Samenvatting Validatie meetmethodieken biogas Onderzoek uitgevoerd door DNV Kema De SDE+ -regeling staat open voor biogasinstallaties die onderdeel uitmaken van een groengashub. Kenmerkend voor zo n hub is dat meerdere biogasproducenten het gebruik van verschillende voorzieningen zoals biogasverzamelleidingen en een opwerkingsinstallatie delen. Voor het vaststellen van het subsidiebedrag is het nodig om de geleverde energie per producent te bepalen. De geleverde energie wordt uitgedrukt in het methaangehalte of de energie-inhoud (calorische waarde (Hs)). Het bepalen van de energie-inhoud / methaangehalte moet zo nauwkeurig mogelijk gebeuren. Enige onnauwkeurigheid valt niet uit te sluiten, maar aan de maximaal toegestane onnauwkeurigheid zijn grenzen gesteld. Vergelijk het met een klok waarvan vooraf is vastgesteld dat deze niet meer dan één seconde per etmaal voor (of achter) mag lopen op de juiste tijd. De maximale onnauwkeurigheid bij het bepalen van de energieinhoud is gespecificeerd volgens de Algemene uitvoeringsregeling sdstimulering duurzame energieproductie. Tabel 1 laat de toegestane meetonnauwkeurigheid zien in relatie tot de productiecapaciteit. 1
Tabel 1: Onnauwkeurigheidseisen op CH 4 en Hs comptabele gashoedanigheidsmeting Maximale productiecapaciteit (Nm 3 /h) Meetonnauwkeurigheid (%) < 40 5,3 40 200 3,2 200 1200 1,3 > 1200 1,0 Aanleiding Het via metingen bepalen van de energie-inhoud één van de kwaliteitsaspecten van ruw biogas is vaak een substantiële kostenpost voor de producenten van het gas. Zij zijn daarom gebaat bij goedkope meetsystemen die aan de gestelde nauwkeurigheidseisen voldoen. DNV KEMA Energy & Sustainability heeft in opdracht van Agentschap NL een aantal goedkope en commercieel beschikbare meetinstrumenten onderzocht. De vraag daarbij was of deze instrumenten voldoen aan de eisen die de Algemene uitvoeringsregeling SDE aan de kwaliteitsmetingen voor biogas stelt. Meer specifiek: is de apparatuur geschikt voor het meten van het methaangehalte (CH 4 ) of het vaststellen van de calorische waarde met in achtneming van de toegestane maximale mmeetonnauwkeurigheden? Naast eisen aan de energie-inhoud worden door de hubs ook voorwaarden gesteld aan de kwaliteit van het biogas, met het oog op een veilig en probleemloos netbeheer. Daarbij zijn onder meer de gehaltes aan zwavelwaterstof (H 2 S), koolstofdioxide (CO 2 ), stikstof (N 2 ) en zuurstof (O 2 ) van belang. Wanneer de onderzochte meetinstrumenten volgens de leveranciers ook in staat zijn om het aandeel van deze gassen in het ruwe biogas te meten, zijn de prestaties op dit gebied in het onderzoek meegenomen. Het onderzoek kende vier (deel)doelstellingen: 1. Het uitvoeren van een marktverkenning naar goedkope meetsystemen voor ruw biogas, die nationaal en internationaal worden ingezet. Goedkoop betekent hier: minder dan 10.000 voor systemen die het methaangehalte meten en minder dan 15.000 voor systemen die naast het methaangehalte ook het gehalte aan andere gassen meten; 2. Het valideren (toetsen) van de nauwkeurigheid waarmee de onderzochte meettechnieken de calorische waarde (Hs) of het methaangehalte van het ruwe biogas onder praktijkomstandigheden bepalen; kunnen de instrumenten met andere woorden de calorische waarde of het methaangehalte vaststellen met in achtneming van de maximaal toegestane meetonnauwkeurigheid; 3. Het valideren (toetsen) van de nauwkeurigheid waarmee de onderzochte meettechnieken voor zover ze daarvoor zijn uitgerust onder praktijkomstandigheden het gehalte aan overige in het biogas Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 2
voorkomende componenten (zoals CO 2, N 2, O 2 en H 2 S) kunnen vaststellen; 4. Het geven van een overzicht van de investeringskosten en operationele kosten die de verschillende meettechnieken met zich meebrengen. Meetmethodieken Op basis van deskundigheid, contacten met leveranciers en beschikbare literatuur is een selectie gemaakt van meetprincipes, die in potentie geschikt zijn voor het meten van ruw biogas. Tabel 2 toont de geëvalueerde meetprincipes en de te meten componenten. Tabel 2: Overzicht van de geëvalueerde meetprincipes Meetttechniek Hs CH 4 CO 2 N 2 O 2 H 2 S Gaschromatografen X X X X X X (ND)IR-sensoren X X (ND)UV-sensoren X Elektrochemisch X X X Warmtegeleiding X X Paramagnetisme X Bepaling van de totale meetonnauwkeurigheid Meetwaarden geven nooit exact de werkelijke situatie weer. Omgevingsfactoren en verstoringen in meetopstellingen en instrumenten leiden altijd tot afwijkingen en een zekere mate van onnauwkeurigheid. De totale meetonnauwkeurigheid is afhankelijk van verschillende factoren die apart in beeld zijn te brengen. Deels kan de meetonnauwkeurigheid ontstaan door afwijkingen in versterking van het meetsignaal en de instellingen van de gebruikte meetapparatuur. In dat geval is er geen rechtlijnig verband tussen het meetsignaal en de hoeveelheid van de te bepalen component. Er is dan sprake van een afwijking van de zogeheten lineariteit: de instrumenten zijn a-lineair. Daarnaast is de omgevingstemperatuur van invloed op de mate van nauwkeurigheid van een meetsysteem. Bovendien kan de aanwezigheid van bepaalde componenten in het biogas de nauwkeurigheid van de meetwaarden voor andere componenten verstoren. Dit heet interferentie. Tenslotte kan het meetsignaal ook in de tijd verlopen. Dit verschijnsel staat bekend als drift en maakt het noodzakelijk het betreffende meetinstrument opnieuw af te stellen (te kalibreren). Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 3
In onderstaande figuur zijn de factoren die van invloed zijn op de meetonnauwkeurigheid schematisch weergegeven. Figuur 1: Beïnvloedingsfactoren totale meetonnauwkeurigheid Op het dynamisch gaslaboratorium van DNV KEMA zijn de instrumenten onder gecontroleerde omstandigheden getoetst (gevalideerd) om de meetonnauwkeurigheid als gevolg van a-lineariteit, interferenties en temperatuurafhankelijkheid vast te stellen. De drift het met de tijd onnauwkeuriger worden van het meetsignaal is voor alle meetinstrumenten vastgesteld door gedurende anderhalve maand metingen te verrichten bij een vergistingsinstallatie. De verkregen meetwaarden zijn vervolgens vergeleken met de meetwaarden van een referentie-instrument (een micro gaschromatograaf) dat voldoet aan alle in ISO-normen vastgelegde (kwaliteits)eisen. Resultaten Tabel 3 vat de resultaten voor de onnauwkeurigheid van de verschillende meetsystemen voor de bepaling van methaan samen. Tabel 3: Validatieresultaten en vergelijking met meetonnauwkeurigheidseisen, waarbij staat voor voldaan en staat voor niet voldaan de eis Maximale productiecapaciteit (Nm 3 /h) Vereiste meetonnauwkeurigheid (%) op Hs A (chromatografie) B (ND-IR) C (ND-IR) D (ND-IR) E (ND-IR) F (ND-IR) G(Warntegeleidbaarheid) < 40 5,3 40 200 3,2 200 1200 1,3 > 1200 1,0 * N.B. de instrumenten zijn geanonimiseerd weergegeven. De leveranciers van de meetsystemen zijn reeds schriftelijk op de hoogte gesteld van de resultaten Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 4
Geen van de onderzochte meetsystemen voldoet aan de nauwkeurigheidseisen die gelden voor het meten van het methaangehalte of de calorische waarde bij een productiecapaciteit groter dan 200 Nm 3 /h. Drie meetsystemen voldoen aan de eisen voor de totale meetonnauwkeurigheid voor de productiecapaciteit tot en met 40 Nm 3 /h en twee daarvan voldoen ook tot 200 Nm 3 /h. De a-lineariteit van de instrumenten levert veruit de grootste bijdrage (>90%) aan de meetonnauwkeurigheid (zie figuur 2). Een uitzondering hierop vormen de B (ND-IR) en F (ND-IR), waarvoor de a-lineariteit relatief beperkt is. Dit zijn de enige instrumenten die voldoen aan de eisen die gelden bij een productiecapaciteit tot 200 Nm 3 /hr. Van de vijf meetinstrumenten die op basis van het (ND)IR-principe methaan analyseren, is er veel verschil in de mate waarin deze instrumenten a-lineair zijn. De aanwezigheid van kooldioxide in het biogas verstoort bij alle instrumenten, met uitzondering van de gaschromatograaf, het meetresultaat voor methaan (interferentie). De bijdrage aan de totale meetonnauwkeurigheid voor de methaanmeting is echter relatief beperkt. De invloed van de omgevingstemperatuur op het meetsignaal van methaan is relatief klein. Dit geldt ook voor het meetsignaal van koolstofdioxide en zuurstof. De invloed van de omgevingstemperatuur op het meetsignaal van zwavelwaterstof is aanzienlijk ten opzichte van de andere gemeten componenten van het biogas. Voor de meting van methaan onder praktijkomstandigheden was de drift voor alle meetinstrumenten verwaarloosbaar en is er geen invloed op de meetonnauwkeurigheid vastgesteld. De meetperiode van zes weken was hiervoor te kort. Voor de meten van H 2 S bij concentraties hoger dan circa 50 ppm kan alleen de gaschromatograaf een representatieve meting uitvoeren. Voor de overige meetsystemen treedt door continue belasting van de sensoren met zwavelrijk biogas vervuiling van het systeem op. Dit heeft een negatieve invloed op de meetprestaties. Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 5
Figuur 2: Totale meetonnauwkeurigheid en bijdrage van de beïnvloedingsfactoren per meetsysteem Conclusies Uit het onderzoek blijkt dat het merendeel van de goedkope systemen niet voldoet aan de gestelde eisen op het gebied van meetonnauwkeurigheid. Tot een maximale productiecapaciteit van 200 Nm 3 /h zijn slechts twee ND-IR instrumenten inzetbaar en daarnaast is er een derde ND-IR systeem dat voldoet voor de productiecapaciteit tot 40 Nm 3 /h. Bij een grotere productiecapaciteit voldoet geen van de onderzochte instrumenten aan de eisen. Voor het meten van H 2 S bij hoge concentraties (hoger dan circa 50 ppm) kan alleen een gaschromatograaf een representatieve meting uitvoeren. De meetsystemen in de praktijkevaluatie zijn continu belast met zwavelrijk biogas, waardoor vervuiling van de H 2 S meetsystemen optreedt. Dit gaat ten koste van de meetprestaties. De hoge concentraties H 2 S en de grote mate van vervuiling maakt de inzetbaarheid van de onderzochte meetinstrumenten voor de H 2 S- meting in biogas daarom minder geschikt. Omdat de vereiste meetfrequentie (voor methaan of Hs) slechts eens per 15 minuten is, is het mogelijk ervoor te kiezen het biogas discontinu door het systeem te leiden. Kosten Op basis van het onderzoek is het mogelijk te stellen dat de prestaties van de meetsystemen de aanschafkosten niet rechtvaardigen. Verder verschillen de operationele kosten voor de meetsystemen niet significant van elkaar. Deze kosten zijn onder meer afhankelijk van de frequentie waarmee de meetsystemen als gevolg van de invloed van de factor tijd (drift) opnieuw gekalibreerd (afgesteld) moeten worden. Bij de meetsystemen is geen drift vastgesteld vanwege de relatief korte meetperiode. De jaarlijkse operationele kosten zijn daarom gebaseerd op theoretische waarden en zijn per meetinstrument geraamd op circa 3.000 tot 4.000. Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 6
Algemene opmerkingen Omgevingsfactoren kunnen van grote invloed zijn op de prestaties van de meetinstrumenten. Voordat metingen plaatsvinden is het daarom van belang het biogas te conditioneren om een representatieve meting te kunnen uitvoeren. De volgende punten zijn daarbij van belang: Het biogas bevat door het waterige milieu in de vergistingsinstallatie relatief veel waterdamp. Dit hoge vochtgehalte is niet wenselijk voor de metingen. Het is daarom altijd van groot belang dat het vochtgehalte van het te analyseren gas zo laag mogelijk is. In de praktijk is gebruik gemaakt van een koelsysteem dat het gas koelt tot een temperatuur van 2 C bij atmosferische druk. Hierdoor treedt condensatie van water op en wordt het in het biogas aanwezige vocht afgevangen; Ondanks de minimale invloed, is het mogelijk de temperatuursinvloed te beperken door de meetinstrumenten in een ruimte te plaatsen met een constante temperatuur Colofon Dit is een publicatie van: Agentschap NL Croeselaan 15 3521 BJ Utrecht Postbus 8242 3503 RE Utrecht T +31 (0)88 602 92 00 www.agentschapnl.nl/bio-energie Agentschap NL maart 2012 Agentschap NL is een agentschap van het ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie. Agentschap NL voert beleid uit voor diverse ministeries als het gaat om duurzaamheid, innovatie en internationaal. Agentschap NL is hét aanspreekpunt voor bedrijven, kennisinstellingen en overheden. Voor informatie en advies, financiering, netwerken en wet- en regelgeving. Samenvatting validatie meetmethodieken biogas 19-03-2012 7