Photoakustische Multikomponentenanalyse zur besseren Steuerung der Biogasproduktion

BMBF-Projekt "Photobiosense" erforscht Zusammensetzung von Biogas unter Einsatz neuer Kombinationen von modulierbaren Laserquellen und optisch-akustischer Messverfahren.

Bild 1: Photoakustische Laserspektroskopie wird verwendet, um die Gaszusammensetzung bei der Biogaserzeugung zu überwachen. Bild: TU Clausthal

Bild 2: Schema einer photoakustisch angeregten Stimmgabel. Bild TU Clausthal

24.03.16

BMBF-Verbundprojekt "Photobiosense"

Die Biogaserzeugung ist ein wichtiger Bestandteil bei der Bereitstellung regenerativer Energie. Neben den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid enthält es auch Verunreinigungen wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Diese Bestandteile sind hochkorrosiv und müssen bei Überschreitung gewisser Konzentrationen vor Nutzung des Gases zur Direktverstromung oder vor Einspeisung in das Gasnetz entfernt werden.

Die Bereitstellung kontinuierlich messender Verfahren würde nicht nur eine Überwachung der Anlage und eine vereinfachte Wartung ermöglichen, sondern bietet durch Bestimmung der Konzentration bestimmter Zwischenprodukte im Fermenter auch das Potential, ein tieferes Verständnis über den Fermentationsprozess zu gewinnen und aktiv in diesen einzugreifen. Die damit einhergehende effizientere Nutzung bestehender Anlagen würde die Attraktivität der Biogaserzeugung noch steigern.

Unterschiedliche Komponenten und deren Konzentration messen

In dem Projektverbund "Photobiosense" haben sich Partner mit dem Ziel zusammengefunden, einen echtzeitfähigen Sensor bereitzustellen, der sowohl die Hauptbestandteile als auch Spurengase in Biogasen messen kann. Zu diesem Zweck werden optische Verfahren der Lasertechnik und photoakustischen Messung kombiniert, um anhand der spektroskopischen Eigenschaften der im Biogas enthaltenen Komponenten deren Unterscheidung und Konzentrationsbestimmung zu ermöglichen.

Biogas setzt sich im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid und nur noch geringen Mengen von Sauerstoff zusammen. Hinzu kommen Spuren von Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff und anderen Komponenten, z. B. organischen Säuren. Gerade die Spurengase können Aufschluss über den aktuellen Zustand des Prozesses geben. Die Messung stellt dann ein leistungsfähiges Werkzeug zur Steuerung der Biogasproduktion bereit.

Handelsübliche Sensorik kann zumeist nur eine Komponente und diese auch nur begrenzt selektiv erfassen. Im Ergebnis setzen sich Analysesysteme aus mehreren Sensoren zusammen. Dadurch steigen Komplexität, Kosten und Wartungsaufwand an.

Spektroskopie mit Licht und Ton

Je nach Aufbau eines Moleküls wird es Licht bei verschiedenen Wellenlängen absorbieren. Will man die Komponenten in einem Gasgemisch einzeln detektieren, kann man die stoffspezifischen Unterschiede in den jeweiligen optischen Spektren nutzen. Eine Multikomponentenanalyse wird aber erst möglich, wenn man die spektralen Informationen für verschiedene Wellenlängen auswerten kann. Aufgrund der großen Absorptionslinienstärken und ihrer Lage, eignet sich hierfür insbesondere der mittlere Infrarotbereich.

Im Vorhaben werden daher zunächst geeignete Laserquellen entwickelt, die eine Absorption bei sehr schmalbandig zu wählenden Wellenlängen ermöglichen. Der Nachweis von sowohl Hauptbestandteilen als auch Spurengasen erfordert einen hohen Dynamikbereich, der mit herkömmlichen Spektroskopiemethoden nicht erreicht wird. Deshalb wird eine neue Technik der photoakustischen Spektroskopie erarbeitet, bei der eine Quarzstimmgabel (wie bei QEPAS-quartz enhanced photoacoustic spectroscopy) als optoakustischer Signalwandler eingesetzt wird. Anders als bei QEPAS wird die Stimmgabel aber nicht nur photoakustisch getrieben, sondern auch elektrisch, was die Messung weiterer Parameter ermöglicht, die zur Quantifizierung der Gaskonzentrationen verwendet werden können.

Der Projektverbund

In dem Vorhaben "Photobiosense", das von Anfang Januar 2016 bis Ende Dezember 2018 läuft, haben sich Experten aus dem Gebiet der Lasertechnik, der optisch-akustischen Messverfahren und der anwendungsorientierten Messtechnik zusammengefunden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt im Rahmen der Initiative „Vor-Ort-Analytik mit photonischen Verfahren für den Einsatz in den Lebenswissenschaften“ mit rund 1,32 Millionen Euro (gesamtes Projektvolumen sind 2,2 Millionen Euro).

Fraunhofer IAF, Sacher Lasertechnik und Sensor Photonics werden insbesondere ihre Kenntnisse auf dem Gebiet der schmalbandigen Laserlichtquellen einbringen, PicoLAS steuert notwendige Pulsstromversorgung und Anregungungselektronik bei. Im Ergebnis stehen Quellen für die photo-akustische Messzelle bereit, die von der TU Clausthal betreut wird.
Knestel und ExTox steuern Auswerte-Elektronik bei und integrieren die Sensorik in Messsysteme in eine anwendungsgerechte Hardware, z. B. Messgasförderung und –aufbereitung.

Das DBFZ bringt sein Fachwissen über die Eigenschaften der Biogasproduktion ein und wird den im Vorhaben aufgebauten Demonstrator unter realen Einsatzbedingungen testen.

Ansprechpartner

Schwerpunkt Sensorik:
Frau Dr. Ulrike Willer
TU Clausthal, Institut für Energieforschung und Physikalische Technologien
Tel. 05321 3816-8421
E-Mail: u.willer@tu-clausthal.de

Schwerpunkt Anwendung:
Dr. Michael Unruh
ExTox Gasmess-Systeme GmbH
Tel. 02303 33247-17
E-Mail: michael.unruh@extox.de

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt "Photobiosense" (PDF)

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