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Ein Gasspeicher-Füllstands-Messsystem reduziert die THG-Gesamtemissionen deutlich. Werden dadurch die Methanemissionen aus Über-/Unterdrucksicherung (ÜUDS) sowie durch Leckagen vermieden, sinkt die Emission einer Biogasanlage auf knapp 35 g CO2-Äquivalent pro kWhel. Dann hätte nicht verbranntes Methan im Abgas des BHKW den größten Anteil an den THG-Emissionen.
© DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH

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Die Übersicht fasst die Vor- und Nachteile der einzelnen für Biogasanlagen relevanten Messprinzipien zusammen.
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Biogas-Speichersysteme

Für Biogas gibt es Nass- und Trocken-Gasspeicher. Bei der Nass-Speicherung dichtet eine Sperrflüssigkeit den Gasraum ab. Diese Speicher sind sehr einfach aufgebaut und verschleißarm. Der Betriebsdruck ist sehr niedrig, er wird begrenzt durch die maximal verdrängbare Wassersäule zur Umgebung.

Trocken-Gasspeicher ermöglichen höhere Innendrücke. Zur Abdichtung kommen beispielsweise metallisch dichtende Gewindeverschraubungen, Kunststoff- und Metall-Flächendichtungen oder gefettete, reibende Kolbenringdichtungen zum Einsatz.

Der gasdruckgestützte, einschalige Membrangasspeicher ist mit einer dehnbaren und flexiblen Membran über den Fermenter ausgeführt und durch den Gasspeicherinnendruck gestützt. Je nach Füllstand hebt oder senkt sich die Membran. Witterungseinflüsse wie Wind oder Sonne haben aufgrund der fehlenden Schutzmembran größere Auswirkung auf den Betrieb.

Zweischalige Gasspeicher bestehen aus einer außenliegenden Schutzmembran und einer innenliegenden Gasspeicher-Membran. Beide sind flexibel an der Oberkante der Behälterwand befestigt und bilden über dem Reaktor angeordnet das integrierte, gasdichte und raumveränderliche Speicherdach.

Speichersysteme optimal managen

Bei Biogasanlagen in Deutschland werden hauptsächlich zweischalige Membrangasspeicher eingesetzt. Sie haben einen Anteil von etwa 62% am Gesamtbestand, so die DBFZ-Betreiberbefragung 2016. Diese Gasspeicher in integrierter Ausführung sitzen direkt auf dem Fermenter. Die Forscher konzentrierten sich bei ihren Untersuchungen auf diese weitverbreiteten Speicher, die auch im Verbund gut nutzbar sind.

Diese Speicher werden meist mit ungeregelten Stützluftgebläsen betrieben. Bei einem hohen Innendruck wird die Kapazität nicht ausgenutzt, der Speicher füllt sich nicht ausreichend. Deshalb raten die Forscher dazu, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um den Gasspeicherinnendruck anpassen zu können, beispielsweise durch regelbare Stützluftgebläse.

Ziel des Gasmanagements ist es, Biogasverluste und -emissionen zu vermeiden sowie ein möglichst großes Volumen des Speichers als Puffer zwischen Gasproduktion und -verwertung nutzbar zu machen. Bereits mit einem angepassten Betrieb lassen sich ohne Zusatzkomponenten Biogasverluste aus der Über-/Unterdrucksicherung (ÜUDS) von Gasspeichern vermeiden. So sollte der Gasspeicher nicht vor Sonnenaufgang technisch voll sein. Die vorhandene Speicherkapazität wird durch technische Verbesserungen der Anlage optimal verfügbar, beispielsweise durch Einbindung von durch Messtechnik frequenzgeregelten Stützluftgebläsen. Eine weitere Verfeinerung ermöglicht ein Modell, mit dem der Füllstand der Gasspeicher präzise prognostiziert und somit vorausschauend geregelt werden kann.

Die Forscher untersuchten verschiedene Systeme zur Messung des Füllstands, modifizierten sie und integrierten sie in die Anlagenautomatisierung. Das hydrostatische Druckmessverfahren erwies sich als deutlich kostengünstiger als das angepasste Seilzugverfahren.

Um den Füllstand des Gasspeichers vorausschauend steuern zu können, bildeten sie in einem Modell die Einflussgrößen wie Temperatur, Windstärke und Solarstrahlung auf die verfügbare Gasspeicherkapazität ab. Auf Basis von Wetterprognosen können sie damit Empfehlungen zur vorausschauenden Anpassung des Fütterungs- oder Verstromungsregimes geben, um Unter- bzw. Überproduktion von Gas zu vermeiden.

Handlungsempfehlungen für den Anlagenbetrieb

Die Forscher identifizierten mögliche Fehler und zeigten, wie diese zu vermeiden sind. Für den praktischen Anlagenbetrieb erarbeiteten sie Handlungsempfehlungen. Die wichtigsten Aspekte fassten sie in drei Empfehlungen zusammen:

  • Das Verfahren zur präzisen Messung des Füllstands muss zum jeweiligen Speichertyp passen. Für einen pneumatisch vorgespannten, zweischaligen Membrangasspeicher mit Stützluftgebläse und Stauklappen eignet sich die Erfassung der Ausformung der Gasspeicherinnenmembran mittels Seilzugverfahren oder hydrostatischem Druckmessverfahren mittels Schlauchwaage. Da in diesen Speichern der Innendruck über den gesamten Füllstandsbereich konstant bleibt, ist eine in der Praxis mitunter angewandte Messung über den Gasspeicherinnendruck nicht geeignet.
  • Das Gasspeichersystem muss im Normalbetrieb unvermeidliche Füllstands-Schwankungen ausgleichen können, die beispielsweise durch
    Witterungsereignisse, Fütterungsschwankungen oder den Ausfall von Komponenten wie dem BHKW auftreten. Über- und Unterdruckereignisse sind zu vermeiden. Das kann über einen füllstandsgesteuerten Betrieb eines sekundären Gasverbrauchers, z. B. Notfackel, erreicht werden. Treten Überdruckereignisse auf, muss die Ursache gefunden und beseitigt werden,
    um unerwünschte Emissionen abzustellen.
  • Für die bedarfsgerechte Bereitstellung von Rohbiogas steigen die Anforderungen an das Speichersystem: Das Speichervolumen sollte vollständig verfügbar sein. Um die Nettogasspeicherkapazität optimal zu nutzen, muss bei Kopplung mehrerer Speicher ein kontrollierbarer Rohbiogasaustausch zwischen den Speichern und den Konversionsaggregaten sichergestellt werden. Die Kontrolle ist dadurch möglich, dass alle Innendrücke der eingebundenen Gasspeicher gemessen und aktiv, beispielsweise über regelbare Stützluftgebläse, eingestellt werden.

Prognosemodelle für flexiblen Betrieb

Ein vom Partner Awite entwickeltes Fuzzy-Logik-Expertensystem deckt nun auch das Gas- und BHKW-Management ab. Die Forscher planen, dieses System zu einer Gesamtanlagenregelung auszubauen. Das Prognosemodell nutzt aktuelle Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes. Damit wird auch eine flexiblere Fütterung möglich, das System reduziert dann beispielsweise bei höheren Temperaturen den Substrateintrag.

Energie- und Treibhausgasbilanz von Biogasanlagen

Werden in Biogasanlagen Systeme zur Messung des Gasspeicher-Füllstandes eingesetzt und Leckagen vermieden, lassen sich Methan-Emissionen weitgehend verhindern. Bisher beeinflussen direkte Methan-Emissionen aus dem Betrieb und aus Über-/Unterdrucksicherung (ÜUDS) die Gesamt-THG-Bilanz von Biogasanlagen stark.

Aktuell erzeugen Biogasanlagen, die sich dazu eignen, mit einem System zur Messung des Gasspeicher-Füllstands ausgestattet zu werden, pro Jahr etwa 67 TWh Biogas. Unter den getroffenen Annahmen entweichen bisher aus diesen Anlagen über ÜUDS und Lecks zwischen 4 Mio. und 187 Mio. m3 Methan ungenutzt in die Atmosphäre. Die Emissionsbandbreite ergibt sich aus den gemessenen Werten von 0,06 bis 3,88% des produzierten Methans.

Nutzen der Emissionsvermeidung: Legt man den häufig angewandten Schätzwert für direkte Methan-Emissionen von 1% zugrunde, ergibt sich ein zusätzliches Stromerzeugungspotenzial von über 220 GWhel , außerdem werden über 1,2 Mio. t CO2-Äquivalent eingespart.

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Praxiserprobung Gasmengenerfassung und Anlagensteuerung
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