Schwankungen von Zusammensetzung und Menge des Biogases: woher die CH₄-Schwankungen kommen und wie sie gemessen werden

Biogas aus landwirtschaftlichen Anlagen enthält in der Regel 50–65% Methan und 35–50% Kohlendioxid sowie Spuren von Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserdampf und mitunter Stickstoff und Sauerstoff. Zusammensetzung und Menge sind nicht konstant: Sie ändern sich im Verlauf eines Tages (nach der Dosierung), im Verlauf von Wochen (nach einer Änderung der Mischung oder des Prozesszustands) und im Verlauf des Jahres (Silagequalität, Temperatur). Das Verständnis der Ursachen der Schwankungen ist Voraussetzung für die korrekte Beurteilung des Anlagenbetriebs und die Auswahl der nachgelagerten Geräte (CHP, Aufbereitung).

Was den CH₄-Gehalt beeinflusst

Nicht verwechseln: Der CH₄-Anteil im Biogas ist nicht dasselbe wie der Methanertrag je kg oTS. Gas mit Luftzusatz hat einen niedrigeren CH₄-Anteil, obwohl die Methanmenge gleich ist.

Tagesschwankungen

Nach der Dosierung von frischem Substrat steigt die Gasproduktion innerhalb einiger Stunden, erreicht einen Höchstwert und sinkt vor der nächsten Dosis. Anlagen mit ein- bis zweimaliger Dosierung pro Tag haben größere Schwankungen als solche mit kontinuierlicher Dosierung. Das Membrandach glättet die Schwankungen für den Motor, schnelle Änderungen der Zusammensetzung können jedoch die Zündung beeinflussen. Prüfen Sie, ob in den Messdaten ein wiederkehrendes Tagesmuster auftritt; sein Fehlen kann auf ein Messproblem hinweisen.

Jahreszeitliche Schwankungen

Im Sommer hat die Silage oft eine andere Zusammensetzung (erntebedingt), im Winter steigt der Wärmebedarf. Die Außentemperatur beeinflusst die Kondensation und die Volumenmessung, wenn der Gaszähler nicht kompensiert ist. Änderungen der Silagequalität zwischen den Chargen (z. B. Anfang und Ende des Silos, Öffnen einer neuen Silomiete) können den Ertrag um einige bis mehr als zehn Prozent verschieben.

So wird korrekt gemessen

1. Durchfluss: thermische Gaszähler oder Wirbelzähler mit Temperatur- und Druckkompensation; Umrechnung auf Nm³ (0 °C, 1013 mbar) oder klare Angabe der Bezugsbedingungen.
2. Zusammensetzung: CH₄/CO₂-Analysatoren (IR), O₂ (elektrochemisch oder paramagnetisch), H₂S (elektrochemisch). Sorgen Sie für eine Trocknung der Probe oder eine Feuchtekorrektur.
3. Entnahmestelle: an einer repräsentativen Stelle, nach der Trocknung, mit einer Probenleitung ohne Toträume.
4. Kalibrierung: mit Prüfgasen nach Herstellerempfehlung (in der Regel alle paar Monate bis einmal jährlich), mit Protokoll.
5. Mittelwertbildung: Zeichnen Sie Daten in kurzen Intervallen auf und berechnen Sie durchflussgewichtete Tagesmittelwerte.

Beispiel für eine Normierung

Der Gaszähler zeigt 250 m³/h bei 38 °C und einem Druck von 1.020 mbar abs. Umrechnung auf Nm³: 250 × (273,15/311,15) × (1020/1013,25) ≈ 250 × 0,8779 × 1,0067 ≈ 221 Nm³/h. Die Differenz von ca. 12% ergibt sich ausschließlich aus den Messbedingungen; bleibt sie unberücksichtigt, überhöht sie die Produktion und verfälscht Vergleiche. Zusätzlich hat wasserdampfgesättigtes Gas einen niedrigeren Anteil „trockenen“ Gases — misst der Analysator trockenes Gas und der Gaszähler feuchtes, muss die Feuchte berücksichtigt werden (bei 38 °C nimmt der Wasserdampf einige Prozent des Volumens ein).

Bedeutung für die nachgelagerten Geräte

Ein Gasmotor hat einen begrenzten Bereich des akzeptierten Heiz- und Methanwerts; ein Absinken von CH₄ unter den Grenzwert des Herstellers führt zu einer Leistungsminderung oder zur Abschaltung. Aufbereitungsanlagen erfordern stabile Eingangsbedingungen, einschließlich der Kontrolle von O₂ und H₂S. Die Schwankung der Gasmenge beeinflusst die Dimensionierung von Gasspeicher und Fackel.

Was zu tun ist, wenn die Zusammensetzung „schwimmt“

1. Prüfen Sie die Kalibrierung und die Probenentnahmestelle.
2. Gleichen Sie die Gasdaten mit Dosierung, FOS/TAC und pH-Wert ab.
3. Kontrollieren Sie die Luftzufuhr zur biologischen Entschwefelung.
4. Beurteilen Sie, ob nicht eine Änderung der Mischung die Ursache ist.
5. Bei anhaltendem CH₄-Rückgang leiten Sie das Verfahren zur Diagnose und Gegensteuerung bei Versauerung oder Hemmung ein.

Gute Gasdaten sind die Grundlage aller weiteren Entscheidungen: der Energiebilanz, der Abrechnungen, der KPI-Kennzahlen und der Beurteilung der Auswirkungen technologischer Änderungen.

Daten aus mehreren Monaten — wie sie zu lesen sind

Ein Diagramm der CH₄-Tagesmittelwerte über das ganze Jahr zeigt in der Regel ein Band „normaler“ Schwankung mit einer Breite von einigen Prozentpunkten. Ein Verlassen dieses Bandes erfordert eine Erklärung: Substratwechsel, Analysatorausfall, Versauerung. Ist das Band sehr breit, ist dies ein Signal dafür, dass der Prozess instabil oder die Messung unzuverlässig ist. Es lohnt sich auch, das Gas aus verschiedenen Punkten (Hauptfermenter, unterer Fermenter, Speicher) zu vergleichen, denn jeder Behälter hat eine etwas andere Zusammensetzung.

Einfluss auf die Abrechnung

Die Schwankung der Zusammensetzung beeinflusst die Energiemenge im Gas bei gleichem Volumen. Abrechnungen und Berichte sollten auf der Energie beruhen (normiertes Volumen × CH₄-Gehalt × Heizwert) und nicht allein auf dem Biogasvolumen. Eine Differenz von 3 Prozentpunkten CH₄ entspricht bei typischer Zusammensetzung etwa 5–6% der Energie.