Einführung Biogasanlagen und Bioenergieregionen Regelbarer Gärprozess Online-Messtechnik Zusammenfassung und Ausblick. Carsten Wolff (FH Dortmund) 1

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Hedwig Heintze
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Sensorik im Fermenter einer Biogasanlage Herausforderungen und Lösungen auf dem Weg zur regelbaren Biogasproduktion C. Wolff, J. Strumberg, C. Fortenbacher, J.

1 Sensorik im Fermenter einer Biogasanlage Herausforderungen und Lösungen auf dem Weg zur regelbaren Biogasproduktion C. Wolff, J. Strumberg, C. Fortenbacher, J.Tekampe, W. Schier, M. Knirr, I. Foerst, C. Hensen, Einführung Biogasanlagen und Bioenergieregionen Regelbarer Gärprozess Online-Messtechnik Zusammenfassung und Ausblick 1

2 Biogasanlagen in Deutschland Quelle: Fachverband Biogas 2

3 Biogasanlage Stellgrößen zur Steuerung der Anlage: Substrate: Mais, GPS, Mist Biogas Blockheizkraftwerk (BHKW) M Vorlagebehälter Fermenter Nachgärer Mischzeiten Futtermenge Fütterzeiten Temperatur Vorgrube (Gülle) Pumptechnik Umpumpen von Substrat Gärrrestlager 3

4 Biogasanlage Referenzbiogasanlage 4

5 Bioenergieregionen Prosumer Heizung Biogas- Anlage Wärme Elektrizität Biomasse Dünger Wärmepuffer 5

6 Herausforderungen der Systemfähigkeit: Ausgleich zwischen Strom- und Wärmeführung Schnelles Hoch- und Herunterfahren des BHKWs 2 bzw. 3 Nutzungen für Biogas (Wärme, Strom, Gas) Umwandlung Wärme in Elektrizität (und umgekehrt) Speicherung von Wärme, Gas, Elektrizität (teuer) Bedarf steuern, Produktion regeln Intelligente Produzenten und Konsumenten im Systeme Vernetzen und Regeln/Optimieren des Systems 6

Smart Biogas Fermenter ZIM Biogas Projekt (2013-2015) Partner: Universität Kassel => Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft CP contech electronic GmbH => Entwicklung, Produktion und Vermarktung des

7 Smart Biogas Fermenter ZIM Biogas Projekt ( ) Partner: Universität Kassel => Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft CP contech electronic GmbH => Entwicklung, Produktion und Vermarktung des Messsystems Fachhochschule Dortmund => Entwicklung der Regelung, Simulation des Gärprozesses (Biogas-Fermenter) Ziele/Ergebnisse: Sensorkopf, Software, Regler Demonstrator-Anlage => Vorstufe zum Einbau im Fermenter 7

8 Problemstellungen bei der Regelung des Gärprozesses in Biogasanlagen: Nicht ausreichendes/übermäßiges Rühren => Prozessprobleme, Stromkosten (> 30 keur p.a.) Über-/Unterfütterung => Biogas Über-/Unterproduktion => Einsparung Biomasse (10% = 40 keur p.a.) Frühwarnfähigkeit bei biologischen Prozessstörungen => Stillstandszeiten reduzieren Vorhersage der Biogasproduktion (z.b. 1 Woche) => Voraussetzung für Betrieb im Smart Grid 8

9 Matlab/Simulink Modell (agriadm1): mittels SIMBA tool box (ifak Institut, Universität Magdeburg) 9

10 Gärprozess Quelle: Gujer, W.; Zehnder, A. J. B. (1983): Conversion Processes in Anaerobic Digestion. Water Science and Technology, Vol. 15, 10

11 Regelparameter: FOS/TAC: FOS = Flüchtige Organische Säuren TAC = Total Acid Capacity - Säurepufferkapazität => keine online-messung => stattdessen offline im Labor Korreliert mit Leitfähigkeit und Redox, abhängig von ph und Temperatur Abhängig von der Biomassezusammensetzung (Rezept) und Trockensubstanzgehalt des Substrats Messstrategie: Online-Messung von ph, Leitfähigkeit, Redox, Temperatur Online-Messung der Viskosität 11

12 Messkopf: 12

13 In-Fermenter Online- Mess-System: 13

14 Smartification Process 8. Möglichkeitsraum für Planungsebene 9. Schnittstellen für Planungsdaten 6. Rule Engine aufsetzen 7. Regeln für Arbeitspunktwechsel anlegen 4. Regler auslegen 5. Rekonfiguration & Parametrierung einbauen 1. Physikalisch-technisches System mit Freiheitsgraden/Flexibilität 2. Systemmodell entwickeln 3. Aktuatoren & Sensoren hinzufügen 14

15 Ergebnisse und weitere Arbeiten: Regelbare Biogasanlagen sind ein sinnvolles Element für Bioenergiesysteme Regelung ist aufgrund des unzureichenden Streckenmodells (Gärprozess) und der mangelhaften Online-Messtechnik schwierig Elektromechanische Lösung für Messvorgang ist wichtige Voraussetzung für weitere Schritte OCM dient als Rahmen für eine Regelbarkeit in Biogasanlagen Nächster Schritt: Einsatz weiterer Sensoren (z.b. NIRS) und Langzeittest in einer Biogasanlage Nächster Schritt: Formalisierung und Werkzeugunterstützung für den Smartification Process 15

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