Projekt 36060/01

Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Schwefelwasserstoffsensorik für Biogasanlagen

Projektdurchführung

Zielsetzung

Bereits seit vielen Jahren besteht in der Biogasanwendung ein Bedarf nach physikalischen H2S-Gassensoren. Z.Z. werden vor allem elektrochemische H2S-Gassensoren eingesetzt. Nur in wenigen Einzelfällen kommen aktuell H2S-Sensoren bzw. Analysatoren zur Anwendung, die auf der UV-Absorption basieren. Typischerweise werden in diesen UV-Analysatoren Gasentladungslampen eingesetzt, die teuer und von geringer Lebensdauer sind. Zudem müssen die Aufbauten auf eine konstante Temperatur beheizt werden, um stabile Messergebnisse zu erhalten. Weitere Nachteile sind die Baugröße (→ keine mobile Anwendung möglich), die Leistungsaufnahme (30 Watt incl. Thermostatisierung) und die hohen Anschaffungskosten (>4T€). Mit dem vorliegenden Projekt soll ein kostengünstiger H2S-Sensor auf Basis der UV-Absorption entwickelt werden, der wartungsfrei über einen langen Zeitraum (mehrere Jahre) arbeitet.
Die Entwicklung des H2S-Sensors basiert auf einer neuartigen UVLED-Technologie, mit der die Lebensdauer im Dauereinsatz deutlich erhöht werden soll. Weiterhin soll die Baugröße und die Leistungsaufnahme signifikant reduziert werden, um den Einsatz in mobilen Gasmessgeräten zu ermöglichen. Die Messbereiche sollen sowohl für die Erfassung der H2S-Konzentrationen im Rohgas (0-5000ppm) als auch im gereinigten Biogas geeignet sein. Der Zielpreis für den zu entwickelnden H2S-Sensor muss deutlich unter 1.500€ liegen. Der H2S-Sensor soll auch für stationäre Gasmesseinrichtungen und in der Labormesstechnik eingesetzt werden.
Neben den reinen Anschaffungskosten ergeben sich für den Endkunden zusätzliche Wartungs- und Servicekosten. Für einen direkten Vergleich, zwischen den z.Z. eingesetzten elektrochemischen Gassensoren (EC) und den fotometrischen Gassensoren, spielen die Total Cost of Ownership (TCO) eine entscheidende Rolle. Elektrochemische Gassensoren müssen, je nach Belastung, alle 6-12 Monate getauscht werden. Neben den Kosten für den EC-Sensor fallen zusätzliche Kosten für den Servicetechniker an, die zusammen mit den Fahrtkosten pro Austausch bei ca. 500€ liegen. Über einen Zeitraum von 5 Jahren wären das dann 2-3T€ TCO. Der UV-Gassensor hat eine Lebensdauer von > 5 Jahren, so dass in dieser TCO-Gesamtbetrachtung der UV-Gassensor deutlich besser ist.

Arbeitsschritte

Die ausgewählte UVLED hat eine Emissionswellenlänge bei ca.233nm, die nach den vorliegenden Spektren eine ausreichende Strahlungsabsorption durch das H2S ermöglicht. Die Gasempfindlichkeit (Modulation) für H2S wurde für unterschiedliche Gaskonzentrationen experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen lassen sich die konstruktiven Anforderungen (z. B. erforderliche Küvettenlänge) ableiten. Weiterhin erfolgte eine konstruktive Anpassung der Fotometeroptik, da die UVLEDs (Flat-top) keine gerichtete Strahlung emittieren.
Das Temperatur-Management wurde mit einer Heizung bzw. Peltier-Kühlung realisiert. Weiterhin wurde ein mathematischer Kompensationsalgorithmus in der Firmware implementiert und untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Kompensationsalgorithmus deutliche Vorteile gegenüber der Heizung und der Peltier-Kühlung aufweist.
Die Labormuster wurden ausgiebig für die angestrebten Messbereiche untersucht und verbessert. Insbesondere der Einfluss der Umgebungstemperatur, Einfluss des Luftdruckes, Nachweisgrenze, Einfluss der Gasfeuchte (unterhalb des Taupunktes), Nullpunktdrift, Alterung der UVLED, Quereinflüsse zu NH3, CO2 und CH4 wurden ermittelt.
Der Aufbau von 3 Prototypen für den Feldtest sollte die Einsatzfähigkeit und Praxisbedingungen aufzeigen. Diese wurden allerdings, aufgrund der Corona-Problematik, nur im Labormaßstab untersucht. Schwerpunkt dieser Labormessung war die Feststellung der Alterung und der Signalstabilität (Drift).

Ergebnisse

Die Eignung einer UV-Leuchtdiode zur Gaskonzentrationsmessung von Schwefelwasserstoff in Biogas konnte im Projekt eindeutig nachgewiesen werden. Als Ergebnis liegt jetzt ein praxistaugliches Messsystem vor, mit dem eine kontinuierliche und langzeitstabile H2S Gasanalyse in Biogas realisiert werden kann.
Das Messsystem erlaubt sowohl eine Gasanalyse im Rohgas (bis 5.000 ppm H2S) als auch im gereinigten Biogas (0 – 500 ppm) mit einer aktuellen Nachweisgrenze von 5ppm. In einem weiteren Entwicklungsschritt wird durch eine längere Küvette (AK250) die Nachweisgrenze auf 2ppm reduziert. Mit einer zukünftig, höheren Strahlungsausbeute der UVLED-Technologie wird eine Reduzierung der Nachweisgrenze auf 1ppm realistisch.
Sowohl die Baugröße als auch das Gewicht konnten um den Faktor 2 reduziert werden. Die Leistungsaufnahme wurde sogar um den Faktor 10 gesenkt, da keine Thermostatisierung erforderlich ist. Der Temperaturfehler lässt sich nun vollständig durch einen mathematischen Algorithmus eliminieren. Eine aufwändige Temperaturregelung des UVLED-Chips war ebenfalls nicht erforderlich. Somit konnten auch die Herstellungskosten deutlich gesenkt und daher ein weiteres Projektziel erreicht werden.
Durch eine variable Einstellung der Messintervalle konnte eine Möglichkeit geschaffen werden, mit der sich die Lebensdauer der UVLEDs deutlich verlängerte. Das Projektziel einer Lebensdauer > 5 Jahre ist bei einem Messintervall von 1x pro Stunde erreicht worden. Die Messintervall-Zeiten können vom Betreiber, über die mitgelieferte MARSTOOL-Software, für die jeweilige Applikation angepasst werden.
Der Austausch der UVLED ist einfach zu realisieren, sodass im Servicefall keine hohen Kosten anfallen werden.

Öffentlichkeitsarbeit

Vorstellung der Ergebnisse und Produkte auf der SENSOR+TEST im Mai 2023 in Nürnberg
Vorstellung der Ergebnisse und Produkte auf der Biogas Expo & Congress 2023 in Offenburg
Vorstellung der Ergebnisse in einer Veröffentlichung (Fachzeitschrift)

Fazit

Die vor Projektbeginn gesetzten Ziele zur Entwicklung einer UVLED basierten H2S-Gassensorik konnten umfänglich erfüllt werden. Mithilfe dieses neuen technologischen Ansatzes ist eine weitere Verbreitung der hochpräzisen H2S-Messung im UV-Bereich realisierbar geworden. Neben der Erfüllung sämtlicher technischer Spezifikationen wurde auch die Basis für eine wirtschaftliche Lösung geschaffen. Die Herstellungskosten konnten um der Faktor 2 gesenkt werden, sodass auch das Ziel für einen konkurrenzfähigen Marktpreis erreicht wurde. Durch die signifikante Verlängerung der Lebensdauer der Strahlungsquelle wird auch der Service-Einsatz deutlich reduziert. Der Austausch der UVLED im Servicefall wird einfacher als bei der bisherigen EDL (Gasentladungslampe). Dies ist insbesondere für den Einsatz in Indien, China und Entwicklungsländern von deutlichem Vorteil.