Präzise Wägetechnik für effizientere Biogasanlagen

Biogas ist ein umweltschonender Energielieferant – und leistet bereits heute einen enormen Beitrag zur Energiewende. Am Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin (IASP) forschen Wissenschaftsteams dazu, wie Biogasanlagen in Zukunft noch nachhaltiger werden – und beispielsweise verstärkt Abfallstoffe verwerten können. Für die aufwendigen Langzeittests ist präzise Messtechnik gefragt. Die Wissenschaftler setzen zur Füllstandsbestimmung der Versuchsreaktoren auf eine ganzheitliche Wägetechnik-Messkette von HBM, dem globalen Technologie- und Marktführer im Bereich Messtechnik – von der Plattformwägezelle PW12C über die digitale Aufnehmerelektronik PAD bis hin zur Software PanelX.

Biogas ist eine wichtige Säule der Energiewende. Anders als Solar- und Windenergieanlagen ist die Technologie unabhängig von Wetter und Tageszeit und kann so in Zukunft Schwankungen im Stromnetz ausgleichen – etwa wenn die Energie von Wind und Sonne nicht ausreicht. Im Jahr 2018 machte Strom aus Biogasanlagen bundesweit bereits rund 13 Prozent des erzeugten Stroms aus erneuerbaren Quellen aus. Ein Kritikpunkt dabei: Bisher kommt bei der Biogasproduktion hauptsächlich eigens dafür angebauter Energiemais zum Einsatz – das ist teuer und ineffizient.

Problem

Beim Projekt BioKat forschen die Wissenschaftler am Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin dazu, wie Biogasanlagen effizienter werden und in Zukunft beispielsweise verstärkt Reststoffe bei der Biogasgewinnung verwerten können. Bei den Versuchen mit vier jeweils 25 Liter fassenden Versuchsreaktoren spielt der Füllstand eine sehr wichtige Rolle. Für eine neue Versuchsreihe suchen die Wissenschaftler nach gravimetrischer Messtechnologie, die:

  • den Füllstand präzise über den gesamten Versuchszeitraum aufnimmt,
  • verlässliche Daten liefert in der anspruchsvollen Umgebung bei der Prozesssimulation,
  • sich schnell, sicher und nutzerfreundlich bedienen lässt.

„So lassen sich in Zukunft Rest- und Abfallstoffe bei der Biogaserzeugung besser nutzen"

„Mit unserem Forschungsprojekt BioKat untersuchen wir, wie pilzliche Enzympräparate in Biogasanlagen auch schwer abbaubare Stoffe schnell und einfach zersetzen können“, sagt Marius Conrady, der das Forschungsprojekt als wissenschaftlicher Mitarbeiter am IASP betreut. „So lassen sich in Zukunft Rest- und Abfallstoffe bei der Biogaserzeugung besser nutzen“, ergänzt Projektleiter Dr.-Ing. Patrice Ramm. Für die mehrmonatige Versuchsreihe ist äußerst zuverlässige Messtechnik gefragt, die präzise Daten über den gesamten Versuchszeitraum liefert. HBM unterstützt das Forscherteam mit einem Komplettpaket hochwertiger Wägetechnologie. Das Herzstück: die präzise Plattformwägezelle PW12C.

Füllstand von Biogasreaktoren präzise messen

Vier unscheinbare schwarze Zylinder stehen im Mittelpunkt des Forschungsprojektes BioKat. „In unseren vier Versuchsreaktoren untersuchen wir, wie unterschiedliche Enzympräparate die Vergärung unseres Testsubstrats aus Getreide-Ganzpflanzensilage beschleunigen“, erläutert Marius Conrady. „Dafür führen wir unseren Versuchsreaktoren nach einer Anlaufphase täglich jeweils 176 Gramm Getreide-Ganzpflanzensilage und Wasser zu.“ Ein Rührwerk hält die Masse ständig in Bewegung und ein Temperierbad sorgt für konstante 38 Grad Celsius in den Reaktoren – für exakt gleiche Bedingungen über den gesamten Projektverlauf.

Eine besondere Rolle bei den Versuchen spielt der Füllstand der insgesamt jeweils 25 Liter fassenden Reaktoren. Er hat einen immensen Einfluss auf die Gasbildung sowie auf weitere wichtige Faktoren wie etwa das Drehmoment der Rührwerke, die die Masse in den Reaktoren bewegen, sowie die Raumbelastung. „Bei vorhergehenden Versuchsreihen konnten wir den Füllstand nur über die Sichtfenster der Reaktoren beurteilen“, sagt Marius Conrady. „Das war ein Problem, denn die Masse aus Getreide-Ganzpflanzensilage und Wasser ist sehr inhomogen und hat einen hohen Trockenmasseanteil. Zudem bildet sich häufig Schaum im Reaktor.“ Für eine neue Versuchsreihe suchen die Wissenschaftler deshalb nach einer Lösung, mit der sich der Füllstand zusätzlich mit gravimetrischer Messtechnik bestimmen lässt. Die Experten von HBM beraten das IASP und entwickeln gemeinsam mit den Wissenschaftlern ein ganzheitliches gravimetrisches Wägekonzept von der Sensorik bis zur elektronischen Auswertung per Software.

Lösung

Die Messtechnik-Experten von HBM entwickeln gemeinsam mit den Wissenschaftlern des IASP ein ganzheitliches Messkonzept, das ideal auf den Versuchsaufbau zugeschnitten ist. Dabei kommen folgende Komponenten zum Einsatz:

  • Die Wägezelle PW12C bietet mit Genauigkeitsklasse C3 Multi-Range eine für ihre Bauart einzigartige Präzision. Mit integriertem Eckenlastabgleich eignet sie sich ideal für Single-Point-Anwendungen mit großen Wägeplattformen.
  • Die Aufnehmerelektronik PAD wandelt Signale DMS-basierter Wägezellen von HBM hochauflösend in digitale Messdaten. Ausgestattet mit verschiedenen Filtern liefert PAD präzise Daten auch in anspruchsvoller Messumgebung.
  • Mit der nutzerfreundlichen Software PanelX lassen sich Wägeelektroniken ideal für verschiedene Messaufgaben einrichten sowie Messdaten aufzeichnen, auswerten, anpassen und visualisieren.

Eine einzige Wägezelle zur Füllstandsmessung am Reaktor

„Herzstück des Wägekonzeptes für das IASP ist unsere Plattformwägezelle PW12C mit einer Nennlast von 50 Kilogramm“, sagt Marcel Richter, Head of Product Management Wägetechnik & OEM Sensoren bei HBM. „Mit ihrem integrierten Ecklastenausgleich eignet sich die Wägezelle optimal für Single-Point-Anwendungen mit Plattformgrößen bis zu 800 mm x 800 mm. Beim Versuchsaufbau am IASP nimmt eine einzige Wägezelle das Gewicht eines kompletten Versuchsreaktors auf

– und das mit einer für diese Bauart am Markt einzigartigen Gesamtperformance.“ Die Plattformwägezelle PW12C wiegt Lasten zwischen 50 und 750 Kilogramm präzise mit Genauigkeitsklasse C3 Multi-Range. Zusätzlich sorgt ein mit dem Messkörper verbundener Kabelschirm für optimalen Schutz gegen elektromagnetische Einflüsse – ideal für den Einsatz in Laborumgebungen. „Ihre hohe Steifigkeit und die bewährte DMS-Technologie vom HBM machen die PW12C ideal sowohl für statische als auch für hochdynamische Einsätze beispielsweise in Checkweighern“, sagt Marcel Richter. „Gleichzeitig ist die Wägezelle äußert robust.“ Dank Schutzart IP67 und individuell justierbarem Überlastschutz eignet sich PW12C auch für Einsätze in rauer Industrieumgebung.

Messdaten hochauflösend digitalisieren

„Die digitale Aufnehmerelektronik PAD wandelt bei unserem Forschungsprojekt BioKat die analogen Signale der Wägezelle hochauflösend in digitale Daten“, sagt Marius Conrady. „So können wir die Messergebnisse für unseren Versuchsaufbau einfach über einen PC aufnehmen, auswerten und uns einen schnellen Überblick verschaffen.“ Mit Wägezelle, Elektronik und komplettem Zubehör bietet HBM den Wissenschaftlern am IASP alles, was sie dafür brauchen, aus einer Hand. „Wir bieten eine breite Auswahl an Zubehör, mit der wir für unsere Kunden eine ideale Messkette zusammenstellen“, sagt Marcel Richter. „Und mit unserer digitalen Aufnehmerelektronik PAD haben Anwender eine einfache und nutzerfreundliche Möglichkeit, um analoge DMS-basierte Wägezellen oder Sensoren zu digitalisieren – und das mit einer enormen Messwertauflösung.“

Die PAD lässt sich einfach an Wägezellen per Plug & Play anschließen und ist in wenigen Minuten einsatzfähig. Dank integrierter Messsignalverarbeitung mit wählbaren oder automatischen Filtern garantiert die Aufnehmerelektronik höchste Präzision – auch bei den dauerhaften Vibrationen der Rührwerke des Versuchsreakors beim Versuchsaubau am IASP. Sein kompaktes Edelstahlgehäuse und Schutzart IP68/IP69K machen die Aufnehmerelektronik zudem ideal für anspruchsvollste Umgebungsbedingungen.

Ergebnisse

Dank ihrer hohen Genauigkeit misst die Wägezelle PW12C den Füllstand der Versuchsreaktoren gravimetrisch über den Versuchszeitraum mit hoher Präzision. Im Single-Point-Aufbau ist dafür pro Reaktor nur eine Wägezelle notwendig. Dank Aufnehmerelektronik PAD und passendem Zubehör kann das Forschungsteam am IASP die Wägezelle direkt an einen PC anschließen und die Wägetechnik-Messkette einfach für den Versuch konfigurieren. Mit den umfangreichen Funktionen der Software PanelX lassen sich die Messdaten zum Füllstand der Versuchsreaktoren schnell auswerten, analysieren und grafisch darstellen.

Inbetriebnahme & Visualisierung

Auch bei der Software setzen die Wissenschaftler am IASP auf HBM. „Für die Kalibrierung der Wägezelle sowie für die Aufnahme, Ausgabe und Visualisierung der Messdaten nutzen wir die Software PanelX von HBM“, betont Marius Conrady. „Mit der intuitiven Bedienung von PanelX konnten wir die Messtechnologie schnell für unseren Versuchsaufbau justieren und in Betrieb nehmen. Zudem bietet uns die Software eine einfache Möglichkeit, unsere Messergebnisse schnell zu visualisieren und auszuwerten.“ Die Software PanelX ist mit zahlreichen Funktionen ausgestattet, mit denen sich HBM Messtechnologien ideal auf unterschiedlichste statische und dynamische Wägeanwendungen abstimmen lassen. Nutzer können beispielsweise auf umfangreiche Softwareunterstützung bei der Inbetriebnahme und Kalibrierung von Wägetechnik zurückgreifen und profitieren von einer schnellen Auswertung und Visualisierung der Messdaten. Absolutes Highlight ist die integrierte Frequenzanalyse, beispielsweise zur Bewertung und Optimierung dynamischer Gesamtanwendungen

Präzise Messdaten für Biogasforschung

„Mit der präzisen Messtechnik von HBM ist es uns bei unserer aktuellen Versuchsreihe möglich, die tägliche Zugabe an Getreide-Ganzpflanzensilage und Wasser exakt zu überwachen und mit der Sollmenge zu vergleichen“, erläutert Marius Conrady. „Das ermöglicht uns, unsere Prozesse zu optimieren und beispielsweise Ungenauigkeiten bei der täglichen Zugabe der Biomasse zu vermeiden.“ Zudem können die Wissenschaftler die Gewichtsabnahme in den Reaktoren aufgrund des Zersetzungsprozesses genauer bestimmen und mit der Gasbildung abgleichen. „Bei unseren Versuchen messen wir die Gasbildung mit einem Volumenstrommessgerät. Die Verläufe der Gewichtsabnahme und der gebildeten Gasmenge korrelieren sehr gut miteinander“, sagt Marius Conrady.

„Mit dem Vergleich der Ergebnisse beider Messungen können wir Messfehler schnell erkennen und aus dem Ergebnis unserer Studie herausrechnen. Dank der präzisen Messkette von HBM erhalten wir so eine absolut verlässliche Datengrundlage, mit der wir Biogastechnologie in Zukunft verbessern können.“

Das Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte

an der Humboldt-Universität zu Berlin (IASP) unterstützt kleine und mittelständische Unternehmen bei der Forschung und Entwicklung innovativer Technologien in den Bereichen Lebensmittel-Technologie, Biogene Rohstoffe, Nutztierhaltung und Pflanzensysteme. Als wissenschaftliche Partner entwickelt das interdisziplinäre Team aus 35 wissenschaftlichen und technischen Mitarbeitern anwendungsorientierte Lösungen zu konkreten Problemstellungen aus der Praxis. Ein besonderer Forschungsschwerpunkt des IASP ist die Biogasforschung. Mit Forschungsprojekten wie BioKat leistet das IASP einen wichtigen Beitrag, um Biogastechnologien nachhaltiger und effizienter zu machen.