Kögelhof – 센서를 통해 모니터링하는 바이오가스 공장의 초음파 분해
천연 에너지원을 효율적으로 사용합니다.
Kögelhof smallholding은 독일 Ravensburg 도시에 소재합니다. 가족경영 농장으로 2004년부터 에너지로 변환될 수 있는 바이오 가스를 생산하기 위해 전념했습니다. 농부 Hermann Müller는 180 ha 경작지에서 필요한 사료물질을 직접 재배합니다. 생산되는 에너지는 농장 자체뿐 아니라 1,400여 가구에 전기를 공급하기에 충분합니다. 폐열은 지역 학교건물을 가열하는 데 사용됩니다.
이웃을 위한 지속가능한 에너지 및 열
Hermann Müller는 바이오가스 설비의 기능을 소의 위 작동 방식과 비교합니다. 한때, Kögelhof에서 젖소를 사육했으므로 소의 위 기능에 관하여 잘 알고 있었습니다. “소의 근육은 발효기의 교반기처럼 유기물을 움직입니다. 따뜻하고 밀폐된 환경에서 미생물에 의해 분해되어 바이오가스가 발생합니다.” 이 바이오 가스는 Kögelhof 공장에서 5개의 모터를 구동하고 결합된 발전기의 도움으로 전기를 생성합니다 (연간 최대 450만 킬로와트시). 이 전력은 전력망으로 공급되며 약 1,400가구의 에너지 수요를 충족시킵니다.
결과적으로 발생하는 폐열은 목표한 방식으로도 사용됩니다: 지역 공급업체는 학교 중앙에 1.4 km 길이의 지역 난방라인을 설치하였습니다. 건물과 수영장 모두 생물학적으로 지속가능한 방식으로 가열되어 연간 80,000 리터의 난방오일을 절약할 수 있습니다. 미래에는 인접한 신규 개발지역도 바이오가스로 가열될 것입니다. Kögelhof에서는 수요에 따라 에너지가 생산되므로 여름보다 겨울에 더 많이 생산됩니다. "이것은 필연적으로 바이오매스의 처리량을 증가시키며, 이는 전체 에너지 잠재력이 항상 완전히 활용되지는 않는다는 것을 의미합니다"라고 Hermann Müller는 말합니다. “생산량이 많으면 바이오매스의 최종 산물인 이른바 발효 기질에 일정량의 잔류 에너지가 항상 존재합니다. 따라서 우리는 지속가능성있게 생산하고 거의 전적으로 바이오매스에서 에너지를 얻을 수 있는 솔루션을 찾고 있었습니다.” Hermann Müller가 Weber Entec에서 찾은 솔루션입니다.
그림 1: Kögelhof 그림 2: 초음파 분해 설비에서 바이오매스는 최대 에너지 생산량을 위해 처리됩니다.
초음파 분해
Weber Entec은 환경기술 분야, 특히 분해 - 생체 성분의 초음파 처리 분야에서 초음파 기반 어플리케이션을 위한 설비 건설을 전문으로 합니다. 이 과정을 통하여 발효 기본물질의 표면이 확대됩니다. 기술 용어로 이 과정을 소화라고 합니다. 이러한 표면적 증가는 유기물 분해 과정을 가속화하고 에너지 생산량이 증가합니다.
초음파로 분해되는 동안 발전기에서 발생하는 전기적 진동은 변환기 (음향 변환기)에 의해 기계적 진동으로 변환됩니다. 이러한 진동은 소위 sonotrode를 통하여 주변 매체로 전달됩니다. 여기에서 변환기가 현재 팽창하거나 수축하는지 여부에 따라 초음파 주파수의 리듬에서 높은 과압과 음압을 교대로 발생시킵니다. 음압 단계에서 초음파 처리된 액체에 미세한 증기 기포가 형성되어 후속 과압단계에서 파열됩니다. 이 프로세스를 캐비테이션이라고 합니다. 내파는 높은 압력과 온도를 방출하여 바이오매스의 분해 과정을 더욱 확산시킵니다.
그림 1: 견고한 세라믹 정전용량형 압력 측정 셀을 보유한 ifm PM1604 압력 센서는 펌프 모니터링에 이상적입니다. 그림 2: 여러 IO-Link 센서 및 액추에이터를 IO-Link 마스터에 연결할 수 있습니다. 후자는 또한 gateway 역할을 하며 PROFINET을 통해 설비 컨트롤러와 통신합니다.
펌프에 대한 압력 모니터링
Weber Entec은 ifm의 센서와 IO-Link 마스터를 사용하여 이 설비의 분해를 모니터링합니다. 예를 들어, 주 발효기의 펌프에서 발효 기질이 초음파 시스템으로 펌핑되고 다시 되돌아옵니다. 센서는 유입면과 배출면의 압력을 측정하여 펌프를 모니터링합니다. 또한 라인 압력 손실이 너무 높은 경우, 초음파 생성을 보호하고 흐름을 제어합니다.
매립형 압력 센서 PM1604는 견고한 세라믹 정전용량형 압력측정 셀을 보유하므로 이 어플리케이션에 매우 적합합니다. 측정 셀은 매체 입자에 대하여 내구성이 있으며, 매립형 프로세스 연결은 측정 셀에 침전물을 방지합니다.
IO-Link로 인한 부가가치
센서는 IO-Link를 통해 컨트롤러에 연결됩니다. 구체적으로 다음을 의미합니다: 센서는 IO-Link를 통해 IO-Link 마스터와 통신합니다. 이것은 여러 센서를 연결해 주고 신호를 묶어 필드버스 (이 경우 Profinet)를 통하여 컨트롤러와 통신합니다. 이렇게 하면 배선 작업이 상당히 줄어듭니다. 이 일관된 디지털 통신 경로는 측정값의 손실 없는 전송 이상의 것을 가능하게 합니다. 예를 들어, IO-Link를 통해 센서에서 최소 및 최대값을 읽을 수 있는데, 이는 위험성있는 단기 압력 피크에 대한 정보를 제공합니다. 센서 상태는 언제든지 진단 데이터를 통해 확인할 수 있습니다. 순수한 측정값 이외에도 이 모든 데이터는 계획되지 않은 시스템 오류를 방지하는 데 도움이 됩니다. PM1604의 파라메터는 또한 IO-Link를 통해서도 세팅됩니다. 예를 들어, 측정 범위를 자유롭게 확장할 수 있고 어플리케이션에 최적으로 조정할 수 있습니다. Weber Entec GmbH & Co. KG의 전무이사인 Christian Eichhorst는 다음과 같이 요약합니다: “센서가 매우 정확하고 신뢰할 수 있습니다. 특히 IO-Link를 통해 컨트롤러를 크게 개선할 수 있었습니다. IO-Link는 배선의 복잡성을 감소시키거나 피크 압력과 같은 다양한 파라메터를 직접 읽는 등의 큰 장점을 제공합니다.”
결론
자원을 효율적으로 사용 – 이 표어는 바이오매스의 에너지 활용과 IO-Link로 측정된 값 이상을 출력하는 센서 기술에 모두 적용됩니다. 이를 통해 프로세스 모니터링의 투명성을 극대화하고 바이오가스 설비의 효율적이고 고장없는 작동을 보장합니다.