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Optimierung von Biogasanlagen

GECOCDer effiziente Betrieb landwirtschaftlicher und industrieller Biogasanlagen gewinnt in der heutigen Zeit zurückgehender Förderungen und steigender Substratpreise immer stärker an Bedeutung. In der Optimierung des Anlagenbetriebes sowie des anaeroben Vergärungsprozesses liegt der Schlüssel zur Effizienzsteigerung. Dazu gibt es zwei Ansätze: (1) biologische, mikrobiologische und/oder (2) automatisierungstechnische Optimierung. Das Gummersbach Environmental Computing Center (GECO►„C) verfolgt den zweiten Ansatz und optimiert Biogasanlagen mit Hilfe des Einsatzes innovativer Online-Messtechnik für pH, Redoxpotenzial, organische Säuren und Pufferkapazität, dynamischer Anlagensimulation, multivariater Datenanalyse sowie der Entwicklung und Umsetzung von individuell angepassten Steuer- und Regelungskonzepten. Diese interdisziplinäre Vorgehensweise dargestellt in Abbildung 1 erlaubt erst eine umfassende Optimierung des Biogasprozesses.

Abbildung 1 Faktoren fr einen effizienten Betrieb von Biogasanlagen
Die Vorteile für den Anlagenbetrieb sind:
• Validierung und Analyse des Anlagenbetriebes mittels dynamischer Simulation.
• Test alternativer Betriebsweisen an Simulationsmodellen.
• Analyse von Betriebsdaten zur Erkennung von Betriebsproblemen.
• Verbesserte Prozessüberwachung durch Online-Messtechnik.
• Maximale Biogasausbeute bei hoher Prozessstabilität durch intelligente Prozesssteuerung und –regelung

Zwei Entwicklungen des GECO►C aus den Bereichen Online-Messtechnik und Optimierung und Regelung werden im Folgenden kurz vorgestellt. Diese sind durch die Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie sowie mit der Bioenergie Region Oberberg, insbesondere ZebiO (Zentrum für Bioenergie Oberberg) entstanden.

Online-Messung organischer Säuren mit Mittelinfrarotspektroskopie (MIR)
Die Online-Messung kritischer Prozessvariablen, insbesondere organischer Säuren ist entscheidend für die Erkennung kritischer Prozesszustände. Im Rahmen des ZIM-Projektes INNO-MIR Biogas (Entwicklung und Automatisierung eines innovativen MIR-Online Messsystems für Biogasanlagen) wird derzeit eine MIR spektroskopische Sonde entwickelt, die in der Lage ist die Gesamtkonzentration organischer Säuren sowie Pufferkapazität und Ammoniumkonzentration im Gärmaterial von Biogasanlagen zu messen. Darüber hinaus, wurde eine Sondenarmatur entwickelt, die eine vollautomatische Reinigung und Kalibrierung der Sonde erlaubt. Somit kann der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduziert werden.

Abbildung 2: (a) MIR Sonde in Testinstallation an einer industriellen BiogasanlageAbbildung 2: (b) Nahaufnahme der MIR Sonde mit Diamandkristall
Optimale modellbasierte Regelung von Biogasanlagen
Die richtige Beschickung der Biogasanlage zum richtigen Zeitpunkt ist einer der entscheidenden Faktoren bei der Regelung von Biogasanlagen. Hierbei kommt es darauf an den aktuellen Anlagenzustand anhand von Prozessdaten genau zu bestimmen und daraufhin speziell angepasste Substratbeschickungen zu bestimmen. Mit Hilfe eines dynamischen Simulationsmodells der zu regelnden Biogasanlage können hunderte unterschiedlicher Substratbeschickungen simuliert und ausgewertet werden, so dass man am Ende die optimale Beschickung erhält. Eine solche Regelung erlaubt somit eine deutliche Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen durch eine gesteigerte spezifische Biogasproduktion. Die bisher erzielten Ergebnisse für eine typische landwirtschaftliche Biogasanlage zeigen, dass eine Ertragssteigerung von bis zu 19% erreicht wird (Abbildung 3).Abbildung 3: Optimale Regelung der Beschickung am Beispiel einer landwirtschaftlichen Biogasanlage mit 500 kW Leistung von einem schlechten Betriebspunkt bis hin zum optimalen.

1Gefördert durch das BmWi: KF2137807AK1

 

Dr. Christian Wolf
Fachhochschule Köln
Gummersbach Environmental Computing Center (GECO►C)
Tel.: +49 (0)2261 8196-6434
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http://www.gecoc.de/

 

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