Präzise H₂S-Messung in Biogasanlagen: NDUV-Technologie für anspruchsvolle Messaufgaben
Schwefelwasserstoff (H₂S) ist in Biogasanlagen allgegenwärtig – von mehreren tausend ppm im Rohgas bis in den Sub-ppm-Bereich nach der Feinentschwefelung. Die zuverlässige, kontinuierliche Überwachung der H₂S-Konzentration über alle Reinigungsstufen hinweg ist entscheidend für den Schutz nachgelagerter Anlagenkomponenten, die Optimierung der Entschwefelungsleistung und die Qualitätssicherung des erzeugten Biomethans. Fresenius Umwelttechnik zeigt anhand eines Praxisbeispiels die Vorteile der NDUV-Technologie.
H₂S in der Biogasprozesskette: Warum eine stufenweise Überwachung notwendig ist
Biogas enthält – abhängig vom Substrat – im Rohgas typischerweise zwischen 500 und 5.000 ppm Schwefelwasserstoff, in güllereichen Anlagen auch mehr. H₂S ist hochkorrosiv, schädigt Gasaufbereitungsanlagen, Kompressoren und Membranen und muss bereits vor der Biogasaufbereitung auf ein Minimum reduziert werden. Die Entschwefelung erfolgt typischerweise in mehreren Stufen:
- Stufe 1 – In-situ-Fällung: Zugabe von Eisensalzen (z. B. FeCl₃) direkt in den Fermenter. Das entstehende Eisensulfid (FeS) wird im Substrat gebunden und reduziert die H₂S-Bildung im Rohgas erheblich.
- Stufe 2 – Biologische Entschwefelung: Spezialisierte Schwefelbakterien oxidieren Schwefelwasserstoff unter kontrollierter Luftzufuhr zu elementarem Schwefel. Typische H₂S-Konzentrationen nach dieser Stufe: 50–500 ppm.
- Stufe 3 – Aktivkohle-Polishing: Adsorption von Restschwefelverbindungen und VOC. Nach dieser Feinentschwefelung liegen die H₂S-Konzentrationen im Spurenbereich (< 5 ppm).
- CO₂-Abtrennung zu Biomethan: Das konditionierte Gas wird mittels Druckwechseladsorption (PSA) oder Aminwäsche auf Erdgasqualität aufbereitet.
Das NDUV-Messprinzip: Physikalisch, berührungslos, verschleißfrei
Die Nicht-dispersive Ultraviolett-Absorptionsmessung (NDUV) nutzt die charakteristische Absorptionseigenschaft von Schwefelwasserstoff im UV-Wellenlängenbereich von ca. 190–260 nm.
Funktionsprinzip des NDUV-Sensors
- UV-Lichtquelle: Eine leistungsstarke UV-Lichtquelle strahlt kontinuierlich oder gepulst UV-Licht durch eine gasdurchströmte Messküvette. Je nach Anwendung kommen Gasentladungslampen (EDL) für kontinuierliche Messung oder UV-LEDs für Intervallbetrieb zum Einsatz.
- Optische Selektion: Ein schmalbandiger optischer Filter selektiert die für H₂S charakteristische Absorptionswellenlänge. CH₄, CO₂ und H₂O absorbieren in diesem UV-Bereich nicht – das gewährleistet eine hohe Selektivität auch in der komplexen Gasmatrix von Biogas.
- Zweistrahlverfahren – Herzstück der Langzeitstabilität: Das Licht der UV-Quelle wird in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl durchquert die Küvette mit dem Prozessgas und wird durch H₂S-Moleküle abgeschwächt. Der Referenzstrahl passiert eine gasdichte Referenzküvette unverändert. Beide Strahlen treffen auf denselben Detektor; die H₂S-Konzentration ergibt sich aus dem Verhältnis beider Signale. Schwankungen der Lampenintensität durch Alterung oder Temperaturänderungen betreffen beide Strahlen gleichermaßen und werden damit automatisch kompensiert – das Ergebnis ist eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Nulllinie ohne manuelle Korrektur.
- Detektion nach Lambert-Beer: Ein Photodetektor misst die Lichtschwächung des Messstrahls. Gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz ist die Absorption direkt proportional zur H₂S-Konzentration – physikalisch definiert und drift-arm.
Technische Kenndaten unserer NDUV-Module im Überblick
| Kenngröße | EDL-Technik (kontinuierlich) | UV-LED-Technik (Intervallbetrieb) |
| Messbereiche H₂S | 0–100 ppm bis 0–5.000 ppm | 0–1.000 ppm bis ca. 10.000 ppm |
| Nachweisgrenze (NDG) | < 1 ppm; 0,25 ppm @ 100 ppm-Modul (3σ) | ≤ 1 ppm |
| Ansprechzeit (tₐ₀) | 1,5–15 s (konfigurierbar) | 1–120 min (einstellbar) |
| Lebensdauer UV-Quelle | > 8.000 h (50 % Intensitätsabfall als Richtwert) | > 1.500–180.000 h (messintervallabhängig) |
| Linearitätsfehler | ≤ ±1 % F.S. | ≤ ±2 % F.S. |
| Typische Anwendung | Kontinuierliche Prozessüberwachung | Langzeit-Monitoring mit Intervallmessung |
Unsere Lösung: NDUV-H₂S-Module in bewährten Fresenius-Messsystemen
Fresenius Umwelttechnik integriert hochpräzise NDUV-H₂S-Module in zwei bewährte Messsystemkonzepte, die jeweils für spezifische Aufgaben in der Biogasprozesskette optimiert sind:
GA210 – Dedizierter H₂S-Analysator mit NDUV
Der GA210 ist als spezialisiertes H₂S-Analysesystem konzipiert. Das kompakte Messsystem verbindet das NDUV-H₂S-Modul mit unserer eigens entwickelten System-Elektronik und ist für den stationären Dauerbetrieb in der Prozessüberwachung ausgelegt. Konfigurierbare Messbereiche von 0–100 ppm bis 0–5.000 ppm (EDL) bzw. bis ca. 10.000 ppm (UV-LED) decken alle Prozessstufen ab.
Biogas-Mehrkomponentensystem – CH₄, CO₂, O₂ und H₂S
Unser bewährtes Biogas-Mehrkomponentensystem misst standardmäßig CH₄ und CO₂ mittels NDIR sowie O₂ elektrochemisch. In der H₂S-konfigurierten Ausführung kann anstelle des konventionellen EC-Sensors ein NDUV-H₂S-Modul integriert werden – mit allen Vorteilen hinsichtlich Nachweisgrenze, Ansprechzeit und Langzeitstabilität. So entsteht ein echtes Allround-Analysesystem für alle Prozessparameter in der Biogasanlage.
Eine Sonderversion dieses Mehrkomponentensystems ist speziell für die Biomethan-Analytik optimiert: Die Messbereiche für CH₄ und CO₂ sind auf die engen Toleranzen des Produktgases ausgerichtet, und das integrierte NDUV-Modul mit einer Nachweisgrenze von 0,25 ppm H₂S erkennt auch kleinste Restkonzentrationen nach der Feinentschwefelung zuverlässig.
Konfigurierbare Messbereiche
- 0–100 ppm bis 0–5.000 ppm H₂S mit EDL-Technik, kontinuierliche Messung (tₐ₀: 1,5–15 s)
- Bis ca. 10.000 ppm H₂S mit UV-LED-Technik für Intervallmessung
- Nachweisgrenze 0,25 ppm (@ 100 ppm-Modul, 3σ) für zuverlässige Spurengasmessung
Das NDUV-Modul ermöglicht eine wirtschaftliche Überwachung mehrerer Prozessstufen durch automatische Umschaltung bei minimalem Hardwareeinsatz. Für maximale Betriebs- und Prozesssicherheit sorgen dabei integrierte Flammschutzsperren sowie eine bedarfsgerechte Messgasaufbereitung, die im Rohgasbereich Kondensation verhindert, während Biomethan aufgrund des niedrigen Taupunkts direkt analysiert werden kann.
Intelligentes automatisches Kalibrierkonzept
Ein zentrales Merkmal unserer Lösung ist das vollautomatische Kalibrierkonzept: Nullpunkt- und Endpunktkalibrierung erfolgen automatisch nach einstellbaren Zeitintervallen, ohne manuellen Eingriff. Das bedeutet keine zusätzliche Wartungsarbeit, sondern konstante Messqualität im Dauerbetrieb.
Diese Form der automatischen Kalibrierung ist kein Mehraufwand, sondern eine intelligente, selbstüberwachende Qualitätssicherung – ein wesentlicher Vorteil gegenüber manuell kalibrierungsabhängigen Systemen.
Praxisbeispiel: Mehrstufige H₂S-Überwachung in einer Biomethananlage
Eine typische Biomethananlage mit ca. 600–750 Nm³/h Biomethanleistung stellt folgende charakteristische Anforderungen an die H₂S-Analytik:
| Messpunkt | Typische H₂S-Konz. | Messintervall (Praxis) | Empfohlene Technik |
| Rohgas / vor biol. Entschwefelung | 500–3.000 ppm | Mehrere Stunden | EC oder NDUV (LED) |
| Nach biologischer Entschwefelung | 50–500 ppm (Störfall: bis 1.000 ppm) | 5–10 min | NDUV (EDL) bevorzugt |
| Nach Aktivkohle-Polishing | < 5 ppm | 5–10 min | NDUV (EDL) zwingend |
| Produktgas / Prozessüberwachung | < 1 ppm | Kontinuierlich | NDUV (EDL), NDG 0,25 ppm |
Unser Biogas-Mehrkomponentensystem mit NDUV-H₂S-Modul deckt – je nach Konfiguration – mehrere dieser Messpunkte mit automatischer Umschaltung ab. Im Rohgasbereich kann ein zusätzlicher EC-Sensor wirtschaftlich sinnvoll sein, wenn Messintervalle von mehreren Stunden ausreichen. Ab der zweiten Reinigungsstufe empfehlen wir generell NDUV.
Sie planen eine kontinuierliche H₂S-Messung in Ihrer Biogasanlage oder suchen eine Lösung für anspruchsvolle Schwefelwasserstoff-Spurenmessungen? Sprechen Sie uns an – wir erarbeiten gemeinsam das optimale Messkonzept für Ihre Anlage.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur H₂S-Messung in Biogasanlagen
Was ist NDUV und wie funktioniert die H₂S-Messung damit?
NDUV steht für Nicht-dispersive Ultraviolett-Absorptionsmessung. H₂S absorbiert UV-Licht im Wellenlängenbereich von ca. 190–260 nm charakteristisch. Ein UV-Sensor misst die Lichtschwächung – je höher die H₂S-Konzentration, desto stärker die Absorption. Da CH₄, CO₂ und H₂O in diesem Bereich nicht absorbieren, ist das Verfahren hochselektiv.
Wann ist ein EC-Sensor für H₂S ausreichend?
Für die Rohgasüberwachung mit Messintervallen von mehreren Stunden und Konzentrationen < 5.000 ppm kann ein EC-Sensor die wirtschaftliche Wahl sein. Der jährliche Sensortausch und die tₐ₀-Zeit ≥ 90 s sind einzukalkulieren. Sobald Sub-ppm-Nachweisgrenzen, schnelle Ansprechzeiten oder Langzeitstabilität ohne Sensorverschleiß gefordert sind, ist NDUV die überlegene Technologie.
Wie niedrig ist die Nachweisgrenze des NDUV-Systems?
Mit dem 100 ppm-NDUV-Modul (EDL-Technik) erreichen wir eine Nachweisgrenze von 0,25 ppm H₂S (3σ) – ausreichend für die Überwachung kleinster Restschwefelgehalte nach der Feinentschwefelung.
Wie läuft die automatische Kalibrierung ab?
Nullpunkt- und Endpunktkalibrierung erfolgen vollautomatisch nach konfigurierbaren Intervallen. Unsere System-Elektronik überwacht jeden Kalibriervorgang mit einstellbaren Schutzgrenzen. Liegt eine Kalibrierung außerhalb dieser Grenzen, wird eine Kalibrierstörung gemeldet und die Kalibrierung abgebrochen – die Messung läuft weiter.
Was ist der Unterschied zwischen EDL- und UV-LED-Technik?
EDL-Module bieten Ansprechzeiten von 1,5–15 s und sind für die kontinuierliche H₂S-Messung ausgelegt. UV-LED-Module verlängern durch Intervallbetrieb die Quellenlebensdauer drastisch, eignen sich für Messbereiche bis ca. 10.000 ppm und sind außerdem quecksilberfrei. Beim Erreichen des Lebensendes wird nur die LED-Einheit getauscht, nicht das gesamte Modul.
Gilt DVGW G 260 für die interne H₂S-Messung in der Biogasanlage?
Nein. DVGW G 260 gilt am Übergabepunkt zum Netzbetreiber. Dort misst der Netzbetreiber mit eigenem Prozess-GC gemäß seinen TMA. Die interne Prozessmesstechnik des Anlagenbetreibers dient dem Anlagenschutz und der Prozessoptimierung – hier gelten keine normativen Vorgaben zum Messverfahren.
