Technik, die Zeichen setzt

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Katharina Hartmann
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1 Technik, die Zeichen setzt Monitoring und Optimierung des Strömungszustandes im Biogasfermenter Mess- und regeltechnisches Konzept Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen März 2014 Leipzig Kay Rostalski, KSB AG Halle

regeltechnisches Konzept Fachtagung Prozessmesstechnik in

2 Ziel des Vortrags Versuch Beantwortung der Fragestellungen: 1. Was hat Monitoring mit Optimierung von Stofftransportprozessen in Biogasanlagen zu tun? 2. Was kann damit erreicht werden? Analyse des Ist-Zustands auf dem Weg zur Optimierung Präsentation möglicher Lösungsansätze Angebot zum fachlichen Austausch und zur Diskussion 3 Monitoring und Optimierung des Strömungszustandes im Biogasfermenter Mess- und regeltechnisches Konzept Agenda 1. Ziel des Vortrags 2. Aufgabenstellung 3. Grundlagen der Strömungserzeugung und Mischzustand 4. Prozesstomographie 5. Mögliches Regelkonzept 6. Erfassung des Systemzustands 7. Perspektiven zur Prozessoptimierung 8. Zusammenfassung 4

Analyse des Ist-Zustands auf dem Weg zur Optimierung Präsentation möglicher Lösungsansätze Angebot zum fachlichen Austausch und zur Diskussion 3 Monitoring und

3 Rühraufgaben in Biogasanlagen: Stoffaustausch und Transportprozesse haben signifikanten Einfluss auf die Stoffwandlung Hydrolyse und Versäuerung benötigen ausreichende Strömung mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 5cm/s positiv für Stofftransport und Austauschprozesse Förderung des Aufsteigens gebildeter Gasblasen 5 Rühraufgaben in Biogasanlagen: Erzeugung örtlicher Geschwindigkeitsänderung Aufbau einer globalen Beckengrundströmung: Abb.: Homogene Substratverteilung Strömungsbeschleunigung Realisierung einer stochastisch homogenen Substratverteilung Homogene Temperaturverteilung globaler Transport von Scherraten ( Fließzwang ) Abb.: Stochastisch homogene Substratverteilung 6

5cm/s positiv für Stofftransport und Austauschprozesse Förderung des Aufsteigens gebildeter Gasblasen 5 Rühraufgaben in Biogasanlagen: Erzeugung örtlicher

4 Grundlagen Propeller umhüllender Freistrahl in axialer Richtung mit einer bestimmten Kraft Kraft muss Druckverlust über den Fließweg ausgleichen Rührwerk kompensiert die Summe aller Widerstände bei einer bestimmten Geschwindigkeit durch Schubeintrag Widerstände sind z.b. Umlenkverluste, Einbauten, innere Reibung, Wandreibung etc. Ziel: örtliche Geschwindigkeit / Geschwindigkeitsänderung Abb.: Tauchmotorrührwerk KSB 7 Grundlagen Abb.: Förderstrahlausbildung in Wasser jedes Rührwerk erzeugt in Abhängigkeit von den hydraulischen Eigenschaften und den rheologischen Randbedingungen eine Kaverne je kleiner die Drehzahl, umso geringer sind die Austrittsgeschwindigkeit und der Schub Eindringtiefe = f(fließverhalten) limitiert Positionierung und Fließverhalten spielen wesentliche Rolle Abb.: Förderstrahlausbildung in Gärsubstrat 8

: Tauchmotorrührwerk KSB 7 Grundlagen Abb.

5 Grundlagen Quelle: P. Springer, KSB Frankenthal Limitation v=0,1m/s bei 2 x 35 Hz Eindringtiefe Lösung der Problematik durch Korrespondenzverfahren Interaktion mehrerer Propeller zu einer resultieren Beckengrundströmung Drehzahl ist proportionial zur Austrittsgeschwindigkeit Austrittsgeschwindigkeit ist proportional zur Eindringtiefe Überführung des lokalen Mischens in einen allgemeinen Beckenmischzustand Abb.: Korrespondenzverfahren 9 Grundlagen Quelle: P. Springer, KSB Frankenthal Limitation v=0,1m/s bei 2 x 35 Hz durch Scherrateneintrag wird Medium erst fließfähig hohe Scherraten induzieren geringe lokale Viskositäten = gute Fließeigenschaften Mischzone muss nicht den gesamten Reaktor umfassen Fazit: Bei strukturviskosen Medien gibt es ein vom Rührwerkstyp, der Position, der Rührwerksanzahl und Rührwerksdrehzahl abhängiges, optimales Mischvolumen. Limitation v=0,1m/s bei 2 x 50Hz Aufgabe: Bereitstellung einer lokalen Geschwindigkeit und Scherrate bzw. Mischvolumens 10

Drehzahl ist proportionial zur Austrittsgeschwindigkeit Austrittsgeschwindigkeit ist proportional zur Eindringtiefe Überführung des lokalen Mischens in einen allgemeinen Beckenmischzustand Abb.

6 Grundlagen grundsätzlich ändert sich das Fließverhalten über die 100 Änderung K(Pas m ) vs. Zeit Lebensdauer einer Biogasanlage signifikant auch bei K (Pas m ) ,08 38,6 25,85 24,99 86,64 37,41 =k ( m-1 ) 62,09 39,37 38,9 23,19 23,57 Fermenter Nachgärer gleichen Substraten Auslegung der Rührtechnik auf einen Betriebspunkt Verursacht ineffiziente und ineffektive Ergebnisse 20 16, April 08 Juni 08 Januar 09 Februar 09 Juni 09 November 09 Zeitstrahl Abb.: Veränderung des Fließverhaltens über die Zeit 11 Grundlagen / Fazit 1. Fall: Strömungsgeschwindigkeit zu gering: - Zerfall der globalen Beckengrundströmung - negative Auswirkungen auf Substrateffizienz (Schwimmdecken, Substrattransport, Partialdruck etc.) 2. Fall: Strömungsgeschwindigkeit zu hoch: - negative Auswirkungen auf Energieeffizienz - negative Auswirkungen hinsichtlich Verschleiß etc. Monitoring von Fließeigenschaften und Geschwindigkeit notwendig! 12

Substraten Auslegung der Rührtechnik auf einen Betriebspunkt Verursacht ineffiziente und ineffektive Ergebnisse 20 16,33 10 0 April 08 Juni 08 Januar 09 Februar 09 Juni 09 November 09 Zeitstrahl Abb.

7 Prozesstomographie Welche Möglichkeiten gibt es? 13 Prozesstomographie Quelle: A. Lomtscher, IKTS Dresden Entwicklung des Strömungsmodells Visualisierung und Quantifizierung von Mischprozessen ERT (electrical resistance tomography) Messungen auf Grundlage von Widerstandsänderungen Voraussetzung: Leitfähigkeitsunterschiede der zu mischenden Stoffe Berechnung der vertikalen Geschwindigkeitskomponenten und Mischgüten Quelle: A. Lomtscher, IKTS Dresden 14

ERT (electrical resistance tomography) Messungen auf Grundlage von Widerstandsänderungen Voraussetzung:

8 Prozesstomographie Aufbau eines räumlichen Potentialfeldes unterschiedlich starke Beeinflussung aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Mehrphasensystems Ermittlung der Leitfähigkeit für jedes Pixel in jeder Ebene Kreuzkorrelation zwischen zwei beliebigen Ebene durch: - Vergleich der Leitfähigkeit und - Messung der Zeit über den Weg zwischen zwei Ebenen der dispersen Phase Quelle: A. Lomtscher, IKTS Dresden 15 Prozesstomographie Quelle: A. Lomtscher, IKTS Dresden Versuch: Ermittlung der Propelleraustrittsgeschwindigkeit Vergleich Prozesstomographie und CFD Integrale Kenngröße = dimensionsloser Schub Validierung beider Methoden mit Schubmessung qualitative und quantitative Übereinstimmung beider Methoden in strukturviskosen partikelfreien Suspensionen Einfluss der Partikel durch Einfluss auf das Fließverhalten konnte nachgewiesen werden 16

Lomtscher, IKTS Dresden 15 Prozesstomographie Quelle: A.

9 Prozesstomographie sehr aufwendig und teuer für Rohrströmungen entwickelt und praxistauglich Erfahrungen nur für vertikale Geschwindigkeitsprofile keine Erfahrung für Anlagenmaßstab keine grundsätzliche Einsetzbarkeit in Biogasanlagen! Aber: Grundlage für Entwicklung eines Strömungsmodells 17 Rohrviskosimeter Annahmen: Fluidelemente bewegen sich auf parallelen Stromfäden Geschwindigkeitsprofil ist rotationssymmetrisch kein Gleiten an der Rohrwand Strömung ist stationär und ausgebildet Messprinzip : Rohr mit bekanntem Durchmesser statischer Druckverlust über einen Weg bei konstantem Volumenstrom Berechnung von Scherrate und korrespondierende Viskosität 18

Aber: Grundlage für Entwicklung eines Strömungsmodells 17 Rohrviskosimeter Annahmen: Fluidelemente bewegen sich auf parallelen Stromfäden Geschwindigkeitsprofil ist

10 Rohrviskosimeter Grundsätzlicher Aufbau: Messbereich: Rohrdurchmesser: 28, 43 und 68 mm Scherrate: s -1 Viskosität: 0,01 60 Pa s Temperaturbereich: C Quelle: M. Brehmer, TU Berlin Quelle: M. Brehmer, TU Berlin 19 Magnetisch induktive Strömungsmessung Messprinzip: Magnetisch induktives Strömungsmessgerät [Quelle: Marsh-McBirney, Inc.] Faradaysches Messprinzip elektrischer Leiter schneidet Feldlinien eines Magnetfeldes Folge: Spannungsinduktion Größe der Spannung ~ Geschwindigkeit des Leiters Zwangspunkte: eindimensionale Messung der Geschwindigkeit Sensor kann durch lange Fasern verzopfen nur lokale Messung an Öffnungen von Gärbehältern Ausrichtung des Sensors erforderlich Strömungsmessgerät Flo-Mate 2000 [Quelle: Marsh-McBirney, Inc.] 20

] Faradaysches Messprinzip elektrischer Leiter schneidet Feldlinien eines Magnetfeldes Folge: Spannungsinduktion Größe der Spannung ~ Geschwindigkeit des Leiters Zwangspunkte:

11 Magnetisch induktive Strömungsmessung 0,75 m Strömung smessun 90 g RW 2 (hoch) Nabenhöh e: 4 m RW 1 (tief) Nabenhöhe : 2 m repräsentative Auswahl diskreter Punkte im Behälter Messung im Saugbereich der Rührwerke über Zeitdauer von min s bei Querschnittsmessungen sind Quadraturverfahren deutlich genauer als symmetrische Messgitter (z.b. Gauß Lobatto) sinnvolle Ausrichtung des Messsensors notwendig ausreichende Messzeit zwischen s kontinuierliche Wiederholungsmessungen 21 Magnetisch induktive Strömungsmessung BGA Taufkirchen Strömungsgeschwindigkeit [cm/s] Füllstandshöhe [m] CFD - Simulation Messung 22

12 Vorstellung eines möglichen Regelkonzeptes Erarbeitung eines Algorithmus zur Berechnung des Strömungsprofils mittels Prozesstomographie Eingangsgrößen primär: Fließverhalten und mittlere Strömungsgeschwindigkeit Messung an verschieden diskreten Punkten Abgleich Messung vs. Rechnung Anpassung der Größen Ziel: Best - Punkt Steuerung auf Grundlage hydraulischer Parameter 23 Optimierungsansätze Globales Maximum der beteiligten relevanten Regelgrößen hinsichtlich der hydraulischen Stofftransportprozesse Zusammenführung aller Maxima im Stofftransportsystem Beispiele: Substratfütterung Rezirkulation Integrale Parameter sind Substrat- und Energieeffizienz intelligente Vernetzung zwischen hydraulischen Stofftransport und biologischen Parametern sinnvoll 24

Rechnung Anpassung der Größen Ziel: Best - Punkt Steuerung auf Grundlage hydraulischer Parameter 23 Optimierungsansätze Globales Maximum der beteiligten relevanten Regelgrößen hinsichtlich

13 Zusammenfassung Steuerung hydraulischer Transportprozesse steigern Effizienz von Biogasanlagen signifikant Erarbeitung der Grundlagen weitgehend abgeschlossen Grundsätzliche Funktion der Modelle erreicht Ziel: anlagenumfassendes Maximum Anpassung der Technologie zur online - Erfassung des Systemzustandes notwendig 25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vielen Dank an die Kooperationspartner und Fördermittelgeber! Kay Rostalski Tel.: Fax: Mob.: Kay.Rostalski@ksb.com 26

Technologie zur online - Erfassung des Systemzustandes notwendig 25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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