Mess- und Regeltechnik an Biogasanlagen

Mess- und Regeltechnik an Biogasanlagen FH Regensburg, 11. Januar 2011 Dr. Ernst Murnleitner, Awite Bioenergie GmbH

Inhalt Vorstellung Vortragender und Unternehmen Grundlagen Biogas Qualitätsmessgrößen mit Bezug auf Stoffwechselwege Andere Messgrößen für Anlagensteuerung Übergeordnete Regelung 2

Ernst Murnleitner Geboren 1967 in Kufstein (Österreich) Lehre u. Berufstätigkeit als Chemielaborant bei Novartis (Werk Biochemie Kundl) Handelsakademie für Berufstätige (Abitur) Studium Lebensmittel- und Biotechnologie an der Universität für Bodenkultur in Wien Diplomarbeit und Prüfungen an der Technischen Universität in Delft (Niederlande) Promotion am Lehrstuhl für Fluidmechanik und Prozessautomation der Technischen Universität München Gründung des Unternehmens Awite (gemeinsam mit Dr. Martin Grepmeier) 3

Firmengeschichte 1998-2001 2000 2001 2002 2009 2010 Forschungsprojekt an der TUM Firmengründung als GbR (Gesellschafter) Erstes Büro (Gesellschafter) Umzug in größeres Gebäude; 2003 erster Mitarbeiter Umzug in neues Gebäude ca. 700m² Produktion/Büro aktueller Mitarbeiterstand 15 feste MA, 2 Geschäftsführer, 2 Externe 4

Produkte Gasanalysengeräte Automatisierung und Softwareentwicklung Messtechnik 7

4 Stufen des anaeroben Abbaus 1. Hydrolyse 2. Versäuerung 3. Acetogenese 4. Methanogenese 9

Substratzusammensetzung (1) Was wird gefüttert? Bestimmung von ots, CSB, TOC, Ammonium, Elementaranalyse Rückschluss auf zu erwartende Gasmenge und Gaszusammensetzung, Planung der Fütterungsmenge 11

Substratzusammensetzung (2) ots Laboranalyse (Trocknung) Forschungsprojekte: Online mit IR-Spektrum CSB, TOC Laboranlalyse Analysator-Gerät Ammonium, gebundener Stickstoff Laboranalyse (Kjehldahl) Ionen-sensitive Elektrode Spurenelemente Laboranalyse (AAS) 12

Gelöste Monomere und Oligomere Zucker, langkettige Fettsäuren, Aminosäuren Laboranalyse möglich Im Normalfall nicht bestimmt 13

Organische Säuren Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valieriansäure sowie Milchsäure und Alkohol Laboranalyse (GC) Online-Analyse wünschenswert 14

ph und Puffer (1) Verhältnis Säuren zu gelöstem CO2 (Pufferkapazität) ph, Pufferkapazität, FOS/TAC Wie das System auf weitere Substratzufuhr reagiert Niedriger ph: H2S und Säuren sind giftig Hoher ph: NH3 ist giftig 15

ph und Puffer (2) ph Handmessgerät Online möglich reagiert spät Häufige Kalibrierung notwendig FOS/TAC Titration -> ph 5 -> ph 4,4 (Testkit) Online-Messung möglich Wert < 0.3 anzustreben 16

Essigsäure (1) Wichtiges Substrat, Rückschluss auf Verhältnis Versäuerung zu Methanbildung Laboranalyse (GC) Online-Analyse wünschenswert 17 Acetat-Weg dominiert bei dünnen Substraten (Kläranlagen)

Essigsäure (2) 18 Acetat-Weg dominiert bei dünnen Substraten (Kläranlagen)

Propionsäure, Buttersäure (1) Rückschluss auf Fehlgärung, Hemmung Laboranalyse (GC, HPLC) Online-Messung wünschenswert 19

Propionsäure, Buttersäure (2) 20

Milchsäure Rückschluss auf Fehlgärung Laboranalyse (HPLC, Küvettentest mit Farbreaktion) Nicht online 21

Gase Gase in Flüssigkeit oder Gasphase messbar (Henry-Gleichgewicht) Gasphase einfacher (Verschmutzung der Sensoren) 22

Wasserstoff (1) Gleichgewicht der Prozesse Gasanalyse Aussage über Versäuerungsprozess, entsteht vor allem bei Acidogenese 23

Wasserstoff (2) Bis zu 60 Vol-% 0,001.. 0,1 Vol-% Symbiose, Flocken, Mikroklima Räumliche Trennung möglich, Messwert anlagenspezifisch 24

Schwefelwasserstoff (1) Wichtig für Gasverwertung Schnelltest (Röhrchen mit Jodid), Gasanalysegerät (Elektrochemischer Sensor) Regelung der Entschwefelung möglich 25

Schwefelwasserstoff (2) Mikrobiologische Entschwefelung direkt im Fermenter (Nachgärer) Gasanalyse Verdichter 26

H 2 S - K o n z e n tr tio n Schwefelwasserstoff (3) 3000 2500 2000 1500 1000 A u s g a n g N a c h g ä r e r A u s g a n g F e r m e n te r 500 0 2 0.7 2 5.7 3 0.7 4.8 9.8 1 4.8 1 9.8 2 4.8 2 9.8 3.9 8.9 Z e it 27

Methan und Kohlendioxid (1) Endprodukt Schnelltest (Röhrchen, CO2-Fällung), Laboranalyse (GC), Online- Messgeräte (IR-Sensoren, Wärmeleitfähigkeit) Zustand der Anlage, abhängig von Substrat 28

Methan und Kohlendioxid (2) aus Kohlenhydraten aus Fett Luft + = aus Proteinen aus anderen Fermentationsprozessen Feuchtigkeit 29

Methan und Kohlendioxid (3) Infrarot (2-strahl) Selektiv Kohlenwasserstoffe Kontinuierlich möglich Relativ teuer Infrarot (1-strahl) billiger Häufiger Abgleich mit Nullgas Leitfähigkeit billig Nur für 2- Komponentengemisch Alle: Druckkompensation Temperaturkomp. 30

Sauerstoff Mikrobiologische Entschwefelung Online-Messgeräte (elektrochemisch, paramagnetisch) Regelung der Entschwefelung 31

Sauerstoff (2) elektrochemisch preisgünstig Austrocknung bei Dauermessung paramagnetisch Dauermessung relativ teuer 32

Inhalt Vorstellung Vortragender und Unternehmen Grundlagen Biogas Qualitätsmessgrößen mit Bezug auf Stoffechselwege Andere Messgrößen für Anlagensteuerung Übergeordnete Regelung 33

Übliche Messgrößen Temperatur Füllstand Durchfluss Druck Elektr. Leistung Masse 34

Weitere Messgrößen Erfassung der Energie/Leistung Gasfeuchte in Verbindung mit Methangehalt, Durchfluss, Druck, Temperatur Regelung BHKW Füllung Gassack Lastmanagement Elektrische Leistung Netzlieferung Strommessung Komponenten 35

Übergeordnete Regelung (1) Zustandserkennung Fütterungsvorschlag Vollautomatische Variation der automatischen Fütterung Intelligente Regelung BHKW- Leistung usw. 37

Übergeordnete Regelung (1) Lokale Regelung Temperatur von Fermenter Füllstand Pumpvorgänge Leistung BHKW Substratdosierung ph-wert Übergeordnete Regelung Sollwerte für lokale Regler Expertensystem schlägt Sollwerte vor, Unterstützt den Betreiber Ziel: Möglichst hohe Auslastung des BHKW ohne die Anlage zu Überlasten und Methan abzufackeln bei möglichster Schonung der Resourcen. 38

Übergeordnete Regelung (2) Zustandserkennung Lokale Regelung Temperatur von Fermenter Füllstand shortage; Pumpvorgänge Leistung BHKW Substratdosierung ph-wert Übergeordnete Regelung Sollwerte für lokale Regler RULE 1 : IF c1_ch4 IS high AND c1_h2 IS low THEN c1_state IS RULE 5 : IF c1_ph IS low THEN c1_state IS overload; 39

Übergeordnete Regelung (3) Substratzufuhr RULE 1 : IF c1_state IS normal AND productivity IS too_high THEN feed IS no_feed; Lokale Regelung Temperatur von Fermenter Füllstand Pumpvorgänge Leistung BHKW Substratdosierung ph-wert Übergeordnete Regelung Sollwerte für lokale Regler RULE 4 : IF c1_state IS overload THEN feed IS no_feed; RULE 5 : IF c1_state IS shortage THEN feed IS more; 40

Übergeordnete Regelung (4) weitere Regeln für Lokale Regelung Temperatur von Fermenter Füllstand Pumpvorgänge Leistung BHKW Substratdosierung ph-wert Übergeordnete Regelung Sollwerte für lokale Regler Sollwertvorgabe BHKW Sollwertvorgabe Sauerstoffgehalt Entschwefelung 41

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dr.-Ing. Ernst Murnleitner Siehe http://awite.com Kontakt Awite 42

Anhang Messtechnik Biogasanlagen Vorgrube Fermenter Nachgärer Gasspeicher BHKW/Gasverwertung Pumpen/ Substratförderung/ Feststoffdosierung Sonstiges 43

(Vor)grube Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Füllstand Relativdruck Tauchsonde, geschlossene Membran, frontbündig Grenzstand Min- oder max. Stabsonden Schwinggabel Ultraschall Radar Kapazitiv Einstab Konduktiv ein- oder Mehrstab 0-0,6bar rel 0-6m Füllstand Entsprechend zu messender Höhe Nach Ex-Zonen-Plan Nach Ex-Zonen-Plan 44

Fermenter Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Füllstand Relativdruck Einbau seitlich oder als Tauchsonde, geschlossene Membran, frontbündig, Handarmatur Grenzstand/ Schaum Stabsonden (Radar) Kapazitiv Einstab evtl. Spülvorrichtung, Einbau von oben Temperatur Rohreinbaufühler pt100/4-20ma in Schutzrohr, Wechselmöglichkeit, redundant Gaszusammensetzung CH4, H2S, O2 evtl. H2 0-0,6bar rel 0-6m Füllstand Keine, wenn immer unterhalb Flüssigkeitsniveau 1-2m Min. Ex-Zone II 0 100 C Gasanalysesystem div. - Keine (unterhalb Flüssigkeits-spiegel, Schutzrohr) 45

Nachgärer/Endlager Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Füllstand Relativdruck Einbau seitlich oder als Tauchsonde, geschlossene Membran, frontbündig, Handarmatur (Grenzstand/ Schaum) Stabsonden (Radar) Kapazitiv Einstab evtl. Spülvorrichtung, Einbau von oben (Temperatur) Rohreinbaufühler pt100/4-20ma in Schutzrohr, Wechselmöglichkeit, redundant Gaszusammensetzung 0-0,6bar rel 0-6m Füllstand Keine, wenn immer unterhalb Flüssigkeitsniveau 1-2m Min. Ex-Zone II 0 100 C CH4, H2S, O2 Gasanalysesystem div. - Keine (unterhalb Flüssigkeits-spiegel, Schutzrohr) 46

Gasspeicher Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Füllstand Ultraschall (Seilzug) Seilzuggeber Druckmessung (Gas- H-Meter) entsprechend Druck Relativdruck Geschlossene Membran, frontbündig, Handarmatur Gaszusammensetzung 0-8m (je nach Geometrie) -10.+10mbar rel. CH4, H2S, O2 Gasanalysesystem div. - Nach Ex-Zonen-Plan Min. Ex-Zone II 47

BHKW/Gasverwertung Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Druck Relativdruck Druckschalter evtl. offene Membran Gaszusammensetzung Gasdurchfluss -10 +10mbar CH4, H2S, O2 Gasanalysesystem div. - Thermische Massendurchflussmessung Gewindeeinbau, Handarmatur, Einund Auslaufstrecken Je nach Anlagentyp/Rohrnen nweite Min. Ex-Zone II Min. Ex-Zone II Gasfeuchte Tauspiegel Gewindeeinbau 0 100% r.f. Min. Ex-Zone II Temperatur Rohreinbaufühler pt100/4-20ma in Schutzrohr 0 100 C Min. Ex-Zone II 48

Pumpen/Substratförderung/ Feststoffdosierung Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Temperatur (Trockenlauf) Druck (Leitungsschutz) Durchfluss Grenzstand Rohreinbaufühler Relativdruck Durchflussmesser manget. induktiv Stabsonde Schwinggabel Radar pt100/4-20ma in Schutzrohr, Wechselmöglichkeit, Auswerteeinheit Geschlossene Membran 0 100 C, Auswerteeinheit 0 10/40bar rel. (entsprechend Leitungsausführung Entsprechend Pumpenausführung Entsprechend Pumpenausführung Flanscheinbau Nach Anforderung i.d.r. keine Konduktiv, Kapazitiv Evtl. Spülvorrichtung 1-3m, fest, flüssig Entsprechend Anforderung/Ex- Zonen-Plan 49

Sonstiges Parameter Sensortyp Ausführung Messbereich Ex-Zone Grenzstand/Leckage (z.b. Räume) Stabsonde konduktiv 0-0,5m Nach Ex-Zonen-Plan Raumüberwachung CH4, CO2, H2S Infrarot, Wärmetönung, elektrochemisch 0.100%UEG, nach Anforderung Min. Ex-Zone II 50