[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Methangehalts eines Gases, vorzugsweise innerhalb eines Membranzwischenraums zwischen einer inneren Membran und einer äußeren Membran eines Membransystems, vorzugsweise in einer Biogasanlage. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen des Gehalts von Methan in einem Gas, vorzugsweise in einem Membranzwischenraum zwischen einer in neren Membran und einer äußeren Membran eines Membransystems, vorzugsweise ei ner Biogasanlage, und eine Anlage, vorzugsweise Biogasanlage, mit einem Membransys tem, das eine innere Membran und eine äußere Membran aufweist, und einer Vorrichtung zum Messen des Methangehalts eines Gases im Membranzwischenraum des Membran systems.

[0002] Vorrichtungen zum Messen des Methangehalts eines Gases sind allgemein bekannt. Sie werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt und umfassen üblicherweise einen sogenannten nicht-dispersiven Infrarotsensor, der auch als NDIR-Sensor bezeich net wird. Die wichtigsten Bestandteile eines solchen Sensors zur Gasanalyse sind eine Quelle für Infrarotstrahlung, eine durchstrahlte Röhre bzw. Küvette mit dem zu analysie renden Gas, ein Wellenlängenfilter und ein Infrarot- Detektor. Das zu untersuchende Gas wird entweder in die Probenkammer gepumpt oder die fundiert in diese Kammer. Die Kon zentration des gesuchten Gases wird elektro-optisch über das Ausmaß der Absorption ei ner spezifischen Wellenlänge im Infrarotspektrum gemessen. Das Licht der Infrarot-Quelle (IR = Infrarot) durchstrahlt dabei das Gas in der Probenkammer sowie das Filter und trifft dann auf den IR-Sensor. Das Filter hat die Aufgabe, aus dem Spektrum der Lichtquelle nur ein sehr schmales Spektrum durchzulassen, dessen Frequenzbereich so gewählt wird, dass es von den Molekülen des untersuchten Gases effektiv absorbiert wird. Idealer weise sollten die anderen im Gasgemisch der Probe enthaltenen Gase Licht dieser Wel lenlänge nicht absorbieren. Die verwendeten IR-Signale werden vielfach moduliert oder gepulst, um bspw. thermische Phänomene kompensieren zu können.

[0003] Wie bereits erwähnt werden solche Sensoren zur Gasanalyse in unterschiedlichen techni schen Anwendungsbereichen eingesetzt. In sogenannten Biogasanlagen, oder allgemein in Anlagen mit einem Membransystem bestehend aus einer inneren Membran und einer äußeren Membran, werden Sensoren eingesetzt, um Alarm zu geben, wenn das beim an aeroben Abbau entstehende Methan ungewollt in die Umgebung, d.h. unsbesondere in ei nem Membranzwischenraum zwischen innerer Membran und äußerer Membran, gelangt. Mittlerweile sind die staatlichen Vorgaben bei der Erfassung von Methan so streng, dass bestehende Systeme kaum in der Lage sind, Methanwerte von 100 ppm und darunterzu messen.

[0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zum

Messen des Methangehalts eines Gases bereitzustellen, die insbesondere im Bereich von Biogasanlagen in der Lage ist, Werte von 100 ppm Methan oder weniger innerhalb eines Membranzwischenraums eines Membransystems zuverlässig zu erfassen.

[0005] Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung zum Messen des Methangehalts eines Gases, vorzugsweise in einer Biogasanlage, gelöst, die folgende Merkmale aufweist: eine erste Gaszuführung, die Gas aus einer ersten Quelle erhält, eine zweite Gaszuführung, die Gas aus einer zweiten Quelle erhält, ein erstes steuerbares Ventil, das mit der ersten oder der zweiten Gaszuführung verbunden ist, eine Pumpe, die mit dem ersten Ventil verbunden ist, eine längliche Küvette, die mit der Pumpe verbunden ist, wobei die Länge der Kü vette zwischen 150mm und 800mm beträgt, ein zweites steuerbares Ventil, das mit der Küvette verbunden ist, und ausgelegt ist, das Gas in der Küvette zu halten oder aus der Küvette ausströmen zu lassen, eine IR-Strahlungsquelle, die angeordnet ist, um IR-Strahlung durch die Küvette zu senden, wobei die IR-Strahlungsquelle als idealer Schwarzstrahler ausgebildet ist, eine Filtereinrichtung, die angeordnet ist, um die durch die Küvette hindurchgelau fene Strahlung zu filtern; einen IR-Detektor, der angeordnet ist, um die durch die Filtereinrichtung gefilterte Strahlung zu detektieren und ein Messsignal zu erzeugen; und eine Auswerteeinrichtung, die mit dem IR-Detektor verbunden ist und ausgelegt ist, die vom IR-Detektor erzeugten Messsignale auszuwerten und daraus den Methange halt des zugeführten Gases aus der ersten Quelle relativ zu dem Methangehalt des Ga ses aus der zweiten Quelle zu ermitteln.

[0006] Durch die Verwendung einer im Vergleich zu bisherigen Lösungen relativ langen Küvette und einem idealen Schwarzstrahler als IR-Strahlungsquelle können deutlich verbesserte Messergebnisse erzielt werden. Darüber hinaus können durch äußere Einflüsse verur sachte Messfehler gerade bei der Verwendung in Biogasanlagen über die Betrachtung der Differenz zwischen Methangehalt aus der ersten und der zweiten Quelle vermieden werden.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung wird damit vollständig gelöst.

[0008] Bei einer bevorzugten Weiterbildung besitzt die Küvette eine Länge von 160 mm. Diese Länge hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. [0009] Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die Filtereinrichtung mehrere Filter auf, die

Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen hindurchlässt, wobei die Wellenlängenbereiche wie folgt sind: 60nm, 90nm, 120nm und 180nm.

[0010] Durch die Verwendung einer Filtereinrichtung mit mehreren Filtern ist es möglich, mehrere Absorptionsspektren zu detektieren, was die Messgenauigkeit verbessert. Beispielsweise kann ein Filter so ausgewählt werden, dass es ein Frequenzband durchlässt, das von kei nem Gas absorbiert wird.

[0011] Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird die IR-Strahlungsquelle mit einer Frequenz von 2 Hz gepulst. Weiter bevorzugt wird die Leistung der IR-Strahlungsquelle moduliert, insbe sondere werden 5 Leistungsstufen von jeweils 2 Sekunden durchlaufen.

[0012] Diese Maßnahme hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Messgenauigkeit kann darüber weiter erhöht werden. So kann durch die Modulierung der Leistungsstufen eine Optimierung der Amplitudenauswertung erreichen. Insbesondere werden durch die Modulation Spitzenwerte unterschiedlicher Höhe erreicht. Damit ist es immer möglich, ei ne optimierte Auswertung durchzuführen, da man das beste Ergebnis zwischen Methan und einer Referenz zur Auswertung nutzt.

[0013] Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist ein weiteres Ventil vorgesehen, das ausgelegt ist, abwechselnd Gas der ersten und der zweiten Quelle an das erste Ventil zu führen. Bevor zugt werden das erste Ventil und das zweite Ventil während eines Messvorgangs ge schlossen.

[0014] Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auch von einem Verfahren zum Mes sen des Gehalts von Methan in einem Gas gelöst, dass folgende Merkmale aufweist:

Zuführen des zu messenden Gases aus einer ersten Quelle in eine Messkammer, vorzugsweise in eine Küvette, die eine Länge von zwischen 150mm und 800mm aufweist; nach einer vorgebebenen Zeitdauer, die ausreicht, dass sich das Gas in der Mess kammer beruhigt, Bestrahlen der Messkammer mit einer von einem idealen Schwarzstrahler erzeugten IR-Strahlung, wobei die Leistung der Strahlung moduliert ist;

Filtern der durch die Messkammer hindurchgelaufenen Strahlung;

Erfassen der gefilterten Strahlung mit einem IR-Detektor;

Auswerten der vom IR-Detektor erfassten Strahlung und Speichern des Ergebnis ses;

Durchführen der vorgenannten Schritte mit einem Gas aus einer zweiten Quelle, und

Vergleich der beiden Ergebnisse, um den Methangehalt des Gases aus der ersten Quelle relativ zu dem des Gases aus der zweiten Quelle zu ermitteln.

[0015] Bei einer bevorzugten Weiterbildung besitzt die Messkammer eine Länge von 160mm.

Weiter bevorzugt wird die IR-Strahlung gepulst, vorzugeben mit einer Frequenz von 2 Hz. Bevorzugt wird die IR-Strahlung über 5 Leistungsstufen von jeweils 2 Sekunden modu liert.

[0016] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Anlage, insbesondere Biogasanlage gelöst, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Methange halts aufweist. Die Anlage weist dabei einen Substratraum, einen Gasspeicher, der ober halb des Substratraums liegt und durch eine innere Membran begrenzt ist, und einen Membranzwischenraum auf, der oberhalb der inneren Membran liegt und durch eine äu ßere Membran, insbesondere eine Wetterschutzmembran nach Außen abgeschlossen ist, wobei der Membranzwischenraum eine Öffnung für Zuluft und eine Öffnung für Abluft auf weist. Der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dabei die Abluft als Gas aus der ersten Quelle und die Zuluft als Gas aus der zweiten Quelle zugeführt. [0017] Der Einsatz der Erfindung gemessen Vorrichtung in einer Biogasanlage hat sich als be sonders vorteilhaft herausgestellt, da durch die Differenzmessung sehr hohe Messgenau igkeiten zuverlässig erzielbar sind, die durch äußere Einflüsse nicht verfälscht werden. Solche äußeren Einflüsse können vielfältiger Natur sein, beispielsweise kann ein an einer Biogasanlage vorbeifahrendes Fahrzeug durch seine Abgase die Zuluft verunreinigen und damit zu einem verfälschten Messwert führen.

[0018] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläutern den Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in ande ren Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorlie genden Erfindung zu verlassen.

[0019] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Dabei zeigen:

[0020] Figur 1 eine schematische Darstellung einer Biogasanlage;

[0021] Figur 2 eine schematische Blockschaltdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Methangehalts; und

[0022] Figur 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Messverfahrens.

[0023] In Figur 1 ist eine Biogasanlage, stellvertretend allgemein für Anlagen mit einem Mem bransystem, in stark vereinfachter Form dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 ge kennzeichnet. In einer solchen Biogasanlage 10 wird durch einen anaeroben mikrobiellen Abbau von Biomasse das energiereiche Gas Methan erzeugt.

[0024] Die Biogasanlage 10 umfasst einen Reaktor 12, der mit einem Substrat 14 (Biomasse) gefüllt wird. Ferner weist die Biogasanlage ein Membransystem auf, das zumindest eine innere Membran 18 und eine äußere Membran 22 besitzt. Der Reaktor 12 ist nach oben hin durch die innere Membran 18, die nachfolgend auch als Gasmembran 18 bezeichnet wird, abgeschlossen, wobei das Biogas zwischen dem Substrat und der Gasmembran 18 in einem Gasspeicher 16 aufgefangen wird.

[0025] Der Reaktor 12 ist durch die äußere Membran 22, die nachfolgend auch als Wetterschutz membran 22 bezeichnet wird, gegenüber Umwelteinflüssen geschützt, wobei zwischen der Wetterschutzmembran 22 und der Gasmembran 18 ein Membranzwischenraum 20 gebildet wird.

[0026] Die Wetterschutzmembran 22 wird durch sogenannte Stützluft gehalten, die über eine Zu luft-Öffnung 24 in den Membranzwischenraum 20 einströmt und über eine Abluft-Öffnung 26 ausströmt. Die Stützluft wird von einem Stützluftgebläse bzw. Verdichter 32 bereitge stellt und über eine Rohrleitung 34 zur Zuluft-Öffnung 24 geführt. Die Zuluft-Öffnung 24 liegt üblicherweise auf der gegenüberliegenden Seite der Abluft-Öffnung 26. Der von der Stützluft ausgeübte Druck auf die Wetterschutzmembran 22 ist so ausgelegt, dass sie ge genüber unterschiedlichen Belastungszuständen, die bspw. durch Windlast oder Schnee last verursacht werden, sicher abgestützt wird.

[0027] Das produzierte Biogas, das im wesentlichen Methan und Kohlendioxid aufweist, kann über eine Biogas-Auslassöffnung 30 aus dem Gasspeicher 16 für die Weiterverarbeitung ausgeleitet werden.

[0028] Um Undichtigkeiten in der Gasmembran 18 zu erkennen, wird üblicherweise die aus der Abluft-Öffnung 26 abgeführte Stützluft auf ihren Methananteil geprüft. Mittlerweile sind die gesetzlichen Vorgaben (TRAS 120 „Sicherheitstechnische Anforderungen an Biogasanla gen“) so streng, dass 100 ppm Methan und weniger erkannt werden müssen.

[0029] Die Stützluft im Membranzwischenraum 20 wird für eine Gasanalyse über eine Rohrlei tung 36 zu einer Messvorrichtung 40 geführt, die prüft, ob die Stützluft Methan enthält. Die Funktionsweise und der Aufbau der Messvorrichtung 40 werden nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert. [0030] Aus Figur 1 ist noch ersichtlich, dass der Messvorrichtung 40 auch die vom Verdichter 32 bereitgestellte Stützluft zugeführt wird. Die beiden der Messvorrichtung 40 zugeführten Gase sind mit V1 und V2 bezeichnet, wobei V1 die einströmende Stützluft, Zuluft, und V2 die ausströmende Stützluft, Abluft, bezeichnet.

[0031] Figur 2 zeigt in schematischer Blockdarstellung die Messvorrichtung 40, die zur Gasanaly se der im Membranzwischenraum 20 befindlichen Stützluft dient. Die Messvorrichtung 40 weist ein Zwei-Wegeventil 42 auf, dem die die Zuluft als auch die Abluft V1 und V2 zuge führt werden. Das Zwei-Wegeventil 42 kann so gesteuert werden, dass es einen der bei den Luftströme V1 und V2 an ein nachfolgendes Messgasventil 44 führt.

[0032] Das Messgasventil 44 kann gesteuert geöffnet und geschlossen werden, um so selektiv das zu analysieren Gas zu einer nachfolgenden Pumpe 46 zu führen.

[0033] Die Pumpe 46 pumpt das Gas durch einen vorzugsweise zylindrischen Innenraum 56 ei ner Küvette 50, wobei das Gas durch eine Einlassöffnung 54 in den Innenraum 56 ein strömt und durch eine Auslassöffnung 58 ausströmt.

[0034] Stromabwärts der Auslassöffnung 58 ist ein weiteres Ventil 52 vorgesehen, das ebenfalls gesteuert geöffnet und geschlossen werden kann.

[0035] Wie sich aus der schematischen Figur 2 ergibt, sind die Einlassöffnungen 54 und die Aus lassöffnung 58 der Küvette 50 an gegenüberliegenden Endabschnitten der Küvette vorge sehen, sodass das zu analysierende Gas möglichst durch den gesamten Innenraum 56 strömt.

[0036] Die Küvette 50 hat bevorzugt eine zylindrische Form und ist bevorzugt 150 mm bis 800 mm lang, wobei sich eine Länge von 160 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt hat.

[0037] Die beiden Längsenden der Küvette 50 sind aus einem Material gefertigt, dass Infrarot strahlung durchlässt. Für die Gasanalyse des im Innenraum 56 befindlichen Gases wird nämlich von außen über ein Infrarot-Strahler 60 Infrarotlicht ein gestrahlt, sodass es sich parallel zur Längsachse über die gesamte Länge der Küvette ausbreitet und am gegen überliegenden Ende austritt und auf einen Detektor 62 trifft. Da unterschiedliche Gase un terschiedliche Frequenzspektren absorbieren, kann anhand des vom Detektor erfassten Lichtspektrums auf die im Innenraum 56 enthaltenen Gase geschlossen werden.

[0038] Bei dem Infrarot-Strahler 60 handelt es sich um einen idealen Schwarzstrahler, wie er bei spielsweise von der Firma Axetris AG, Schweiz, unter dem Produktnamen EM I RS200_AT01 T_BR060_Series oder EMIRS200_AT02V_BR060_Series erhältlich ist.

[0039] Bei dem Detektor 62 handelt es sich um einen Vierkanaldetektor mit Filtereinrichtung 64, wie er beispielsweise von der Firma Infratec GmbH, Deutschland, unter dem Produktna men LRM-284-# erhältlich ist. Für die vier Kanäle werden Filter im Bereich von 60nm, 90nm, 120nm und 180nm bevorzugt verwendet.

[0040] Der Detektor 62 ist elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung 66 verbunden, die die Aus wertung der erfassten Signale vornimmt. Darüber hinaus steuert die Auswerteeinrichtung 66 auch die steuerbaren Ventile sowie die Pumpe an, um die Gasanalyse bzw. das Mess verfahren durchzuführen. Das Messverfahren selbst wird später unter Bezugnahme auf die Figur 3 näher erläutert.

[0041] In Figur 2 ist noch eine Leitung 70 zu erkennen, die mit dem Eingang der Pumpe 46 ver bunden ist. Über diese Leitung 70 kann ein zur Spülung des Innenraums 56 benutztes Gas eingebracht werden, oder alternativ ein Testgas, das zur Kalibrierung verwendet wird.

[0042] Die Messvorrichtung 40 umfasst ferner noch ein Pulsationsdämpfungselement 48, das zwischen der Pumpe 46 und der Einlass-Öffnung 54 vorgesehen ist, und die Aufgabe hat, den von der Pumpe erzeugten Gasstrom zu vergleichmässigen.

[0043] Für eine Gasanalyse wird, wie in Figur 3 gezeigt ist, zunächst das Ventil 44 sowie das Ventil 52 geöffnet und die Pumpe 46 eingeschaltet. Dadurch strömt das zu messende Gas, je nach Schaltstatus des Zwei-Wegeventils 42 V1 oder V2, durch den Innenraum 56 der Küvette 50. Nach einer Dauer von beispielsweise 3 Minuten wird die Pumpe 46 aus geschaltet und die beiden Ventile 44,52 geschlossen.

[0044] Nach einer gewissen Zeit, die davon abhängt, wie lange es dauert, bis sich das Gas im In nenraum 56 beruhigt hat, kann mit der Messung begonnen werden.

[0045] Für die Messung wird der IR-Strahler 60 mit einer Frequenz von 2 Hz gepulst, sodass ge pulste IR-Strahlung durch den Innenraum 56 über die gesamte Länge L der Küvette 50 gestrahlt wird. Der gegenüberliegende Detektor 62 erfasst diese gepulste IR-Strahlung, wobei die Filtereinrichtung 64 über vier Filter verfügte, die vier unterschiedliche Frequenz spektren an den Detektor 62 durchlässt. Die vier Frequenzspektren sind bevorzugt wie folgt: 60nm, 90nm, 120nm und 180nm.

[0046] Der Detektor 62 wird so betrieben, dass die Detektorleistung jeweils für 2 Sekunden über insgesamt 5 Leistungsstufen moduliert wird. Diese Modulation ermöglicht eine Optimie rung der Amplitudenauswertung der erfassten Signale

[0047] Wie zuvor bereits erwähnt, absorbieren die unterschiedlichen Gase im Innenraum 56 un terschiedliche Frequenzspektren, sodass die Auswertung dieser Absorption Rückschlüsse auf die enthaltenen Gase sehr zuverlässig zulässt.

[0048] Die vom Detektor 62 erfassten Messsignale werden ausgewertet und abgespeichert. Im nächsten Schritt wird nun das vorherige Messverfahren noch einmal durchgeführt, dann jedoch für das andere Gas V1 bzw. V2.

[0049] Anschließend können die Messwerte für das Gas V1 und das Gas V2 miteinander vergli chen werden, um auf diese Weise festzustellen, wie sich der Methananteil in den beiden Gasströmen unterscheidet. Ist ein Unterschied festzustellen, könnte dies auf ein Leck in der Gasmembran 18 hindeuten.

[0050] Da der Membranzwischenraum 20 ein großes Raumvolumen aufweisen kann, muss da von ausgegangen werden, dass die einströmende Stützluft nicht unmittelbar wieder aus diesem Membranzwischenraum 20 ausströmt. Vielmehr wird sie eine gewisse Zeitdauer in dem Membranzwischenraum 20 verbleiben. Das bedeutet jedoch auch, dass ein einzel ner Differenz-Messwert alleine noch nicht ausreicht, um eine Leckage festzustellen.

[0051] Es ist vielmehr erforderlich, dass beschriebene Messverfahren innerhalb beispielsweise einer Stunde mehrmals d. h. beispielsweise jede 5 Minuten durchzuführen und einen Messwert-Trend der Differenz-Messwerte zu analysieren. Nur wenn der Trend über die sen Zeitraum hin zu größeren Differenzen geht, kann auf eine Leckage sicher geschlos sen werden. In einem solchen Fall wird die Messvorrichtung 40 dann einen Alarm ausge ben, um die Notwendigkeit einer Untersuchung der Anlage anzuzeigen.

[0052] Nach einer Zeitdauer von beispielsweise 5 Stunden kann der beschriebene Messvorgang wiederholt werden.

[0053] Die beschriebene Messvorrichtung, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, erlaubt eine sehr präzise Messung des Methananteils, wobei Anteile von 100 ppm und weniger erkannt werden können. Dies wird insbesondere durch den Einsatz eines idealen Schwarzstrahlers und die gewählte Länge der Küvette 50 erreicht sowie durch die beschriebene modulierte De tektorleistung über insgesamt 5 Leistungsstufen. Um bei der Verwendung in einer Biogas anlage beispielsweise Umwelteinflüsse, d. h. bereits in der vom Verdichter bereitgestellten Zuluft vorhandene Verunreinigungen, ausblenden zu können, werden die beschriebenen Differenzmessungen durchgeführt. D. h. mit anderen Worten, dass die vorgenommene Berechnung beziehungsweise Gasanalyse nur den relativen Anteil von Methan zwischen zugeführter und abgeführter Stützluft darstellt.