Zur fernmesstechnischen Quantifizierung von Methanleckagen in Biogasanlagen mittels Sensordatenfusion infrarotoptischer Messsysteme

Diese Arbeit behandelt die Problemstellung der fernmesstechnischen Quantifizierung von Methanleckagen mit dem Anwendungsfall von Leckagen in Biogasanlagen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messverfahren und ein Messsystem entwickelt, womit eine fernmesstechnische Quantifizierung von Methanleckagen ermöglicht wird. Das Messmodell zur Fusion der Sensordaten wurde hergeleitet und es wurden die getroffenen Annahmen und die notwendigen Randbedingungen betrachtet. Das entwickelte Messsystem wird vorgestellt und die Kalibrierung der verwendeten Sensoren wird beschrieben. Zentrale Größen für die Bestimmung des Methannormvolumenstroms sind die Gasgeschwindigkeit sowie die integrale Gaskonzentration, welche aus den Bildern einer Infrarotkamera zur Gasvisualisierung bestimmt sowie durch einen TDLAS-basierten Sensor gemessen werden. Die Sensoren wurden kalibriert und die Messunsicherheiten der Einzelmessgrößen ermittelt sowie die Fehlerfortpflanzung betrachtet, um die Messunsicherheit des bestimmten Methannormvolumenstroms abzuschätzen. Zur Schätzung der Gasgeschwindigkeit werden verschiedene Verfahren zur Bestimmung des optischen Flusses untersucht und verglichen. Aufgrund der besten Ergebnisse wird für die Versuche zur Bestimmung des Methannormvolumenstroms das Verfahren nach Farnebäck verwendet. Zur Evaluierung des Messsystems wurden im Rahmen der Arbeit verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Es wurde ein Laborprüfstand entwickelt, der die Erstellung definierter Methanströmungen mit Referenzwerten für den Methannormvolumenstrom sowie der Gasgeschwindigkeit ermöglicht. Anhand der Messungen am Laborprüfstand kann die Machbarkeit der fernmesstechnischen Bestimmung des Methannormvolumenstroms gezeigt werden. Ergänzend wurden Referenzmessungen mit bekannten Methannormvolumenströmen in Biogasanlagen durchgeführt. Die Messungen zeigen die Abhängigkeit der Messergebnisse von den Umgebungsbedingungen. Dabei ist eine Untersuchung der einzelnen Störfaktoren nicht möglich, da diese sich schnell ändern und zum Teil zeitgleich auftreten. Abschließend wurden Messungen realer Leckagen in Biogasanlagen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Emissionen nur mit großen Unsicherheiten bestimmt werden konnten. Insbesondere durch die räumliche Ausdehnung der Leckagen wird deren Quantifizierung erschwert. Trotz der Unsicherheiten konnte die Praxistauglichkeit des Messsystems nachgewiesen werden. Das entwickelte Messverfahren wurde von Anlagenbetreibern positiv bewertet, da so mit geringem Aufwand die Gasverluste durch Leckagen bestimmt und entsprechende Maßnahmen zur Beseitigung der Leckagen abgeleitet werden können.