschema intern Folie 14

Gasanalyse - Einbindung Folie 15

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

Gasanalyse Messwertaufzeichnung Folie 20

Gasanalyse im praktischen Einsatz Folie 21

Gasanalyse im Forschungsbetrieb Folie 22

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

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

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

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

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

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

Der anaerobe Abbau H 2 S Proteine Peptide Aminosäuren Schwefelwasserstoff Schwefel ca. 500 ppm ca. 1.000 ppm Ca. 5.000 ppm lebensgefährlich in 30 Minuten lebensgefährlich in wenigen Minuten tödlich in wenigen Sekunden Folie 30

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

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

Der anaerobe Abbau - Versäuerung C 6 H 12 O 6 + 2 H 2 O 2 CH 3 COOH + 2 CO 2 + 4 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 2 + 2 H 2 C 6 H 12 O 6 + 2 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 2 + 2 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

Prozesskontrolle CO 2 Versäuerungsprozesse Kontrollwerte zur Methanmessung Folie 34

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

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

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

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

Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus Stöchiometrische Verteilung Folie 39

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

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

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

Prozesskontrolle H 2 Versäuerungsprozesse 1 3 2 Folie 43

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

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

Prozesskontrolle CH 4 Kontrolle der Methanentstehung Folie 46

Exkurs: Modellierung des anaeroben Abbaus Folie 47

CH 4, CO 2 (Vol.-%) Prozessdynamik und Simulationsvalidierung Gasanalyse zur Überprüfung des Simulations-Outputs 70 60 50 40 30 20 10 0 CH4 (Fermenter 1) CH4 (Fermenter 2) CH4 (Fermenter 3) CO2 (Fermenter 1) CO2 (Fermenter 2) CO2 (Fermenter 2) CH4 simuliert CO2 simuliert 0 5 10 15 20 25 30 Zeit (d) Folie 48

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 0,0 0 5 10 15 20 25 30 Zeit (d) Folie 49

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

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

Prozesskontrolle H 2 (2) Versäuerungsprozesse Verschiebungen im Ungleichgewicht Methanbildner Säurebildner 1 3 2 Folie 52

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 4 4 2 CH 4 Folie 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 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 4 4 2 CH 4 N 2 Folie 54

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

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

Zusammensetzung von Biogas Komponente Zeichen Bereich Einheit Methan CH 4 45-75 % Kohlendioxid CO 2 25-55 % Wasserdampf H 2 O 0-7 % Stickstoff N 2 0-8 % Sauerstoff O 2 0-2 % Schwefelwasserstoff H 2 S 0-3000 ppm Wasserstoff H 2 0-2000 ppm Ammoniak NH 3 0-50 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 4 4 2 CH 4 Folie 57

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

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

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

Gasanalyse und Anlagensteuerung I Folie 61

Gasanalyse und Anlagensteuerung II Folie 62

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vielen Dank! Awite Bioenergie GmbH Grünseiboldsdorfer Weg 5 85416 Langenbach/Niederhummel Folie 73