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1 3UR]HVVNRQWUROOHGXUFKG\QDPLVFKH%HWULHEVI KUXQJ ±'LDORJHPLWGHU)HUPHQWHUELRORJLH $XVJDQJVODJH Der Biogasprozess kann nur dann stabil aufrecht erhalten werden, wenn alle beteiligten Bakteriengruppen im Gleichgewicht sind und hinreichend gute Milieubedingungen vorfinden. Wird die Aktivität einer Gruppe gestört, bricht der Prozess zusammen. Oberstes Ziel beim Betrieb einer Biogasanlage ist es daher, das erforderliche Gleichgewicht zwischen den einzelnen Abbauschritten dauerhaft sicherzustellen. Diese Forderung lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise erfüllen: Strategie 1: Der Fermenter wird mit einer geringen Raumbelastung gefahren. Es wird weniger Substrat zugeführt, als theoretisch verarbeitet werden könnte. Der Gesamtprozess ist substratlimitiert. Da der Flaschenhals mangels Substratzufuhr in der Hydrolyse/Versäuerung liegt, können die nachfolgenden Prozesse nicht überfrachtet werden und der Gesamtprozess ist dauerhaft stabil. Eine gezielte Unterbelastung findet man z.b. bei vielen landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Die Anlagen sind hinreichend groß dimensioniert, die verarbeiteten Substrate wie Gülle sind i.d.r. unproblematisch (langsamer Abbau, hohe Pufferkapazität, komplexe Zusammensetzung). Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in dem geringen Aufwand für die Prozesskontrolle und Analysen. Als Nachteil sind die spezifisch höheren Investitionskosten bzw. die geringe Nutzung des Anlagenpotentials anzusehen. Strategie 2: Der Fermenter wird mit hoher Raumbelastung gefahren und mit einer Prozesskontrolle ausgestattet. Je näher die zugeführte organische Fracht der Leistungsgrenze des Prozesses kommt, desto aufwendiger muss die Kontrolle sein, um bei ersten Anzeichen einer Überlastung gegensteuern zu können. Gewerbliche Biogasanlagen werden i.d.r. mit hohen Raumbelastungen gefahren, um das wirtschaftliche Optimum zu erreichen, d.h. die Erlöse aus der Biogasverstromung/Wärmenutzung und den Abnahmegebühren für verarbeitete Abfallstoffe sollen maximiert werden. Demzufolge wird auf der einen Seite ein möglichst hoher Gasertrag pro Faulraumvolumen angestrebt, auf der anderen Seite soll die Anlage einen hohen Substratstrom durchsetzen. Dafür ist eine gute Prozesskontrolle unabdingbar. Beide Strategien können sinnvoll sein. LHOHODQGZLUWVFKDIWOLFKH$QODJHQVLQGI UHLQH6WUDWHJLHPLWJHULQJHU5DXPEHODVWXQJJH EDXW XQG DXVJHOHJW ZHUGHQ DEHU QDFK6WUDWHJLH PLW HLQHU KRKHQ 5DXPEHODVWXQJ JHIDK UHQ'LHHQWVWHKHQGHQ3UREOHPHVLQGYRUSURJUDPPLHUW Dieser Problematik stellte sich ein Forschungsvorhaben der UTEC GmbH zur Prozesskontrolle durch dynamische Betriebsführung. Das Vorhaben wurde durch die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) aus Mitteln des Bundesministeriums für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL) gefördert. Die Ergebnisse des Vorhabens wurden vom Ingenieurbüro in eine kostengünstige Lösung umgesetzt und kommen bereits in der Praxis zur Anwendung.

2 3UR]HVVNRQWUROOH±6WDQGXQG(QWZLFNOXQJHQ??? %ODFN%R[ B 2QOLQH0HVVXQJ B 3UR]HVVGLDORJ (QWZLFNOXQJHQEHLGHU3UR]HVVNRQWUROOH 'HU6WDQGDUG)HUPHQWHUDOV%ODFN%R[ Die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden in Abhängigkeit vom Substratanfall bzw. nach den Anforderungen des Gasmotors zur Verstromung betrieben. Die Beschickung erfolgt einbis zweimal pro Tag, die Gasmenge wird in Betriebsstunden des BHKW abgeschätzt. Läuft der Gasmotor nicht mehr ausreichend, wird Substrat zugegeben, um die Gasproduktion anzuregen. Der Fermenter wird dabei als 'Black Box' betrachtet. Was sich in seinem Inneren an biologischen Vorgängen abspielt, bleibt dem Betreiber verborgen. Unter Umständen wird in regelmäßigen Abständen die Gesamtsäure im Faulsubstrat durch ein externes Labor bestimmt. Nach einigen Tagen erhält man das Ergebnis und weiß, wie der Zustand zum Zeitpunkt der Probennahme gerade war. Was die Bakterien im Fermenter DNWXHOO gerade tun, ob sie rundum zufrieden oder übersättigt sind, hungern oder sonstige Not leiden, ist unbekannt. Läuft eine Anlage stabil und störungsfrei, so ist sie meist nicht ausgelastet und ihr Potential nicht ausgeschöpft. 2QOLQH0HVVXQJ(LQ%OLFNLQGHQ)HUPHQWHU Gasuhren, Methanmessgeräte, ph-meter, Thermometer etc. sind allen bekannt. Um ein Optimum an Kontrollmöglichkeiten zu erhalten, ist es sinnvoll, diese, für die Biologie des Fermenters aussagekräftige Messgrößen, in regelmäßigen und kurzen Abständen aufzuzeichnen. Diese sogenannte Online-Messung erlaubt dann einen interessanten Blick in den Fermenter. Nicht nur die aktuellen Messwerte sondern auch die Trends der Daten geben Auskunft über die Aktivität des Prozesses. Jeder, der diese Erfahrungen macht, wird erstaunt sein, wieviel mehr an Informationen einem durch diese Methode zur Verfügung stehen. Und mehr Informationen sind immer gleichbedeutend mit weniger Ausfällen und gesteigerter Leistung. Die Aufzeichnung der Messwerte kann durch Standard-Software auf einfachen PC-Systemen erfolgen und muss nicht teuer sein. Auch bei einer Online-Messung ist eine zusätzliche Messung von z.b. organischen Säuren als Kontrollparameter in größeren Zeitabständen angeraten. '\QDPLVFKH%HWULHEVI KUXQJ'LDORJPLWGHU)HUPHQWHUELRORJLH Im Rahmen der dynamischen Betriebsführung wird die Online-Messung durch einen Dialog mit der Fermenterbiologie wesentlich erweitert. Dabei werden ihr durch dynamische Änderungen der Belastungen gezielte Aufgaben (Fragen) gestellt. Die Antwort der Biologie ist sofort erkennbar und kann nun mit den zu erwartenden Ergebnissen verglichen werden. Die vergleichende Auswertung der Daten erlaubt eine Aussage über den Zustand der Anlage. Dabei hat jede Anlage ihren eigenen Rhythmus, je nach Verfahren und Substratauswahl. Auch die gestellten Aufgaben können vielfältig sein. Vergleichen lässt sich diese Methode gut mit einem EKG beim Arzt, bei dem auch unterschiedliche Belastungen mit Ruhephasen abwechseln und der Kurvenverlauf des EKG Rückschlüsse auf die Gesundheit zulässt. Die Messungen müssen möglichst dicht am 'Tatort' erfolgen, das heißt direkt am oder im Fermenter.

3 )RUVFKXQJVHUJHEQLVVH *UXQGODJHQXQG7KHVHQ Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die zu stellenden Aufgaben, Fragen und die Interpretation der Antworten erarbeitet. Dabei wurden die theoretischen Ansätze und Thesen in Versuchen im Labormaßstab und anschließend an Großanlagen überprüft. Die Arbeiten zeigten, dass die folgenden Parameter gemessen werden sollten: Gasvolumenstrom, Methangehalt, Redox (Option) Zugabezeitpunkt und menge (Option) ph-wert (Option) Die wichtigsten Thesen für eine dynamische Betriebsführung sind: Der Verlauf einer Gärtest -Kurve ist anlagenspezifisch und abhängig von der ausgebildeten Biozönose. Er ist bei gleichen Bedingungen, aber unterschiedlichen Belastungen, ähnlich. Kurvenverläufe sind reproduzierbar, wenn der Faulschlamm adaptiert ist. Die Kurve der Gasbildungsrate entspricht bei semi-kontinuierlicher Zugabe der Summe von überlagerten Einzelkurven. Zugabestöße haben die gleiche Aussagekraft wie Zugabepausen. Der Kurvenverlauf einer Zugabepause lässt Rückschlüsse auf den Belastungszustand des Fermenters zu. Im Forschungsvorhaben wurde die Richtigkeit dieser Thesen vollständig nachvollzogen. So wurden für unterschiedliche Gärsubstrate mit ganz unterschiedlichen Gärcharakteristiken Versuch im Batchbetrieb und als kontinuierliche Versuche durchgeführt. Für die Praxis ergeben sich daraus die folgenden Schlüsse: Jedes Substrat oder Substratgemisch hat seine eigene Gärtestkurve. Die Kenntnis dieser Kurve ist wichtig für die Ermittlung zulässiger Stoßbelastungen, Zugabeerhöhungen oder für die Zusammenstellung eines neuen Substratmixes. Der Verlauf einer Gärtestkurve ist anlagenspezifisch. Die Resultate von externen Gärtests sind nur unter Vorbehalt für die Bewertung von Substraten verwendbar. Belastungsversuche an der betreffenden Biogasanlage selbst haben die höchste Aussagekraft, da sie das Abbauverhalten der zu diesem Zeitpunkt im Fermenter vorliegenden Biozönose wiederspiegeln. Im Fall, dass eine Biogasanlage nach längerem Stillstand wieder angefahren werden soll, kann mit Hilfe einer vorab ermittelten Gärtestkurve für eine definierte Substratmenge eine Soll-Kurve errechnet werden. Weicht die Entwicklung der Methanbildungsrate während des regulären Anfahrbetriebes wesentlich von der Sollkurve nach unten ab, ist dies ein Zeichen, dass die Zugabemenge reduziert werden sollte.

4 /HLVWXQJVNRQWUROOHGXUFK,QWHUSUHWDWLRQGHU0HWKDQELOGXQJVUDWHEHL=XJDEHSDXVH Über eine relativ kurze Zugabepause besteht die Möglichkeit eine negative Sprungbefragung zu schaffen. Aus dem Verlauf der Gasentwicklung lassen sich Rückschlüsse auf eine mögliche Überlastung der Anlage ziehen. Somit besteht die Möglichkeit, eine Leistungsüberprüfung bei laufendem Betrieb unter geringen wirtschaftlichen Einbußen und Kosten durchzuführen. Um den Verlauf der Methanbildungsrate interpretieren zu können, wurde ein Arbeitsmodell erstellt, das die recht komplexen Abbauvorgänge im Fermenter vereinfacht. Es besagt: Der Verlauf der Methanbildungsrate ist aussagekräftiger als die Gasbildungsrate. Der Verlauf einer Methanbildungsrate nach einer Stoßbelastung ( Gärtestkurve ) ist repräsentativ für ein Substrat und den Abbauprozess. $Q$EIDKUYRUJDQJ±.XUYHQYHUJOHLFKHEHL1RUPDOEHWULHEXQGhEHUODVWXQJ Wiederholt sich eine Einzelbelastung durch Zugabe (Gärtestkurve) in festen Intervallen, so lässt sich durch Addition der zeitlich versetzten Einzelkurven die Summenkurve errechnen, welche die Methanbildungsrate des Fermenters wiedergibt. Nach n = te/ t Zugaben ist der Anfahrprozess abgeschlossen und die Kurve im Gleichgewicht. Nach einem Stop der Zugabe fällt die Methanbildungsrate steil ab und erreicht nach n Zugabepausen den Basiswert. Anfahr- und Abfahrverhalten eines Fermenters stehen dabei in einem definierten Verhältnis zueinanderin Abbildung 1 ist ein Ab-/Anfahrvorgang simuliert. Zum Zeitpunkt t 0 wird die Zugabe abgestellt, daraufhin fällt die Methanproduktion ab. Zum Zeitpunkt ts wird die kontinuierliche Zugabe wieder gestartet und die Methanbildungsrate steigt wieder an, wobei die Methanbildungsrate, die aus der Zugabe resultiert, auf die Kurve des Abfahrvorgangs aufgesattelt wird. Nach n Zugabeintervallen ist das Soll-Niveau erreicht. 3,00 2,80 2,60 2,40 W 't Stop 't Anfahr 2,20 2,00 0HWKDQELOGXQJVUDWH 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 *luwhvw (LQ]HONXUYHQ 0,20 0, W W W =HLW $EELOGXQJ 7KHRUHWLVFKH=XVDPPHQKlQJHEHL$QXQG$EIDKUYRUJlQJHQ

5 Die Differenz aus der Gleichgewichtskurve und der Abfahrkurve über die Zeitspanne t stop ergibt die Fläche V2. Die Anfahrkurve abzüglich der Grundgaskurve ergibt die Fläche V3. Die Flächen (=Methanvolumen) V2 und V3 sind gleich, wenn t stop und t anfahr gleich lang gewählt werden. Ein Vergleich der Abfallkurve nach einem definierten Zugabestop mit der Anfahrkurve erlaubt eine Aussage über den Zustand des Fermenters: Die Flächen V2 und V3 sollen annähernd gleich sein, wenn sich der Gärprozess im Gleichgewicht befindet. Die Flächen V2 und V3 müssen stark von einander abweichen, wenn eine Prozessstörung oder Überlastung vorliegt. In Abbildung 2 ist der Kurvenverlauf eines Ab-/Anfahrvorgangs für ein überlastetes System dargestellt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die acetogenen und methanogenen Bakterien nicht in der Lage sind, die Stoffwechselprodukte der acidogenen Phase vollständig zu verarbeiten, folglich kommt es zu einer Anreicherung von Säuren etc. im System. Dieser Säureüberschuss bildet einen Nährstoffpool. Nach einem Stop der Substratzufuhr beeinflusst der Nährstoffpool den Verlauf der Abfahrkurve. Während die Kurve bei einem Prozessgleichgewicht steil abfallen würde, fällt die Kurve bei einem überlasteten System erst verzögert ab, da Methan aus dem Nährstoffpool gebildet werden kann. 3,00 2,80 2,60 2,40 W 't Stop 't Anfahr 2,20 2,00 0HWKDQELOGXQJVUDWH 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60.XUYHhEHUODVWXQJ QRUPDOH.XUYH! 0,40 0,20 0, W W W =HLW $EELOGXQJ.XUYHQYHUJOHLFKHEHL1RUPDOEHWULHEXQGhEHUODVWXQJ

6 3,2+1 ' 0/. (-,+*) % 3UDNWLVFKH$QZHQGXQJ In den Versuchen auf Praxisanlagen wurde die Übertragbarkeit von Theorie und Laborpraxis in den Alltag bewiesen. Dieser Betriebsalltag kann getrost als "rauhe Wirklichkeit" bezeichnet werden. Die in der anfänglichen Problemstellung genannten Unzulänglichkeiten wurden auf vielfältige Art und Weise deutlich. Bei allen Anlagen handelte es sich um solche, die für einen Hochlastbetrieb nicht über die dazu gehörige Prozesskontrolle verfügten. Insofern wurden die Ansätze und die Notwendigkeit des hier beschriebenen Lösungsansatzes bestätigt. Mit den Versuchen konnte die Übereinstimmung der theoretischen Überlegungen mit der Praxis belegt werden. Beispielhaft sei hier in Abbildung 3 eine Zugabepause bei einer Praxisanlage wiedergegeben. 1,0 0, Methanproduktion Mittelwert 6 Perioden 0,8 %$ &'( #$ 0,7 0,6 0,5 0, ,3 0,2 0,1 t Pause t Start 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 "! 4,0 $EELOGXQJ HUODXIGHU0HWKDQELOGXQJVUDWHQDFK=XJDEHVWRSSQHJDWLYH,PSXOVEHIUDJXQJ Mit einer Online-Messung der benötigten Parameter und der Änderung fest definierter dynamischer Lastzustände und Lastimpulse können gute Rückschlüsse auf den Leistungsstand der Biogasanlage gezogen werden. Die dynamische Prozesskontrolle bietet dem Betreiber die folgenden Vorteile: Zeitnahe Diagnose des biologischen Zustandes vor Ort, Gezielte Optimierung des Prozesses, Möglichkeiten der Fernbetreuung, Vermeidung von Betriebsstörungen, Effizienzsteigerung durch optimale Auslastung der Anlage und Maximierung der Gasproduktion.

7 gnrqrplh Für die oben beschriebene Prozesskontrolle muss man je nach Größe und Aufwand mit Investkosten zwischen ¼XQG ¼UHFKQHQ'LHVH6XPPHHUVFKHLQWDXIGHQHUsten Blick hoch und mag den einen oder anderen Betreiber abschrecken. Trotzdem sind die Investitionen hoch lukrativ. Zur Verdeutlichung zwei Beispiele: a) Kann bei einer im Schwachlastbereich betriebenen Anlage eine Steigerung der Gasbildungsrate von 1,25 m³/m³yd auf 1,5 m³/m³yd erreicht werden, so erhöhen sich die Erlöse um 50%. So kann beispielsweise die mittlere Leistung des Gasmotors von 100 kwel auf 150 kwel erhöht werden. Bei einem Auslastungsgrad vom 85% entspricht das einem Plus von rund ¼SUR-DKU b) Bei Volllast erwirtschaftet ein BHKW mit 100 kwel im Jahr bei Vollbenutzungsstunden (durchgängiger Betrieb abzgl. Wartungsphasen) rund ¼-HGHU6WLOOVWDQGVWDJUHGX]LHUWGLHV Ergebnis um 233 ¼6FKDIIWPDQHV]% EHUJahre lang nur 10 Ausfalltage pro Jahr zu vermeiden, so summieren sich die hierdurch erreichten Mehrerlöse auf ¼ Bei allen Berechnungen unberücksichtigt bleiben die Ausfälle durch nicht abgenommene Abfälle, der mögliche Ärger mit Nachbarn und / oder Behörden und zuletzt der eigene Arbeitsaufwand für die Behebung von Schäden. (UVWH$QZHQGXQJHQLQGHU3UD[LV Die verwendete Technik zur Online-Messung ist bereits seit mehreren Jahren in Labor- und Großanlagen erprobt. Neben dem Interesse von am Vorhaben beteiligter Landwirte wird seit März dieses Jahres das Verfahren der dynamischen Betriebsführung bei einer neuen Großanlage im Amt Neuhaus erfolgreich angewendet. Nach der Installation der erforderlichen Messtechnik und der Adaption an die örtlichen Gegebenheiten, wurde durch die Fachingenieure der UTEC ein Auswerteprogramm entwickelt, das sowohl dem Betreiber einen schnellen Überblick über seinen Anlagenzustand ermöglicht. Über Fernabfrage per Modem kann sich im Bedarfsfall zusätzlich zum eigenen Betriebspersonal auch der Fachplaner schnell informieren und kostengünstig eine externe Fachberatung durchführen. $XVEOLFN Für alle Biogasanlagen, die im Mittel- oder Hochlastbereich betrieben werden (sollen), erscheint eine Online-Messung zur Prozessoptimierung unabdingbar. Wird dieser Weg gegangen, so ist es zur Prozesskontrolle durch dynamische Betriebsweise nur ein kleiner und kostengünstiger Schritt. In der vorgelegten Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Online-Messung ausgewählter Parameter in Verbindung mit einer dynamischen Betriebsweise eine gute Kontrolle des Prozesses erlaubt. Die theoretischen Ansätze konnten im Labormaßstab und an Praxisanlagen bestätigt werden. Für einen erfolgreichen Einsatz in der Praxis ist es erforderlich, dem Betreiber neben geeigneter Hardware auch eine einfache Software in Kombination mit kompetenter Fachberatung zur Verfügung zu stellen.

8 Autoren: Christoph Zimmermann, Gerhard Kopiske Ingenieurbüro UTEC GmbH Cuxhavener Straße Bremen Telefon: 0421 / Fax: 0421 / Mail: utec@utec-bremen.de Homepage : Beide Autoren arbeiten seit 178 als Projektingenieure auf dem Gebiet der Biogastechnik und stehen für Nachfragen gern zur Verfügung.