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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Analyse
von Biogas.
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Biogasanlagen
sind in vielfältigen
Ausführungsformen
bekannt und bewährt.
In solchen Biogasanlagen erfolgt eine Vergärung von Biomassen wie Grüngut, Speiseresten,
Gülle oder
hierzu speziell angebauten landwirtschaftlichen Produkten wie Mais oder
dergleichen mehr. Das bei einer anaeroben Vergärung, bei einer mesophilen
oder thermophilen Vergärung
bei moderaten Temperaturen, beispielsweise zwischen 37° und 41° bzw. 50° und 60°, entstehende Biogas
weist im Wesentlichen Methan und Kohlenstoffdioxyd auf. Weiter entstehen
jedoch auch noch in nennenswertem Umfang Wasserdampf und Schwefelwasserstoff,
naturgemäß abhängig von
den zur Vergärung
gelangenden Biomassen.
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Das
in Biogasanlagen entstandene Biogas kann mittels Verbrennungsmotoren
zur Erzeugung von Strom oder zur gekoppelten Erzeugung von Strom
und Wärme
verwendet werden.
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Solche,
zumeist dezentralen Biogasanlagen weisen häufig eine geringe Wirtschaftlichkeit
auf, wenn eine nur geringe lokale Nachfrage nach Wärme vorhanden
ist.
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Es
wird deshalb in neueren Biogasanlagen eine Reinigung des Biogases
vorgenommen, durch die eine Aufkonzentration des Methananteils erfolgt, da
solches angereichte Gas in übliche
Gasnetze z. B. von Energieversorgungsunternehmen eingespeist werden
kann, um dann in größerer räumlicher
Entfernung an Orten mit erhöhter
Wärmenachfrage
entnommen werden zu können.
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Um
jedoch solches mit Methan angereicherte Biogas in Gasnetze einspeisen
zu können,
bedarf es der Einhaltung eines vorgegebenen Methangehalts. Um diesen
zu vermessen, sind Messgeräte
bekannt, die nach dem Prinzip der Infrarot-Absorption sehr zuverlässig arbeiten,
jedoch sehr teuer sind. Andere bekannte, kostengünstigere Messverfahren weisen
jedoch häufig
keine ausreichende Messgenauigkeit auf.
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Vor
dem diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur
Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, mit denen preiswert, jedoch mit ausreichender Genauigkeit,
der Methangehalt in einem Biogas festgestellt werden kann.
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Gelöst wird
diese technische Problematik durch das Verfahren gemäß des Anspruchs
1 und durch die Vorrichtung gemäß des Anspruchs
9.
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Gemäß des Anspruchs
1 erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt ein Abkühlen eines
Biogas-Volumenstroms auf eine vorgegebene Temperatur unterhalb der
Kondensationstemperatur des in dem Biogas enthaltenen Wasserdampfes.
Das so vorkonditionierte Biogas wird dann in einem Messraum mit
den Schallwellen einer gerichteten Schallquelle beaufschlagt. Aus
einer Messung der Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfang
der Schallwellen kann bei einem bekannten, von den Schallwellen
zurückgelegten
Weg, die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden und aus dieser
der Methangehalt und/oder der Kohlenstoffdioxydgehalt des Biogases.
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Die
Messung erfolgt innerhalb eines Biogasstromes oder innerhalb eines
für Messzwecke
separierten Teil-Volumenstromes.
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Das
bei den eingangs genannten Temperaturen entstandene Biogas ist mit
Wasserdampf gesättigt.
Bei einer Abkühlung
des Biogas-Volumenstroms auf die vorgegebene Temperatur kondensiert der
enthaltene Wasserdampf teilweise aus. Da auch die Temperatur konstant
gehalten ist, wird durch diese Thermostatisierung des Biogases der
Wasserdampfanteil auf einen konstanten, nur von der Temperatur abhängigen Wert
eingestellt und hierdurch die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit
in dem Biogas von der Temperatur und von dem Wasserdampfgehalt vollständig eliminiert.
Es hängt
die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in dem so vorkonditionierten
Biogas lediglich von den Volumenanteilen der Komponenten Methan
und Kohlenstoffdioxyd noch ab. Von daher kann erfindungsgemäß das vorkonditionierte
Biogas mit Schallwellen einer gerichteten Schallwelle in einem Messraum
beaufschlagt werden. Aus der Messung der Laufzeit zwischen dem Aussenden
und dem Empfang der Schallwellen und dem fest vorgegebenen, zurückgelegten Weg
der Schallwellen kann die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt
werden und aus dieser die Zusammensetzung des Biogases.
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Vorab
der Kühlung
kann vorgesehen sein, dass eine Entschwefelung vorgenommen wird,
insbesondere ein Entfernen des Schwefelwasserstoffanteils. Hierzu
können
bekannte Verfahren herangezogen werden. Dabei kann daran gedacht
sein, nur den für
die Analyse herangezogenen, separierten Volumenstrom zu entschwefeln
und/oder eine Entschwefelung des gesamten produzierten Biogases vorzunehmen.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen dem einer Kühlung zuzuführenden Biogas und der vorgegebenen
Temperatur für
die Analyse sollte derart gewählt sein,
dass die Bedingungen zur Kondensation des Wasserdampfanteils sicher
erreicht werden. Dies ist bei einer vorgegebenen Temperatur von
20°C bis 35°C regelmäßig der
Fall. Insbesondere ist daran gedacht, dass bei einer mesophilen
Vergärung
bei einer Temperatur von 37°C
entstandenes Biogas auf eine vorgegebene Temperatur von 25°C für die Analyse abgekühlt wird.
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Diese
vorgegebene Temperatur sollte während
einer Messung weitestgehend konstant gehalten werden, um Messergebnisse
nicht weiter zu verfälschen.
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Die
Schallwellen sollten das Medium Biogas möglichst ungestört durchdringen,
um eine genaue Analyse durchführen
zu können.
Von daher haben sich im Ultraschallbereich liegende Frequenzen der Schallwellen
bewährt.
Um die Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfang der Schallwellen
möglichst
exakt messen zu können,
ist der Weg der Schallwellen ausreichend groß zu bemessen. Um dennoch einen
Messraum vergleichsweise klein halten zu können, kann vorgesehen sein,
dass die ausgesendeten Schallwellen vor ihrem Empfang reflektiert
werden. Aufgrund dieser einfachen Maßnahme kann der von den Schallwellen
zurückgelegte,
aber vorgegebene Weg auch in kleinen Messräumen gegenüber dessen Einzelabmessungen
lang bemessen sein. Dabei kann ferner daran gedacht werden, dass die
Schallwellen in sich reflektiert werden, wodurch eine kombinierte
Ausbildung von Schallwellensender und Schallwellenempfänger ermöglicht ist,
insbesondere unter Verwendung von Piezzo-Elementen.
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Insbesondere
für die
Durchführung
des voranstehend erläuterten
Verfahrens ist gem. Anspruch 9 eine Vorrichtung für die Analyse
von Biogas vorgesehen, die einen rohrartigen Messraum aufweist,
der beiderends gasdicht verschlossen ist, der mit einem Gaseintritt
und mit einem Gasaustritt für
das Biogas versehen ist, und der einerends zentral einen Schallwellensender
und einen Schallwellenempfänger
und andernends zentral einen Schallwellenreflektor aufweist.
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Eine
solche Vorrichtung ist mechanisch robust und kann kostengünstig hergestellt
werden. Andererseits erlaubt die Vorrichtung, bei entsprechender
Länge des
rohrartigen Messraums, exakte Messungen, da die doppelte Länge des
rohrartigen Messraums als vorgegebener Weg für die Schallwellen zur Verfügung steht.
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Um
die Genauigkeit der Messungen nicht zu beeinträchtigen, ist vorgesehen, dass
der Gaseintritt und der Gasaustritt jeweils radial und/oder tangential endseitig
des Messraums angesetzt sind.
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Zweckmäßigerweise
findet für
das Erzeugen, insbesondere eines Ultraschall-Signals, ein Piezzo-Schallwellensender
Verwendung. Vorzugsweise ist für
ein Erzeugen und für
einen Empfang der Schallwellen solch ein Piezzo-Element vorgesehen, wie
sie für
eine Ultraschall-Entfernungsmessung bspw. Verwendung finden. Auch
eine solche Maßnahme
reduziert die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da auf die
Verwendung von speziellen Bauteilen bei der Biogas-Analysevorrichtung
nach der Erfindung verzichtet werden kann.
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Ähnliches
gilt für
den Schallwellenreflektor, der als einfache, ebene Platte und insbesondere
als Reflektionsoktant ausgebildet ist, beispielsweise durch drei
in jeweils einem Winkel von 90 Grad zueinander orientierten, miteinander
verbundenen, einfachen Blechplatten. Ein solcher Reflektionsoktant
wird auftretende Schallwellen auf einem Weg parallel zur Einlaufrichtung
reflektieren, womit nur geringe Anforderungen an seine Positionierung
gestellt werden müssen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzeugt das Piezzo-Element des Schallwellensenders einen kurzen
Ultraschallimpuls, der sich insbesondere parallel zur Rohrachse
ausbreitet. Dieser Ultraschallimpuls wird an dem Reflektionsoktanten
reflektiert und zurück
zu dem Piezzo-Element, das nunmehr als Schallsensor fungiert, zurückgeworfen.
Aus der Laufzeit zwischen der Emission des Ultraschallimpulses und
dem Eintreffen der Reflektionswelle sowie dem bekannten, zurückgelegten
Weg, kann die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden, aus der eindeutig
auf die Zusammensetzung des Biogases hinsichtlich der Anteile des
Methans und des Kohlenstoffdioxydgehaltes geschlossen werden kann,
da alle übrigen
Einflüsse
durch die Vorkonditionierung des Biogases ausgeschlossen wurden.
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Hinsichtlich
der Abmessungen kann vorgesehen sein, dass der Weg der Schallwellen
zwischen dem Schallwellensender und dem Schallwellenempfänger zwischen
200 mm und 2000 mm beträgt.
Bevorzugt ist ferner ein Messraum von rundem Querschnitt, so dass
auf handelsübliche
Rohre für
die Ausbildung des Messraums zurückgegriffen
werden kann. Der Durchmesser eines solchen, den Messraum ausbildenden
Rohres sollte zwischen 7,5 cm und 12,5 cm betragen, insbesondere
10 cm, so dass ein ausreichend großer Volumenstrom vermessen werden
kann.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung wird anhand der
Zeichnung näher
erläutert,
deren einzige Figur diagrammartig das Verfahren erläutert und
ein Ausführungsbeispiel
einer Biogasanalyse-Vorrichrung wiedergibt.
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Das
in einer Biogasanlage 1, in Faultürmen von Kläranlagen oder dergleichen erzeugte
Biogas weist neben Methan und Kohlenstoffdioxyd bei einer Temperatur
von beispielsweise 37°C
regelmäßig nennenswerte
Anteile an Wasserdampf und Schwefelwasserstoff auf. Für eine Bestimmung
des Methananteils an dem Biogas wird gemäß der Erfindung als erstes
ein Volumenstrom separiert, angedeutet durch die Leitung 2 mit
Verdichter 3.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
als folgender Verfahrensschritt eine Entschwefelung des separierten
Biogases-Volumenstroms vorgesehen, beispielsweise in einem Nassverfahren, angedeutet
durch einen Wasch- oder Absorberturm 4. Andere Verfahren
sind gleichwohl geeignet, da die Entschwefelung, das Abscheiden
des Schwefelwasserstoffanteils, lediglich der weiteren Vorkonditionierung
des Biogases dient.
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Alternativ,
gegebenenfalls aber auch zusätzlich,
kann das gesamte, der Biogasanlage entzogene Biogas einer Entschwefelung
unterzogen werden.
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Einer
solchen Vorkonditionierung des Biogases dient die nachfolgende Abkühlung des
Biogases auf eine konstante, vorgegebene Temperatur von beispielsweise
25°C, so
dass Anteile des in dem Biogas enthaltenen Wassers auskondensieren.
Die Abkühlung
erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel durch
Verwendung einer Kompressionskälteanlage 6 mit
angedeutetem Kondensator 5.
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Insbesondere
bei einem für
eine Analyse separierten und entsprechend geringen Volumenstrom kann
alternativ für
eine Abkühlung
auch ein Peltier-Kühlelement
Verwendung finden.
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Nach
der Entschwefelung und der Abkühlung
auf die vorgegebene Betriebstemperatur von hier 25°C ist für eine Analyse
der Einfluss eines variablen Wasserdampfgehaltes und eine Verunreinigung
durch Schwefelwasserstoff eliminiert, so dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Schall in dem so vorkonditionierten Biogas nur noch von dem
Verhältnis
der Methan- und Kohlenstoffdioxydanteile abhängt.
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Das
vorkonditionierte Biogas wird einer Biogas-Analysevorrichtung 7 zugeführt. Die
Biogas-Analysevorrichtung 7 ist rohrartig ausgebildet und
weist einen Messraum 8 von rundem Querschnitt und beispielsweise
einem Durchmesser von 10 cm und eine Länge von 50 cm auf. Der Gaseintritt 9 und der
Gasaustritt 10 erfolgt radial endseitig des Messraums 8,
alternativ tangential. Damit stehen die Stirnseiten 11, 12,
die den Messraum 8 beiderends gasdicht abschließen, ungestört für die Aufnahme
einer Sensorik zur Verfügung.
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Die
Sensorik besteht im Wesentlichen aus einem kombinierten Schallwellensender 13 und
einem Schallwellenempfänger 14,
die vorzugsweise im Ultraschallbereich arbeiten und hierzu weiter
bevorzugt über
ein Piezzo-Element verfügen.
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Andernends
des Messraums 8 ist an der Stirnseite 12 ein Schallwellenreflektor 15 angeordnet.
Dieser wird bei dem Ausführungsbeispiel
durch ein drei, jeweils in einem Winkel von 90° zueinander orientierten Platten
aufweisenden Reflektions-Oktant ausgebildet, der die parallel zu
der Messraumachse 16 abgestrahlten Ultraschalimpulse des
Schallwellensenders 13 parallel zur Einlaufrichtung reflektiert und
in die Richtung des Schallwellenempfängers 14 zurücksendet.
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Aus
der Laufzeit zwischen der Abstrahlung der Ultraschallwelle und dem
Eintreffen der reflektierten Welle sowie dem von der Schallwelle
zurückgelegten
Weg kann auf die Schallgeschwindigkeit und aus dieser eindeutig
auf die Zusammensetzung des Biogases aus Methan und Kohlenstoffdioxyd
geschlossen werden.
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- 1
- Biogasanlage
- 2
- Leitung
- 3
- Verdichter
- 4
- Waschturm
- 5
- Kondensator
- 6
- Kompressionskälteanlage
- 7
- Biogas-Analysevorrichtung
- 8
- Messraum
- 9
- Gaseintritt
- 10
- Gasaustritt
- 11
- Stirnseite
- 12
- Stirnseite
- 13
- Schallwellensender
- 14
- Schallwellenempfänger
- 15
- Schallwellenreflektor
- 16
- Messraumachse