Lecks in Biogasanlagen per Laser aufspüren

Fast 8000 Biogasanlagen existieren heute in Deutschland. Sie nutzen aus Biomasse gewonnenes Gas, um elektrischen Strom und Wärme zu erzeugen. 2013 haben die Betreiber insgesamt 26,42 Terrawattstunden (TWh) Strom produziert. Das entspricht etwa 17 Prozent der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

In Deutschland werden so mittlerweile 7,5 Millionen Haushalte mit Strom versorgt. Die Anforderungen für den Betrieb und die Instandhaltung der Gasanlagen sind hoch. Besonders problematisch sind Leckagen. Schon kleine undichte Stellen an den Verbindungsstücken der Gasleitungen oder Fermenter können Folgen haben: Durch ausströmendes Methan drohen Brände, wirtschaftlicher Schaden und eine Verschlechterung der Klimabilanz des erzeugten Stroms.

Noch fehlt eine Technologie, die es Betreibern erlaubt, Lecks an allen Anlagenteilen schnell, günstig und sicher aufzuspüren. In einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Projekt haben sich Forscher und ein Messtechnikhersteller jetzt diesem Problem angenommen.

Innerhalb von eineinhalb Jahren entwickelten die Experten einen Demonstrator, der aus Lecks entweichendes Bio- oder Erdgas berührungslos via Laser entdeckt. Schneller und genauer, als das bisher möglich war. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen sowie die Schütz GmbH Messtechnik aus Lahr.

Methan eindeutig identifiziert

Die am Fraunhofer IPM entwickelte Technologie basiert auf der optischen Emissions-und Rückstreuspektroskopie. Dabei nimmt austretendes Methan das Licht eines starken Laserstrahls auf. Gleichzeitig strahlt das Gas einen Teil des Lichts wieder ab. Die Wissenschaftler analysieren diesen Anteil und ermitteln aus dem Absorptionsspektrum der austretenden Substanz die Gaskonzentration. Da das Gasspektrum eindeutig ist, wird sehr selektiv nur Methan gemessen und keine anderen Gase.

Die Technik findet in einem kastenförmigen Demonstrator Platz. Er steht auf einem dreifüßigen Stativ und ist auf das zu untersuchende Anlagenteil gerichtet. Der optische Teil des Messsystems umfasst den Laser, den Detektor, die Kamera und den Entfernungsmesser. Ein angeschlossener Tablet-PC sammelt die Daten und wertet sie aus. Auf dem Bildschirm sind die graphisch aufbereiteten Informationen zum ausströmenden Methan und die exakte Position des Lecks zu sehen. Messungen aus maximal 15 Metern Entfernung sind möglich.

Mit dem System können die Forscher besonders genau messen: Sie passten die Wellenlänge des Lasers optimal an. Eine übliche Flanschgröße der Verbindungsstücke von etwa 15 Zentimetern ist mit drei bis vier Messgängen vermessen. Zusätzlich erkennt die Technologie zu hohe Gaskonzentrationen in Räumen und wann diese für den Menschen gefährlich sind.

Die Forscher berechnen die Konzentration mit Hilfe der Daten des eingebauten Entfernungsmessers. Der Betreiber weiß damit auch, wieviel Gas bereits ausgetreten ist. Das ist ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des neuen Systems.

Mit der Marktreife der Technologie rechnet Dr. Johannes Herbst, Messtechnikexperte vom Fraunhofer IPM, in den nächsten drei bis fünf Jahren. Aktuell feilen die Forscher im Labor bereits an weiteren Funktionen.

Es ist ihnen zum Beispiel gelungen, Methan auch ohne das zurückgestreute Licht zu erkennen. Dazu wird das Gas mit Hilfe eines starken Lasers selbst zum Leuchten gebracht. »Zukünftig kann dann das Messteam die gesamte Anlage bequem vom Boden aus überprüfen. Bisher war es nötig, auf Leitern zu steigen und die Lecks an Ort und Stelle zu identifizieren«, so Herbst.