Modellbasierte Optimierung von Biogasanlagen

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1 Modellbasierte Optimierung von Biogasanlagen Biernacki, P. a ; Steinigeweg, S. a ; Borchert, A. a ; Siefert, E. a ; Uhlenhut, F. a ; Stein, I. a ; Wichern, M. b a Hochschule Emden/Leer, EUTEC Institut, Constantiaplatz 4, Emden, piotr.biernacki@hs-emden-leer.de b Ruhr Universität Bochum, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik, Universitätstrasse 150, Bochum, marc.wichern@ruhruni-bochum.de

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Modellierung der Biomethanherstellung 3. Modellentwicklung und -validierung 4. Prozessanalyse 5. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Bereitstellungskette Biomethan 3

4 Umweltbelastung (normiert) Nachhaltigkeit Ökoeffizienz Soziale Dimension Quantifizierbar! Ökonomische Dimension Ökologische Dimension Ökoeffizienz 1.60 Ökonomische Dimension Ökologische Dimension Prozess 1 Investitionskosten Ressourcenverbrauch 1.00 Prozess 2 Betriebskosten Primärenergiebedarf Emissionen Risikopotenzial Toxizität (Öko- und Human-) 0.80 Prozess 3 Prozess Kosten (normiert) Landverbrauch 4

5 Ebenen des Prozessmodells Biogasproduktion Biogasreinigung Biologisches Teilmodell Physikochemisches Teilmodell Reaktormodell Gesamtmodell der Biogasanlage Modellierung des Phasen-GG Modellierung kalorischer Größen Verfahrenstechnisches Modell Gesamtmodell der Reinigung Material- und Energiebilanz des Gesamtprozesses 5

6 Entwicklung des Biogasmodells Biogas (CH 4, CO 2, H 2 ) Substrat Schlamm 6

7 Anaerobic Digestion Model No.1- ADM1 Arbeitsgruppe der International Water Association (IWA) Basierend auf dem Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) Inklusive Sieben Gruppen von Bakterien (Zerfall von Biomasse enthalten) 31 Prozesse mit 35 Stoffgruppen: 12 gelöste Substrate 13 partikuläre Substrate 10 andere Fraktionen Die Fraktionen werden in Kohlenhydrate, Proteine und Lipide eingeteilt Der Modellansatz basiert auf der Monod Kinetik (diese ist eine Annäherung an die Michaelis-Menten Kinetik) Einsatzmöglichkeiten z. B. in der Simulationssoftware SIMBA 7

8 Schema des anaeroben Prozesses im Original-ADM1 Substrate Desintegrationsgeschwindigkeit (kdis) Hydrolysegeschwindigkeit (khyd) für Kohlenhydrate, Proteine und Lipide Biogas 8

9 Biogasexperimente Ankom Automatisiert Hohe Datendichte Screening möglich Verwendung für Batch-Versuchsreihen BlueSens Automatisiert Hohe Datendichte Messung der Gaszusammensetzung Verwendung für Versuchsreihen im kontinuierlichen Reaktor 9

10 Entwicklung des Biogasmodells Biogas (CH 4, CO 2, H 2 ) Substrat Schlamm 10

11 Biogasmenge (m³) Kohlenhydrate Ergebnisse Kohlenhydrate Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Saccharose Berechnet (ADM1. mod.)- Saccharose Experiment - Saccharose Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Cellulose Berechnet (ADM1. mod.) - Cellulose Experiment - Cellulose Zeit (Tage) 11

12 Biogasmenge (m³) Proteine Ergebnisse Proteine Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Keratin Berechnet (ADM1. mod.)- Keratin Experiment - Keratin Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Gelatine Berechnet (ADM1. mod.) - Gelatine Experiment - Gelatine Zeit (Tage) 12

13 Biogasmenge (m³) Lipide Ergebnisse Lipide Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Rapsöl Berechnet (ADM1. mod.) - Rapsöl Experiment - Rapsöl Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Palmin Berechnet (ADM1. mod.)- Palmin Experiment - Palmin Zeit (Tage) 13

14 Biogasmenge (m³) Maissilage Ergebnisse Maissilage Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Maissilage Berechnet (ADM1. mod.) - Maissilage Experiment - Maissilage Zeit (Tage) 14

15 Biogasmenge (m³) Rindergülle Ergebnisse Gülle Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Gülle Berechnet (ADM1. mod.) - Gülle Experiment - Gülle Zeit (Tage) 15

16 Biogasmenge (m³) Abfälle Ergebnisse Abfälle Berechnet (ADM1. nicht mod.) - Abfälle Berechnet (ADM1. mod.) - Abfälle Experiment - Abfälle Zeit (Tage) 16

17 Entwicklung des Biogasmodells Biogas (CH 4, CO 2, H 2 ) Substrat Schlamm 17

18 Rindergülle und Abfälle Ergebnisse 18

19 Entwicklung des Biogasmodells Biogas (CH 4, CO 2, H 2 ) Substrat Schlamm 19

20 Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) 620 m 3 (Normalbetrieb 120 Tage) 1900 m m 3 30 m 3 2 x 3500 m m 3 Temperatur im Reaktor: 39 C Außentemperatur: 20 C 20

21 Biogasmenge (m³/tag) Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) vs Simulation Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) Berechnet (ADM1. mod.) 0 01/08/07 15/08/07 29/08/07 12/09/07 26/09/07 10/10/07 24/10/07 Datum 21

22 Biogasmenge (m³/tag) Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) Auswirkungen von Substraten Zusammensetzung auf Biogasproduktion % Gülle 20 % Abfälle 20% Gülle 80 % Abfälle 50% Gülle 50 % Abfälle 95% Gülle 5 % Abfälle Zeit [Tage] 22

23 Großtechnische Biogasanlage (Wittmund) Sensitivitätsanalyse: zusätzliche Dosierung (450 m³/d Fettschlamm) Anfang des Dosierung 23

24 Substratmischung und Energiebilanz Flüssigfermentation, einstufig, 1300 m³ Fermentervolumen Verwertung in einem BHKW (η el = 35 %, η th = 40 %) * Hydraulische Verweilzeit: 36 Tage Außentemperatur 20 C, Fermentertemperatur 38 C Diskontinuierliche Durchmischung (2 h/tag) *Aus Literatur 24

25 Substratmischung und Energiebilanz 10% Maissilage 90% Rindergülle 20% Maissilage 80% Rindergülle 30% Maissilage 70% Rindergülle 40% Maissilage 60% Rindergülle 50% Maissilage 50% Rindergülle Rindergülle [t/a] Maissilage [t/a] Wärme Input [MWh/a] Wärme Output [MWh/a] Strom Input [MWh/a] Strom Output [MWh/a] Biogas [m³/a] Heizwert Methan = 10 kwh/m 3 * Wärmebedarf Substraterwärmung Wärmeverlust Fermenter (Dach, Boden, Wände) Strombedarf Rührwerk Dosierpumpen (Eintrag + Austrag) Feststoffeinbringung *Aus Literatur 25

26 Zusammenfassung Rigorose Prozessmodellierung ermöglicht dynamische, computergestützte Prozessoptimierung. Etabliertes ADM1-Modell zur Beschreibung des biologischen Teilmodells geeignet Neuanpassung der Parameter erforderlich Aktualisiertes Modell auf Basis von Laborergebnissen ermöglicht quantitative Beschreibung großtechnischer Anlagen Modell ermöglicht Prozessanalyse und Prozessoptimierung Erweiterung um Biogasreinigung sowie Bewertung nach Kriterien der Ökoeffizienz im Rahmen des laufenden Projekts. 26

27 Danke EWE Biogas Wittmund ifu Hamburg Stadtwerke Emden DDBST GmbH ibis Umwelttechnik Linde AG Für Ihre Aufmerksamkeit 27