NDIR-Sensoren - Gassensoren - Forschung und Entwicklung

Prozessgasmessung für Holzvergaser leichtgemacht

Prozessgasmessung für Holzvergaser leichtgemacht

Eine Möglichkeit aus biogenen Festbrennstoffen gleichzeitig Strom und Wärme zu erzeugen, ist die thermochemische Vergasung von Holz. Die Burkhardt GmbH aus Mühlhausen entwickelte kompakte Holzvergaser für Blockheizkraftwerke erfolgreich zur Serienreife. So können Pellets nicht nur für das CO2-neutrale Heizen, sondern auch für eine vollständige Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden. Für die Prozesssteuerung und -überwachung setzt Burkhardt NDIR-Sensoren der FLOWEVO-Serie von smartGAS ein. 

Unter dem Stichwort „Holzvergasung“ wird der gesamte Prozess der thermochemischen Vergasung von Holz zusammengefasst, also vereinfacht das Verfahren um Strom und Wärme dezentral in kleineren Anlagen mit hohen Wirkungsgraden zu erzeugen, indem das erzeugte Produktgas (Holzgas) in einem Gasmotor genutzt wird. Im Rahmen der Energiewende und der Diskussion um die zunehmende Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen wurde auch die Holzvergasung sowie die Vergasung anderer organischer Stoffe zur Gewinnung von gasförmigen Brennstoffen zur Wärme- und Stromerzeugung erneut diskutiert. In den letzten Jahren hat die Technik der Strom- und Wärmeerzeugung aus Holzgas den Schritt der Markteinführung vollzogen. So produziert auch die oberpfälzische Firma Burkhardt Energie- und Gebäudetechnik GmbH aus Mühlhausen seit dem Jahr 2010 Holzvergaser in Serie. 

Die ursprünglich in der Gebäudetechnik und Spenglerei angesiedelte Firma beschäftigt heute etwa 400 Mitarbeiter, die sich auf fünf Standorte verteilen. Im Bereich der Energietechnik ist man seit dem Jahr 2005 tätig, damals startete die Produktion und der Verkauf von mit Pflanzenöl betriebenen Blockheizkraftwerken. Parallel dazu begann die Forschung und der Entwicklung eines eigenen Holzvergasers. Im Jahr 2010 konnte dann der erste Holzvergaser vom Typ V3.90 verkauft werden. Seitdem wurden weltweit über 250 Holzvergaser installiert. 

Kraft-Wärme-Kopplung mit Holzpellets 

Durch die Vergasung der Holzpellets und die anschließende Nutzung des Produktgases in einem Verbrennungsmotor mit Kraft-Wärme-Kopplung wird die in den Holzpellets enthaltene Energie bestmöglich verwertet. Bei der Holzvergasung finden Pyrolysevorgänge statt, die durch den Einfluss hoher Temperaturen und Luftzufuhr aus dem Brennstoff Holz neben Holzkoks bzw. Holzkohle auch brennbares Gas entstehen lassen. Dieses kann extrahiert, gereinigt und anschließend weiterverwendet werden. Im Falle der Burkhardt-Anlagen wird das im Holzvergaser gereinigte Gas in einem sogenannten Blockheizkraftwerk (BHKW) weiterverwendet und dort zu Wärme und Strom umgewandelt. 

Die technisch komplexe Motortechnik erfordert eine stetige Überwachung der Holzgasqualität. Diese kontinuierliche Überwachung wird durch mehrere smartGAS-Sensoren realisiert. Dabei wird das vorgereinigte Holzgas direkt und dauerhaft von mehreren Sensoren gemessen und live in der Burkhardt-eigenen Software dargestellt. Zur Anwendung kommen drei Sensoren der FlowEVO-Serie für Methan (CH4), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Sie überwachen kontinuierlich die Holzgasqualität. Der Methansensor dient als Indikator für die in der Holzgasproduktion kritische Komponente Teer. Steigt beispielsweise der CH4-Gehalt während des BHKW-Betriebes über 4,0 Prozent, wird der Motor automatisch durch die Software so lange gestoppt, bis sich die Gasqualität wieder verbessert hat. An die Messung der Sensoren sind die Betriebszustände von Holzvergaser und BHKW auch bei Über- oder Unterschreitung vordefinierter Grenzwerte gekoppelt, um die Anlagentechnik zu schonen und Schäden zu verhindern. 

Die Sensoren werden in der Analyseeinheit eingesetzt

Die Sensoren werden in der Analyseeinheit eingesetzt

Gassensoren für die Prozesssteuerung 

NDIR-Sensoren von smartGAS bieten viele Vorteile für die Emissionsmessung, die Prozessmesstechnik und die Überwachung von Gaskonzentrationen. Sie decken eine große Bandbreite messbarer Gase ab und überzeugen vor allem dort, wo es auf Zuverlässigkeit, Präzision und einfaches Handling ankommt. Verschiedene Ausführungsformen lassen sich sehr einfach miteinander kombinieren, was auch komplexe Messaufgaben ermöglicht. Alle smartGAS-Sensoren zeichnen sich durch niedrige Detektionsgrenzen, geringe Drift, einen großen Temperaturbereich sowie ausgesprochen niedrige Betriebs- und Wartungskosten aus. Optische NDIR-Gassensoren, wie die erfolgreichen FLOWEVO-Sensoren, basieren auf dem Prinzip der nichtdispersiven Infrarotabsorption. Sie vereinen Messgenauigkeit mit Langlebigkeit und einfachem Handling, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Das Messprinzip nutzt die Eigenschaft von Gasmolekülen, Infrarotstrahlung in spezifischen Wellenlängen zu absorbieren. Je höher die Konzentration des jeweiligen Gases ist, desto mehr Infrarotstrahlung absorbiert es. Der im Sensor verbaute Detektor registriert die abgeschwächte Lichtintensität der Strahlung und wandelt diese in ein Signal um, das der vorhandenen Gaskonzentration entspricht. Ein vorgeschaltetes und auf das jeweilige Gas angepasstes Interferenzfilter stellt sicher, dass der Detektor nur auf die Wellenlänge des Zielgases anspricht und somit möglichst selektiv arbeitet. Optische Gassensoren basieren also auf einem rein physikalischen Prinzip und im Gegensatz zu chemischen Verfahren verbrauchen sie sich somit nicht. Sie sind damit wesentlich wartungsärmer und langlebiger. Der geringere Wartungsaufwand und die zuverlässigen Messungen drücken sich somit vorteilhaft für den Anwender in geringen Stillstandzeiten der Anlagen und somit einer hohen Anlagenverfügbarkeit aus. 

Selektiv, präzise, langlebig, wartungsarm 

Prinzipbedingt zeichnen sich NDIR-Gassensoren durch ihre hohe Selektivität, Messgenauigkeit, Langzeitstabilität, niedrige Detektionsgrenzen, einen breiten Temperaturbereich, kurze Ansprechzeiten und eine sehr geringe Drift aus. Ein integrierter, optischer Referenzkanal dient dazu, fortwährend den optischen Gesamtzustand des Sensors zu bestimmen, um Messfehler, z. B. durch den Eintrag von Ablagerungen in die Optik oder Alterungserscheinungen des IR-Strahlers zu verhindern. 

Die FLOWEVO-Sensoren werden in der von Burkhardt entwickelten und gebauten Analyseeinheit eingesetzt, die kompakt konstruiert und einfach austauschbar ist. Das Messgas wird im Analyseschrank vor der Messung über eine Gaswäsche, einen Filter und eine Gaskühlung aufbereitet, um optimale Betriebsbedingungen für die Sensorik herzustellen. Die kompakte Bauweise und die einfache Handhabung der Sensoren ist dabei ein großer Vorteil. Vor allem die regelmäßige Kalibrierung der Sensoren ist in dieser Anwendung wichtig und einfach möglich, um verlässliche Messwerte zu gewährleisten. Die smartGAS-Sensoren können von Burkhardt selbst kalibriert werden, was eine klare Zeit- und Kostenersparnis bedeutet. 

Bilder: Burkhardt und smartGas 
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