Conference Paper, Published Version
Außem, Julia; Schubert, Jessy-Aileen
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Elimination und energetischen Nutzung von Methangasen aus
Stauräumen (MELINU)
Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen
Zur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:
Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik
Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/110918 Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:
Außem, Julia; Schubert, Jessy-Aileen (2023): Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Elimination und energetischen Nutzung von Methangasen aus Stauräumen (MELINU). In:
Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik (Hg.): Wasserbau und Wasserwirtschaft im 'Stresstest'. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 69. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik. S. 40-44.
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„Wasserbau und Wasserwirtschaft im `Stresstest`“
A3-04
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Elimination und energetischen Nut- zung von Methangasen aus Stauräumen
(MELINU)
Julia Außem Jessy-Aileen Schubert
1 Kombination des ConSedTrans-Verfahrens mit einer Gasernte
Zur Lösung des Sedimentationsproblems von Talsperren wurde bereits das Verfahren des kontinuierlichen Sedimenttransports (ConSedTrans-Verfah- ren), bei welchem das Sediment gelöst und hinter die Staumauer ins Unter- wasser transportiert wird, entwickelt (D-Sediment, 2023). Auf diesem Wege wird der natürliche Sedimenttransport wiederhergestellt und somit der Problematik des fehlenden Sedimentes im Unterwasser wie auch der Verlan- dung der Stauräume entgegengewirkt. Durch die Bewegung des Sediments während der Sedimentaufnahme wird das in den Porenräumen befindliche Methan freigesetzt. Aufbauend auf diesem Verfahren wurde im Forschungs- projekt MELINU, gefördert vom BMBF im Rahmen der Initiative "KMU- innovativ - Verbundprojekt Klimaschutz" in Zusammenarbeit der TH Köln und der D-Sediment GmbH, eine kombinierte Anlage zur Sedimentverlage- rung und Gasernte optimiert und um eine Speicherung sowie energetische Nutzung erweitert. Das Zusammenspiel der Systemkomponenten ist sche- matisch in Abbildung 1 dargestellt. Die erste Systemkomponente bildet die im ConSedTrans-Verfahren eingesetzte Sedimentaufnahmeeinheit, welche im Zuge der Erweiterung um eine Gasernte mit einer Einhausung versehen wurde. Somit kann das durch die Sedimentbewegung aufsteigende, unge- löste Gas direkt aufgefangen und weitergeleitet werden. Im zweiten Schritt, der Gasseparation, erfolgt eine Abtrennung des noch im Wasser gelösten Gases. Im Zuge dieser Gasanalyse durchläuft der Gasstrom ebenso ein
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Elimination und energetischen Nutzung von Methangasen aus Stau- räumen (MELINU)
Trocknungsverfahren, da ein zu hoher Wassergehalt für die spätere Speiche- rung und Verwertung nachträglich wäre. Die beschriebene Anlage wurde im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte entwickelt, optimiert und wie- derholt im Feldversuch an der Wuppervorsperre erprobt. Die Auswertung der so gewonnenen Messdaten zeigte, dass die Gasernte jahreszeitlich be- trachtet idealerweise im Spätsommer bzw. Herbst durchgeführt werden sollte, da in dieser Zeit insgesamt mehr Gasvolumen zur Verfügung steht und dieses zudem einen höheren Methangehalt als in den anderen Jahreszeiten aufweist.
Schematische Abbildung Systemkomponenten der Anlage zur Gas- ernte
2 Gasspeicherung und -verwertung
Im Forschungsprojekt MELINU wurde neben der weiteren Optimierung des Gesamtsystems der Fokus vor allem auf die Erarbeitung und Umsetzung ei- ner Gasspeicherung und -verwertung gelegt. Die Gasspeicherung stellt dabei lediglich einen notwendigen Zwischenschritt für eine erfolgreiche Gasver- wertung dar.
2.1 Gasspeicherung
Vor der Auswahl eines geeigneten Systems wurden verschiedene, mögliche Varianten der Gasspeicherung betrachtet. Während z.B. die Lagerung in Gas-
flaschen allgemein gängig ist, wurde sie für dieses Forschungsprojekt, auf- grund der zur Komprimierung zusätzlich benötigten Energie, verworfen.
Schlussendlich wurde auf Gasbags zurückgegriffen, welche häufig zur Pro- benahme eingesetzt werden. Zur Speicherung größerer Gasmengen wurden dazu Gasbags in entsprechender Größe maßgefertigt.
2.2 Verwertungsoptionen
Die Auswertung vorangegangener Messungen im Feldversuch zeigte, dass lediglich Schwefelwasserstoff, aufgrund seiner korrosiven Eigenschaft, für die Umsetzung einer Verwertung potentiell problematisch werden könnte.
Da die gängigen Grenzwerte jedoch in keiner Messung überschritten wur- den, wurde von einer Vorbehandlung zur Entfernung dieses Gasbestandtei- les abgesehen.
Zu den möglichen Umsetzungs- bzw. Verwertungsvarianten gehörten vor al- lem die Einspeisung in eine bestehende Biogas- oder Kläranlage, die Umset- zung in weniger klimaschädliche Gase durch eine Verbrennung vor Ort sowie die Nutzung zur Umwandlung in elektrische Energie. Die Möglichkeit einer Einspeisung wurde mit Verantwortlichen der unmittelbar am Testgewässer liegenden Kläranlage besprochen und stellt hinsichtlich der Gasqualität eine denkbare Variante dar. Aufgrund der zum jetzigen Zeitpunkt noch zu gerin- gen Gasmenge wurde diese Option jedoch verworfen. Ein weiterer Punkt ist die unter Überdruck stattfindende Gasproduktion in der Kläranlage, sodass das eingespeiste Gas zunächst komprimiert werden müsste. Die Option der Verbrennung ermöglicht die Umsetzung des Gases in weniger schädliches CO2, stellt jedoch keine zusätzliche Nutzungsmöglichkeit dar. Daher wurde die Umwandlung in elektrische Energie mit Hilfe eines Generators bevorzugt, wobei der Einsatz eines herkömmlichen Otto-Motors aufgrund seines Wir- kungsgrades und des zum Betrieb benötigten, minimalen Methangehaltes, hierbei als die sinnvollste Variante erachtet wurde. Hierzu wurde auf Basis der Gasmenge und des mittleren Energiegehaltes ein geeigneter, handels- üblicher Generator ausgewählt und anschließend auf Gasbetrieb umgerüs- tet. Um den idealen Arbeitspunkt im Gasbetrieb zu ermitteln, wurden zu- nächst Tests mit Propangas durchgeführt. Diese zeigten den besten Wir- kungsgrad bei einer Energieabnahme von 800 W, welche von nun an stan- dartmäßig im Betrieb angeschlossen wurden. Im Feldversuch wurde die Ver- wertung gestartet, sobald ein Gasbag mit bekannter Gaszusammensetzung vollständig gefüllt war. Die tatsächlich erzeugte Energie, welche stark abhän-
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gig von der Gaszusammensetzung war, wurde mithilfe eines zwischenge- schalteten Energyloggers dokumentiert. Aus diesen Versuchen konnten Rückschlüsse auf die erzeugbare Energie pro Betriebsstunde oder Fläche ge- zogen werden.
2.3 Ergebnisse
Auf Basis der Feldversuchdaten konnte ein Rückschluss auf die gesamte Flä- che der Vorsperre gezogen werden. Tabelle 1 stellt die Ergebnisse der Feld- versuche im Herbst 2021 und im Frühling 2022 dar.
Tabelle 1: Gasmenge und Methangehalt Feldversuch Herbst 2021 Befah-
run- gen
Gas- menge:
Maximaler Methangeh-
alt:
Mittelwert (Methan):
Herbst 2021 19 2539 ls 86 % 51%
Frühling 2022 17 1783 ls 88 % 50 %
Im Laufe einer Befahrung, 75.2 m2, wurden im Herbst 2021 durchschnittlich 133 ls und im Frühling 2022 104 ls Gas gesammelt. Der mittlere Methangeh- alt beträgt um die 50 %. Somit wurde im Herbst 2021 auf einer Fläche von 1428,8 m2 1294,89 ls Methan und im Frühling 2022 auf einer Fläche von 1278,4 m2 886,15 ls Methan aufgefangen und vor dem Entweichen in die Um- welt abgehalten. Auf Grundlage dieser Daten können Vermutungen über die gesamte Wupper getroffen werden. Berechnet aus der durchschnittlichen Menge an Methangas, der durchschnittlichen Fläche einer Befahrung und der Fläche der Wuppervorsperre, kann aus dieser zwischen 103 m3 und 135 m3 (Menge ist abhängig von der Jahreszeit) Methangas entnommen werden.
Die Ergebnisse der Verwertung werden in Tabelle 2 dargestellt. An den Ge- nerator wurden Verbraucher mit 800W angeschlossen. Aufgrund der Gaszu- sammensetzung sowie der Menge an beigemischtem Sauerstoff, variierte die tatsächlich erzeugte Leistung jedoch zwischen 200W und 730W.
Tabelle 2: Verwertung Gas- menge:
mittlerer
Methangehalt: Energieausbeute:
Herbst 2021 1779 ls 56 % 2027 kJ 0,517 kWh Frühling 2022 1253 ls 56 % 1020 kJ 0,29 kWh
3 Literatur
D-Sediment. (25. 02 2023). D-Sediment Consulting. Research. Solutions. Von https://d-sediment.com/ abgerufen
Autoren:
M.Sc. Julia Außem D-Sediment GmbH Weberstraße 10 59368 Werne
Tel.: +49 178 101 8988 Fax: +49 2389 927672
E-Mail: j.aussem@d-sediment.com
M.Sc. Jessy Schubert D-Sediment GmbH Weberstraße 10 59368 Werne
