Neuentwicklung eines Heizsystems zum Betrieb einer Kleinst-Biogasanlage in Tanzania

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1 RWTH Aachen AVT.CVT Aachen Chemische Verfahrenstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling Neuentwicklung eines Heizsystems zum Betrieb einer Kleinst-Biogasanlage in Tanzania Studienarbeit von Leo Stephan Meyer-Schwickerath in Zusammenarbeit mit Jana Möllenkamp Berlin - Aachen, WS 2011/12

2 Studienarbeit von Herrn Leo Stephan Meyer-Schwickerath Neuentwicklung eines Heizsystems zum Betrieb einer Kleinst-Biogasanlage in Tansania Aufgabenstellung Im Rahmen des Projektes Biogas support for Tanzania (www.biogast.org) des Vereins Ingenieure ohne Grenzen e.v. sollen in Tansania Kleinst-Biogasanlagen zur Produktion von Biogas gebaut werden. Ziel des Projektes ist die Erhöhung des Lebensstandards von insbesondere Frauen und Kindern durch nachhaltige und langfristige Hilfe zur Selbsthilfe. Nach einem Kaltstart muss der Reaktor von einer Bodentemperatur von 22 C auf eine Prozesswärme von 35 C aufgeheizt und anschließend trotz Wärmeverlusten konstant gehalten werden. Um ausreichend Aktivierungs- und Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, wird ein externes Heizsystem verwendet. In der tansanischen Pilotanlage ist das Heizsystem nicht in der Lage ausreichend Wärme in den Fermenter einzubringen. Auf Grund von konstruktiven Mängeln und Problemen bei der Handhabung kam es in der Vergangenheit immer wieder zu Ausfällen. Zudem wurde das bestehende System nicht ausreichend kosten- und materialoptimiert. Infolgedessen soll ein neues Heizsystem entwickelt werden. Im Vordergrund stehen hierbei der Technologietransfer und die Akzeptanz der ländlichen Bevölkerung. Dies soll durch die Verwendung von lokal verfügbaren, kostengünstigen Materialien und Verarbeitungsverfahren, sowie einer robusten Aulegung und intuitiven Bedienung erreicht werden. Prof. Dr.-Ing. Professor Matthias Wessling Betreuer der Arbeit: Dipl.-Ing. Marco Scholz Tag der Abgabe:

3 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, Leo Meyer-Schwickerath, dass die vorliegende Arbeit von mir selbständig angefertigt wurde und dass ich keine Hilfsmittel benutzt habe, die dem Aufgabensteller nicht bekannt sind. Ich erkläre mich damit einverstanden, dass die vorliegende Arbeit in der Lehrstuhlbibliothek und Datenbank aufbewahrt wird und für den internen Gebrauch kopiert werden darf. Ort, Datum Unterschrift III

4 Danksagung Danksagung Ich möchte meinen dafür Eltern danken, dass sie mir den Freiraum und die volle Unterstützung gegeben haben, mir für die Arbeit überdurchschnittlich viel Zeit nehmen zu können. Sie standen mir moralisch und fachlich stets zur Seite. Meinem Betreuer Dipl. Ing. Marco Scholz möchte ich für seine Geduld und konstruktive Kritik danken, mit der er mich durch die Studienarbeit begleitet hat. Ich möchte insbesondere Jana Möllenkamp für eine produktive, freundschaftliche und motivierende Zusammenarbeit danken. Peter Tinnemann gilt mein Dank für das Korrekturlesen und die manchmal notwendige Ablenkung. Dem gesamten Projektteam möchte ich für die zahlreichen gemeinsamen Stunden während der Treffen in Köln und Berlin sowie der Telefonkonferenzen danken. Ohne die vielen Anmerkungen und Zuarbeit wäre eine wissenschaftliche Arbeit über ein gemeinnütziges Projekt diesen Ausmaßes nicht möglich gewesen. Danke auch an Ingenieure ohne Grenzen, die den Rahmen dieser Arbeit bereit stellten. Mein Dank gilt den mir bekannten und unbekannten Spendern, die die Arbeit dieses Projektes finanzieren/ten. Zu guter Letzt möchte ich den Menschen danken, die uns mit Informationen versorgt haben: TH. Culhane, Herr Rau vom Heizungsinstitut der TU Berlin, das Solarinstitut Jülich, Herr Kleinwächter von Sunvention, Michael Klaaß vom Aerodynamischen Institut der RWTH und viele mehr. V

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Einordnung Beteiligte Organisationen Ingenieure ohne Grenzen e.v MAVUNO Project Zielregion und Problematik Lösungsansatz Bisherige Projektschritte BiogasT Zielsetzung der Arbeit Technischer Hintergrund (J) Biogasanlagen Der Fermentationsprozess Heizsysteme Niedertemperatur-Solarkollektoren Aufbau von Flachkollektorabsorbern Solaranlagen zur Warmwasserbereitung Anlagenbeschreibung Aufbau Pilotanlage Funktionsweise Heizsystem Klimatische Gegebenheiten Gemittelter Tagesverlauf Durchschnittliche Globalstrahlung Perioden niedriger Strahlungsintensität Temperaturverteilung Methode Genereller Ablauf Entwicklungsschritte Anforderungsanalyse Zentrale Anforderungen Wärmeverlust der Anlage (J) VI

6 Inhaltsverzeichnis 7 Konzeption Abstrahieren Funktionsstruktur Funktionsstruktur Wasser Funktionsstruktur Luft Funktionsstruktur Feststoff Funktionsstruktur Licht Morphologischer Kasten Konzepte Konzept Wasser (J) Wasserheizsysteme Solarkollektoren Leistungsabschätzung Konzept Luft Konzeptbeschreibung Leistungabschätzung Alternative Luftkonzepte Konzept Feststoff Konzeptbeschreibung Leistungsabschätzung Konzept Licht Konzeptbeschreibung Leistungsabschätzung Alternative Lichtkonzepte Bewertung und Auswahl Bewertung Bewertungskriterien Einzelkritiken Kritik Wasser (J) Kritik Luft Kritik Feststoff Kritik Licht Auswahl Entwurf (J) Hubkolbenpumpe Wärmeübertrager im Fermenter Fazit 88 Anhang 90 A Food Security Atlas Of Kagera Region 91 VII

7 Inhaltsverzeichnis B Klimadatenauswertung 93 C Anforderungsliste 98 D Materialien und Fertigungsverfahren 101 E Funktionsstrukturen 105 F Morphologischer Kasten 111 G Bewertung 116 H Anhang Jana Möllenkamp 120 I Formelzeichen 136 Literaturverzeichnis 144 VIII

8 1 Einleitung Im Jahr 2000 wurden die Millennium-Entwicklungsziele der Vereinten Nationen formuliert. Sie umfassen unter Anderem die Felder Bekämpfung von extremer Armut und Hunger, Gleichstellung der Geschlechter, Ökologische Nachhaltigkeit und Aufbau einer globalen Partnerschaft für Entwicklung [1]. Diese Arbeit soll einen Beitrag zum Erfüllen der Ziele leisten. 93% des Gesamtenergiebedarfs Tansanias wird durch Holz und Holzkohle gedeckt. Die intensive Holznutzung hat negative Folgen wie Entwaldung, Bodenerosion, Atemwegserkrankungen und Zeitarmut. Infrastrukturelle Probleme senken die Verfügbarkeit alternativer Energieträger. Abhilfe schafft der Umstieg auf Biogas. Es lässt sich dezentral, vor Ort und aus vorhandenen Ernterückständen produzieren. Vorteilhaft ist zudem der Gewinn hochwertigen Düngers und die saubere Verbrennung des Gases während des Kochvorgangs. Um eine flächendeckende Verbreitung von Biogasanlagen herbei zu führen, wurde ein kosten-, material- und prozessoptimierter Kleinstanlagentyp entwickelt. Die neue Anlage wird auf Pflanzensubstratbasis betrieben, weshalb eine Heizung notwendig ist. Beim Betrieb der ersten Pilotanlage zeigten sich bei hohen Fixkosten (auf Grund importierter Technologie) Mängel des Heizsystems. Durch Anwenden eines Konstruktionsschmas wurden neue Heizsystemkonzepte entwickelt, die vorher formulierten zentralen Anforderungen entsprechen. Das Heizsystem soll robust, langlebig, unter lokalen Bedingungen fertigbar, günstig und dezentral/regenerativ betreibbar sein. Die Konzepte wurden einer Leistungsabschätzung unterzogen und nach ihren Anforderungen bewertet. Allen Konzepten ist die Verwendung solarer Einstrahlung zur Generierung der Wärme gemeinsam. Es wurden luft-, feststoff-, licht- und verschiedene wasserbasierte Konzepte entwickelt. Die Wassersysteme unterteilen sich in Naturumlauf-, Photovoltaik- und diskontinuierlich-manuell- betriebene. Das Luftkonzept stellte sich als zu platzintensiv, das Feststoff- und Lichtkonzept als zu unsicher bezüglich der Wärmeübertragung heraus. Die Naturumlaufkonzepte wurden wegen ihrer Standortgebundenheit bzw. des Zweifels an der ausreichenden Wärmebereitstellung aussortiert. Das Photovoltaik-basierte System wurde wegen der Verwendung importierter Teile und hoher Kosten eliminiert. Für den Bau wurde das diskontinuierliche wasserbasierte Heizsystem mit manueller Umwälzung ausgewählt, da es sich als eine Mischung aus erfahrener und robuster Technik auszeichnet. Etwa 100 Liter Wasser werden in einem Batch-Heater erhitzt und einmal täglich in ein unter dem Fermenter liegendes Rohrsystem geleitet. Mittels einer Handpumpe oder 20 l Kanistern werden die verdrängten kalten 100 Liter vom Auffangbeählter in den höher liegenden Batch-Heater transportiert, in dem es erneut erhitzt wird. Dem Schwachpunkt der schlechten Handhabung wird durch Nutzerschulung in Tansania entgegen gewirkt. Um einen Überblick über die Problematik, deren Lösungsansatz, die Zielregion, die bisherigen Projektschritte und die Akteure dieses Projekts zu erhalten, wird in Kapitel 2 der allgemeine Hintergrund dargelegt. Kaptiel 3 führt in den Stand der Technik von Biogasanlagen, Heizsystemen und Sonnenkollektoren ein. Ausserdem wird die Funktionsweise und das Problem der ersten in Tansania gebauten 1

9 1 Einleitung Pilotanlanlage erklärt. Als Basis für spätere Berechnungen dienen die in Kapitel 4 detalliert ausgewerteten Klimadaten Tansanias. Die Konstruktionsmethodik nach Pahl/Beitz wird in Kapitel 5 kurz erläutert. Die folgenden Kapitel leiten sich aus dieser Methodik ab. Es wird eine Anforderungsanalyse (Kapitel 6), die Konzeption (Kapitel 7) mit daraus resultierenden Konzepten (Kapitel 8) abschließender Bewertung (Kapitel 9) und ein ausgewählter Entwurf (Kapitel 10) beschrieben. Kapitel 11 stellt zusammenfassend die Fragestellung und deren Diskussion dar. Abgeschlossen wird die Arbeit durch einen Ausblick. Da es sich um eine Gemeinschaftsarbeit handelt, wurden von Jana Möllenkamp erstellte Kapitel in der Überschrift durch (J) gekennzeichnet. Alle untergeodneten Kapitel sind in diesem Fall von Jana Möllenkamp erstellt. Leser, die an der Durchführung einer Konzeption oder Weiterentwicklung des Heizsystems interessiert sind, sollten Kapitel 5, 6, 7 und 8 ausführlich lesen. Für Leser, die an der generellen Problematik und deren konkretem Lösungsansatz interssiert sind, sind die Einleitungskapitel (2-3), der Entwuf (Kapitel 10) und das Fazit (Kapitel 11) ausreichend. 2

10 2 Einordnung In diesem Kapitel wird ein Überblick über das Projekt BiogasT gegeben. Dabei werden die beteiligten Organisationen, das Zielland und die Problematik vorgestellt. Zudem wird ein Einblick in die bisherigen Vorgänge des Projekts BiogasT gegeben. 2.1 Beteiligte Organisationen Ingenieure ohne Grenzen e.v. Ingenieure ohne Grenzen e.v. (IngoG) ist ein 2003 in Marburg gegründeter gemmeinnütziger Verein mit deutschlandweit über 1300 ehrenamtlichen Mitgliedern (Stand 2011, [2]). Die Mitglieder setzen sich aus berufstätigen Ingenieuren, nicht-ingenieuren und zahlreichen Studenten verschiedenster Fachgebiete zusammen. Der Verein gliedert sich in 25 Regionalgruppen und 5 Kompetenzgruppen, die an eigenständig ausgewählten Projekten arbeiten. Das Projekt BiogasT wurde von der Regionalgruppe Berlin ins Leben gerufen. Der folgende Auszug aus der Vereinssatzung beschreibt das Selbstverständnis und Tätigkeitsfeld von IngoG: Ziel des Vereins ist die Hilfe für notleidende Menschen und Tiere. Der Satzungszweck wird verwirklicht durch (...) Projekte in der Enwicklungshilfe und Entwicklungszusammenarbeit, insbesondere im Rahmen ingenieurtechnischer Hilfeleistung und Ausbildung [3]. Neben der Planung und Umsetzung entwicklungsrelevanter Technologien sowie der Schulung und Beratung im Bereich des Ingenieurswesens, engagiert sich IngoG in der Erforschung neuer Technologien. Die technischen Kernkompetenzen decken folgende Felder ab: Wasseraufbereitung, Wasserverteilung, Wasserspeicherung regenerative Energieversorgung Infrastrukturprojekte (Brückenbau) Das Einbeziehen von Partnern vor Ort und der größtmögliche Technolgietransfer, zudem die Auseinandersetzung mit kulturellen und sozialen Themen stehen bei der Umsetzung der Projekte im Vordergrund. Zunehmend engagiert sich der Verein zudem in der Aufklärungs- und Bildungsarbeit über entwicklungrelevante Themen in Deutschland. Der Verein finanziert sich über Spenden und Mitgliederbeiträge. IngoG ist Teil des internationalen Netzwerkes Engineers Without Borders International in dem nationale Vereine mit ähnlicher Mission aus Ländern der ganzen Welt organisiert sind [4]. 3

11 2 Einordnung MAVUNO Project Mavuno ist eine 1993 von 34 Bauerngruppen in Kagera, Nord-West Tansania gegründete gemeinnützige Nichtregierungsorganisation. Ihr Hauptziel ist die Verbesserung der Lebensqualität in den ländlichen Regionen Kageras. Dabei verfolgt sie ein von-unten-nach-oben-prinzip, das die Einbeziehung der Dorfgemeinschaften bei der Projektrealisierung vorsieht. Neben der aktiven Unterstützungsarbeit der ländlichen Bevölkerung mittels Workshops und Projekten will Mavuno mit Hilfe eines Bildungszentrums eine der gundlegenden Ursachen der Misstände angehen. Zielgruppen der Organisation sind Frauen, Kinder und in Subsistenzwirtschaft lebende Farmerfamilien [5]. Mavuno arbeitet seit längerer Zeit im Bereich des Zisternenbaus mit der Regionalgruppe Berlin zusammen. Zudem besteht eine Kooperation im Zuge des Casa-Projekts der Regionalgruppe Berlin. 2.2 Zielregion und Problematik Kagera Abbildung 2.1: Links: Übersichtskarte Afrikas mit Tansania [6], Rechts: Politische Karte Tansanias mit Markierung von Kagera [7] Tansania liegt in Ostafrika zwischen Viktoria- Tanganjika- und Malawi-See, sowie dem Indischen Ozean, 1-11 Grad südlicher Breite (Äquatornah, siehe Abb. 2.1). Auf einer etwa zweieinhalbmal so großen Fläche wie Deutschland leben ca. 45 Millionen Menschen, mit einer Alphabetisierungsrate von etwa 69% [8]. Mit einem geschätzten Pro-Kopf-Einkommen von US$400 zählt Tansania zu den ärmsten Ländern der Welt ([9], Stand 2009). 74% der Beschäftigten sind dem landwirtschaftlichen Sektor zuzuordnen [9]. 4

12 2 Einordnung Die Zielregion Kagera liegt im hügeligen Nord-Westen des Landes. Es herrscht wechselfeuchtes Abbildung 2.2: Klimadaten aus Bukoba, Kagera, Tansania mit Preciptation = Niederschlag, High = Tagesmaximaltemperatur, Low = Tagesminimaltemperatur [10] tropisches Klima, das durch eine durchschnittliche Tagesmaximaltemperatur von etwa 26 C und Tagesminimaltemperatur von etwa 16 C gekennzeichnet ist (frostfrei, siehe Abb. 2.2). Jährlich kommt es gegen April und Dezember zu zwei Regenzeiten, in denen große Wassermengen niederschlagen. In den Monaten zwischen den Regenzeiten (Juni bis September) stellt sich eine viermonatige Dürreperiode ein [10]. Kapitel 4 behandelt die klimatischen Gegebenheiten im Detail. Die Bevölkerung besteht zu einem großen Teil aus in Subsistenzwirtschaft lebenden Bauern, die an keine Strom-/Gas-/ oder Wasserversorgung angeschlossen sind. Die im Schnitt fünf- bis sechsköpfigen Familien bewohnen verstreute und isolierte Lehmhütten auf durchschnittlich 1,2 Hektar Land. Transportwege sind häufig schlecht ausgebaut [11]. Es werden hauptsächlich Bananen, aber auch Bohnen, Mais, Reis oder Süßkartoffeln angebaut (siehe A). Die meist geringen Zusatzeinnahmen durch Verkauf landwirtschaftlicher Güter reichen nur für die nötigsten Investitionen. 37.6% der ländlichen Haushalte leben unter der Armutsgrenze zur Erfüllung der Grundbedürfnisse [9]. Laut Tansanaischer Regierung werden 93% des Gesamtenergiebedarf des Landes durch Holz und Holzkohle aus Wäldern und Plantagen gedeckt [12]. Alternativen wie Öl, Kohle oder Gas sind in Kagera nicht finanzierbar. Zudem ist deren Beschaffung auf Grund der unzureichenden Infrastruktur nur schwierig möglich. Die intensive Holznutzung bringt ökologische, gesundheitliche und soziale Folgen mit sich: Ökologische Folgen: Durch die Entwaldung wird eine gefährliche Kausalkette von Bodenerosion, verminderter Wasserhaltefähigkeit des Bodens und Sinken der Bodenqualität durch Abschwemmen der Nährstoffe in Gang gesetzt. Gesundheitliche Folgen: Da häufig auf offenen Feuern mit giftiger Rauchentwicklung gekocht wird, kommt es zu Atemwegserkrankungen und Brandverletzungen. 5

13 2 Einordnung Soziale Folgen: Meist sind Kinder und Frauen für die zeitintensive Holzbeschaffung zuständig. Daher bleibt Kindern häufig eine schulische Ausbildung verwehrt. 2.3 Lösungsansatz Biogas aus Kleinstbiogasanlagen auf Basis vorhandener Ernterückstände ist auf Grund mehrerer Aspekte eine ideale Alternative zu Holz: Verwenden von lokalen Ernterückständen der Bauern: dezentrale Versorgung möglich/ Wegfallen langer Beschaffungszeiten Verwenden von vorhandenen Substraten: Nachhaltigkeit ist gegeben, Abholzung und Anbau von Energiepflanzen nichtig Abfallprodukt der Biogasanlage ist hochwertiger Dünger: Aufbessern der Böden Verbrennung von Biogas ist sauberer, als die von Holz: Eindämmen der gesundheitlichen Schäden Die Implementierung von Kleinstbiogasanlagen wurde schon in den 90er Jahren versucht. Sie scheiterte jedoch, da die Anlagen nicht an die lokalen Gegebenheiten angepasst waren. Heute ist nur noch etwa jede zehnte Anlage in Betrieb. Die Verwendung von Tierdung als Substrat führte in wasserarmen Zeiten zum Zusammenbruch der Biogasproduktion. Die Biogasanlagen waren für die Nutzer zu teuer und nicht an lokal verfügbare Materialien angepasst [11]. Um Biogas nachhaltig Nutzbar zu machen, wurde der Lösungsansatz des Projekts BiogasT nach den Kriterien kulturelle, wirtschafliche, klimatische und technologische Anpassung der Technologie entworfen. Im Detail bedeutet das: Verständliche und einfache Bedienung und Wartung Robuste Auslegung Auf Gasbedarf eines Durchschnittshaushaltes angepasste Anlagengröße Verwenden lokal verfügbarer Materialien, dadurch Kosteneinsparungen und Stärkung nationaler wirtschaftlicher Strukturen Verwenden dezentral verfügbarer pflanzlicher Substrate, dadurch weitesgehend wasserloser Betrieb Die Kriterien zur technischen Anpassung werden durch Schulungskonzepte zum Wissenstransfer und Ausbildung von Fachkräften ergänzt. 2.4 Bisherige Projektschritte BiogasT Das Projekt entstand durch eine Anfrage der Partnerorganisation Mavuno im Jahr In einer ersten Phase wurde eine Machbarkeitsstudie ([11]) durchgeführt. Im Zuge einer zweimonatigen Erkundungsreise wurde ein Labor zur Substratanalyse aufgebaut. Zudem wurden bestehende Anlagen 6

14 2 Einordnung besichtigt und die Ursache für das Versagen der Technologie eroiert. Es zeigte sich, dass die verwendeten Anlagen nicht an die Zielregion angepasst waren. Auf Tierdung basierend, benötigen sie viel des in Trockenzeiten knappen Wassers. In der zweiten Phase wurde in Deutschland ein neuer Biogastyp entwickelt und getestet. Mehrere Studien- und Projektarbeiten von Studenten der technischen Universität Berlin und der Universität Hohenheim mündeten im Bau zweier Pilotanlagen. Deren Funktionsweise wurde durch Simulation der tansanaischen Bedingungen in Gewächshäusern verifiziert. Anschließend errichtete Ingenieure ohne Grenzen in Zusammenarbeit mit Mavuno eine Bildungsund Forschungsanlage auf dem Gelände des Schulungsgebäudes der Partnerorganisation in Tansania(Phase III, 2010). Es wurde Wert auf den Transfer von Wissen in den Bereichen Grundlagen der Biogasnutzung, Anlagenbau, Anlagenbetrieb, Gasnutzung sowie Wartung/Instandhaltung gelegt. Die Anlage lieferte Erkenntnisse über den Realbetrieb in Tansania. Phase IV im Frühjahre 2011 diente der Evaluation und Optimierung, um den Bau weiterer Anlagen vorzubereiten. Die im Herbst 2011 begonnene Phase V zielt auf die Verbreitung der Technologie ab. Folgende Ziele werden dabei verfolgt: Konstruktive Weiterentwicklung der Anlage, Optimierung des Heizsystems, Weiterbildung bestehender Bauteams, Ausbildung einer Fachkraft für Biogaslabor und Anlagenbetrieb bei Mavuno und die Schulung von Nutzergruppen. 2.5 Zielsetzung der Arbeit In Phase IV zeigten sich Mängel des bestehenden Heizsystems. Zum Einen wurden importierte Bauteile wie das Photovoltaikmodul verwendet, zum Anderen stellte sich die Technik als nicht ausreichend robust heraus. Zudem zeigten sich Mängel beim Betrieb des Heizsystems. Die vorliegende Studienarbeit befasst sich im Zuge von Phase V mit der Konzeption eines neuartigen Heizsystems für die nächste Generation der Biogasanlagen. Das Hauptaugenmerkt liegt nach den in Kapitel 2.3 dargelegten Kriterien auf der Anpassung der Biogastechnologie auf einer robusten, kostengünstigen, einfach bedienbaren Auslegung. 7

15 3 Technischer Hintergrund (J) 3.1 Biogasanlagen Die Entstehung von Methan beim anaeroben Abbau organischer Substanzen wurde zum ersten Mal von dem italienischen Physiker Allessandro Volta im Jahre 1776 entdeckt. Die erstmalige Verwendung von Biogas ist auf das Jahr 1895 datiert. Es stammte aus einem Abwassertank in England und diente als Energiequelle für den Betrieb von Lampen und Heizanlagen.[13] Die flächendeckende Verbreitung der Biogastechnik begann Mitte der 20er Jahre. Hier wurde das energetische Potenzial des bei der Vergärung von Klärschlamm anfallenden Biogases, das zum größten Teil aus Methan besteht, erkannt (siehe Kapitel 3.1.1). Einige Klärwerke begannen daraufhin das Gas in das örtliche Gasnetz einzuspeisen. In den 30er Jahren wurde daraufhin an den ersten Anlagen auf Basis von Tierdung geforscht, die für die Gasproduktion ausgelegt waren.[14] Die Entwicklung der Biogastechnik kam seitdem immer wieder ins Stocken, da niedrige Ölpreise eine kommerzielle Nutzung der Technik überflüssig machten. Mit dem Beginn der steigenden Öl- und Gaspreise Ende des letzten Jahrhunderts, sowie dem steigenden Interesse an nachhaltiger Energieerzeugung wurde die Technik stetig weiterentwickelt. Heutzutage werden als Substrat, neben den Abfällen aus der Landwirtschaft, auch speziell für die Biogasproduktion angebaute Pflanzen, darunter hauptsächlich Energiemais, verwendet.[15] In Industrieländern kommen zumeist Großanlagen zum Einsatz, während eine flächendeckende Verbreitung von Kleinstbiogasanlagen in Entwicklungsländern eine dezentrale Energieversorgung vorantreiben soll. Im Folgenden wird die Fermentation mit Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf den Prozess erläutert, sowie Heizsysteme gängiger Biogasanlagen vorgestellt Der Fermentationsprozess Die Fermentation in Biogasanlagen ist ein anaerober Abbauprozess von organischen Substanzen. Unter Abschluss von Sauerstoff finden verschiedene Umwandlungsprozesse statt, die durch unterschiedliche Bakterienstämme hervorgerufen werden. Biogas stellt das Stoffwechselprodukt der methanbildenden Bakterien dar. Die Zusammensetzung des Biogases variiert je nach Substratzusammensetzung, Fermentertyp und Betriebsweise. Im Durchschnitt besteht es zu ca. zwei Dritteln aus Methan (CH 4 ) und einem Drittel aus Kohlenstoffdioxid (CO 2 ). Zudem können Spuren von Schwefelwasserstoff (SO 2 ), Stickstoff (N 2 ), Sauerstoff (O 2 )und Wasserdampf (H 2 O) im Gas enthalten sein.[16] Der Abbauprozess lässt sich in vier Teilschritte unterteilen 8

16 3 Technischer Hintergrund (J) In der Hydrolyse werden hochmolekulare, langkettige Polymere (z.b. Kohlenhydrate, Proteine, Fette) in niedermolekulare Verbindungen aufgespalten. Dies geschieht durch extrazelluläre Enzyme, die von anaeroben Bakterien (z.b. Bacillus, Pseudomonas) ausgeschieden werden. Die Produkte der Hydrolyse sind zum Beispiel kurzkettige Peptide, Aminosäuren und Glyzerin. Bei der Vergärung von Biomasse ist üblicherweise die Hydrolyse der geschwindigkeitsbestimmende Prozessschritt.[17, S.655] In der nachfolgenden Acidogenese werden die Produkte aus der Hydrolyse von anaeroben Bakterienarten (z.b. Lactobacillus, Eubakterium) in organische Säuren und Alkohole umgewandelt. Zudem entstehen bereits Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, die die Ausgangsstoffe für die Methanbildung darstellen.[18] Säurebildende Bakterien wandeln in der nächsten Phase, der Acetogenese, die niedermolekularen Säuren und Alkohole aus der Acidogenese in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid um.[16] In der letzten Phase, der Methanogenese, findet schließlich mit Hilfe von aceto- bzw. hydrogenotrophen Methanbakterien die Umwandlung von Essigsäuren bzw. Wassersoff und Kohlenstofffdioxid zu Methan statt.[17] Der anaerobe Abbauprozess ist relativ komplex und von vielen Faktoren abhängig. Mehrere Variablen, wie zum Beispiel der ph-wert und die Zusammensetzung des Substrates, sowie die Gärtemperatur und der Anteil an Hemmstoffen beeinflussen die Aktivität und das Wachstum der Bakterien. An dieser Stelle soll hinsichtlich der Auslegung des Heizsystems nur auf den Einfluss der Temperatur eingegangen werden. Für weitere Informationen bezüglich prozessbestimmender Parametern siehe [19]. Einfluss der Temperatur Die Temperatur hat auf die Geschwindigkeit und den Umsatzgrad biochemischer Reaktionen einen großen Einfluss. Zwar steigt im anaeroben Abbauprozess mit zunehmender Temperatur die Stoffwechselfähigkeit der Mikroorganismen und folglich die Produktion, gleichzeitig werden aber auch die mikrobiologischen Strukturen der Organismen verändert, was die Produktion hemmt. Zu hohe Temperaturen können sogar zu einer vollständigen Zerstörung der Bakterien führen. Jeder Bakterienstamm erreicht bei einer bestimmten Temperatur seine maximale Produktionsrate (siehe Abbildungen 3.1 und 3.2). In der Anwendung haben sich hinsichtlich der Bakterienaktivität und Wachstumsbedingungen drei charakteristische Temperaturbereiche herausgestellt. Der psychrophile Temperaturbereich liegt zwischen 0 C und 20 C, der mesophile zwischen 20 C und 40 C und der thermophile zwischen 40 C und 70 C.[16] Die Einteilung kann je nach verwendeter Literatur leicht variieren. Allgemein kann festgehalten werden, dass die maximal mögliche Produktionsrate der Bakterien meist im thermophilen Bereich erreicht werden kann (vergleiche Abbildung 3.1 und 3.2). Allerdings ist häufig die Temperaturspanne der maximalen Produktionsrate im mesophilen Bereich größer als im thermophilen. Infolgedessen sorgt eine kleine Temperaturveränderung von 1 C im thermophilen Bereich schon für eine starke Leistungseinbuße. Erst nach einer gewissen Regenerierungsphase, in der sich die Bakterien an die neue Temperatur gewöhnen, erlangen sie ihre ursprüngliche Produktivität zurück. Die im mesophilen Bereich arbeitenden Mirkoorganismen reagieren nicht so sensitiv auf 9

17 3 Technischer Hintergrund (J) Abbildung 3.1: Maximale relative Umsatzrate der Methanbakterienstämme [16, Abb. 3-2., S.51] Abbildung 3.2: Maximale relative Versäuerungsrate der Säurebakterien bei Glucose[16, Abb.3-1., S. 50] Temperaturschwankungen. Temperaturdifferenzen von 3 C können ohne große Einbußen in der Gasproduktion toleriert werden. [20] Heizsysteme Anaerobe Prozesse sind im Gegensatz zu Aerobprozessen gering biogen-exotherm, sodass eine externe Heizung zum Erreichen der optimalen Temperatur für mesophile Bakterien notwendig ist. [21] In Industrieländern wird für die Heizsysteme der Biogasanlagen üblicherweise die Abwärme aus den Blockheizkraftwerken genutzt, die bei der Verbrennung des Biogases entsteht. Die Temperaturen des Heizwassers erreichen damit in etwa 85 C bid 95 C und sind für die Heizsysteme der Biogasanlagen ausreichend. Um die Verluste über die Reaktoraußenwände auszugleichen, werden bei Stahlfermentern häufig innen oder außen aufgeschweißte Heizschlangen verwendet. Bei Betonreaktoren werden die Heizrohre meist in den Beton eingegossen. [16, S.591 ff.]. Wenn das Substrat pumpfähig ist, kann es auch über externe Wärmetauscher, zum Beispiel in Form eines Doppelrohroder Spiralwärmeübetragers, im Substratzulauf erwärmt werden (siehe Abbildung 3.3). [16, S.591 ff.] Bei der Auslegung von Heizsystemen ist zu beachten, dass organische Substrate auf Wärmeübertragerflächen schnell verkrusten. Diese sogenannte Foulingschicht muss in gewissen Abständen enfernt werden, da dadurch der Wärmeübertragungskoeffizient auf 50% des theoretischen Wertes reduziert werden kann.[16, S.591 ff.] 3.2 Niedertemperatur-Solarkollektoren Ein Solarkollektor wandelt Sonnenstrahlung in thermische Energie um, die an ein Wärmeträgermedium weiterleitet wird. Je nach Austrittstemperatur des Fluids wird unterschieden zwischen Nieder-, 10

18 3 Technischer Hintergrund (J) Abbildung 3.3: Wärmeübertrager in Biogasanlagen[16, Abb ] Mittel- und Hochtemperaturkollektoren. Des Weiteren können die Kollektoren in konzentrierende und nichtkonzentrierende Systeme unterteilt werden. Außerdem unterscheiden sie sich hinsichtlich des verwendeten Wärmeträgermediums. Es wird entweder eine Flüssigkeit oder Luft eingesetzt. Die Wärmebereitstellung von Niedertemperatur-Solarkollektoren ist für die Verwendung von Heizsystemen in Biogasanlagen ausreichend. Außerdem ist das Angebot an technischen Bauteilen für die Auslegung eines Hochleistungskollektor in Entwicklungsländern nicht gegeben. Aus diesem Grund kann an dieser Stelle nur ein Einblick in die Technologie der gängigen Niedertemperaturkollektoren gegeben werden. Niedertemperaturkollektoren arbeiten bei Betriebstemperaturen unter 100 C. Sie wandeln sowohl direkte als auch diffuse Strahlung in Wärmeenergie um und sind meist in einer festen Position zur Sonne geneigt. Im Niedertemperaturbereich werden hauptsächlich nichtkonzentrierende Systeme verwendet (Ausnahme bildet zum Beispiel der Solarkocher). Es wird zwischen Flachkollektoren, Energieabsorbern, evakuierten Kollektoren und Speicherkollektoren unterschieden. Flachkollektoren bestehen aus einem Absorber, einem Kollektorgehäuse und einer transparenten Abdeckung (siehe Abbildung 3.4). Der Absorber kann von dem Wärmeträgermedium auf verschiedene Art und Weise durchströmt werden (siehe Kapitel3.2.1). In den meisten Fällen ist zwischen Absorber und Kollektorrahmen eine Wärmedämmung eingebaut. Es kommen mehrere Einsatzgebiete für Flachkollektoren in Frage. Häufig finden sie Gebrauch für Schwimmbad- oder Brauchwasserheizungen. Andere Anwendungsgebiete sind Trocknungsanlagen oder Prozesswärme für Wasserentsalzungsanlagen.[22] Mit einer einfachen Abdeckungen können Betriebstemperaturen zwischen 30 C und 60 C erreicht werden. Eine zusätzliche Abdeckung oder transparente Wärmedämmung erhöht die Temperaturen auf bis zu 85 C.[23, S.3] Ein Energieabsorber stellt die einfachste Form eines Solarkollektors dar. Er besteht ausschließlich aus einem flachen Absorber, der weder wärmegedämmt noch mit einem transparenten Material abgedeckt ist. In Deutschland werden häufig einfache Energieabsorber aus Kunstoff für die Erwärmung von Schwimmbadwasser genutzt. [22, S.67ff] Ein Speicherkollektor ist eine Abart des Flachkollektors. Ein Wärmespeicher, üblicherweise mit einem Volumen zwischen 80 und 160l, wird über seine meist selektiv beschichtete Außenwand tagsüber erhitzt und überträgt die Wärme an das in ihm gespeicherte Fluid. Nach 11

19 3 Technischer Hintergrund (J) einigen Stunden der Bestrahlung kann das heiße Fluid entnommen werden. Das Gehäuse ist wärmegedämmt und der Speicher mit einer transparenten Platte abgedeckt.[22, S.67ff] Evakuierte Kollektoren werden hauptsächlich für Anwendungen mit hohen Fluidtemperaturen oder im Hocheffizienzbereich eingesetzt. Da sie augrund ihrer Technik für den Low-Tech Bereich ungeeignet sind, wird an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen. [22, S.67ff] Im folgenden Kapitel wird beschrieben, wie eine Solarkollektor in Systemen zur Warmwasserbereitung eingesetzt wird. Abbildung 3.4: Aufbau eines einfachen Flachkollektors [22, Abb ] Aufbau von Flachkollektorabsorbern Der Hauptbestandteil eines Flachkollektors ist der Absorber. Der Absorber stellt meist eine Kombination aus Absorberplatten und Rohren oder Kanälen dar. Er ist für die Absorption der Solarstrahlung zuständig und überträgt die Wärmeenergie an das durch die Kanäle strömende Wärmeträgermedium. Das Material sollte möglichst gut absorbieren und leiten. Meist wird schwarzer Kunstoff oder geschwärztes Metall verwendet. Eine transparente Abdeckung aus Glas oder Kunststoff reduziert die Strahlungs- und Konvektionsverluste des Absorbers. Im Gehäuse muss eine Wärmedämmung aus Kunstoff oder Naturmaterial verwendet werden, um die Wärmeleitungsverluste auf der Rückseite und an den Seitenrändern des Kollektors zu minimieren. Als Wärmeträgermedium für die Warmwasserbereitung in Deutschland kommt frostsicheres Ethylen- oder Propylenglykol-Wassergemisch zum Einsatz. In warmen Regionen ohne Frost wird meist reines Wasser verwendet. [22, S. 70 ff] Es existieren mehrere Möglichkeiten den Absorber zu gestalten. In Abbildung 3.5 sind einige Möglichkeiten aufgeführt 1. Zwei Bleche übereinander punktgeschweißt längsgeschweißt ohne Führung Das Verschweißen der beiden Bleche an einigen Stellen bietet sich an, um eine Kurzschlussstömung zu vermeiden. 12

20 3 Technischer Hintergrund (J) 2. Rollbondabsorber: Zwei Wellbleche übereinander 3. Kombination aus Well- und Flachblech 4. (Well-)Blech mit eingepressten Rohre 5. Rohre an Blech geschweißt (von unten oder oben) 6. Angeschweißte Blechplatten zwischen den Rohre Abbildung 3.5: Absorberarten Die Rohre bzw. -platten bestehen meistens aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder hitzeresistentem Kunststoff. Kupfer hat die besten Wärmeleitungseigenschaften, ist aber relativ teuer. Stahl ist im Vergleich zu Kupfer günstiger, besitzt aber eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit und ist zudem sehr korrosionsanfällig. Handelsüblicher Kunststoff ohne besondere Additive repräsentiert von den genannten Materialien den schlechteste Wärmeleiter und hat zudem die Eigenschaft bei Temperaturschwankungen in Verbindung mit Feuchtigkeit schnell zu verspröden Solaranlagen zur Warmwasserbereitung Bei der Warmwasserbereitung mit Solaranlagen wird grundsätzlich zwischen offenen und geschlossenen Systemen unterschieden. In geschlossenen Systemen wird die Wärme aus dem Solarkreislauf mit Hilfe eines Wärmeübertragers an den Verbraucherkreislauf übertragen. Ein Ausdehungsgefäß im Solarkreislauf kann den Druck bei volumetrischen Veränderungen des Fluids aufgrund von Temperaturschwankungen regeln. Aus Sicherheitsgründen wird zusätzlich ein Ventil angebracht. [24] In offenen Systemen wird das Wasser direkt aus dem Kollektorkreislauf zum Verbraucher transportiert (siehe Abbildung 3.6). In kälteren Regionen werden oftmals geschlossene Systeme verwendet, da sich in dem Kollektorkreislauf Frostschutzmittel befindet, das nicht in den Trinkwasserkreislauf gelangen darf.[25] Des Weiteren wird beim Betrieb von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung zwischen Anlagen mit Schwerkraftumlauf, auch Thermosyphon genannt, und Zwangsumlauf unterschieden. Eine Thermosyphon-Solaranlage besteht aus den Komponenten Solarkollektor, Speicher, Vor- und Rücklaufleitung. Beim chwerkraftumlauf ensteht aufgrund von Dichteunterschieden auf der kalten 13

21 3 Technischer Hintergrund (J) und warmen Seite des Wasserkreislaufes ein konvektiver Strom. Das Prinzip kann anhand von Abbildung 3.6 erläutert werden, die eine Thermosyphon-Warmwasserbereitungsanlage im offenen Kreislauf darstellt. Der Kollektor absorbiert die Solarstrahlung und leitet die Wärme an das Wasser im Rohrsystem weiter. Durch den höheren hydrostatischen Druck auf der Speicherseite, der aus dem kalten Rücklauf resultiert, wird das warme Wasser im Kollektor nach oben gedrückt. Über den Vorlauf gelangt es von oben in den Speicher. Aus dem oberen Speicher kann warmes Wasser vom Verbraucher entnommen werden. Gleichzeitg läuft unten in den Speicher kaltes Wasser nach. Wie groß der Massenstrom im Kreislauf ist, hängt von den Druckverlusten im Leitungssystem (siehe Kapitel ), der Stärke der Einstrahlung, der Menge des aus dem Speicher entnommenen Wassers und der Höhe des Speichers ab. Die Fließgeschwindigkeit regelt sich von selbst. Damit ein kontinuierlicher Fluss garantiert ist, wird der Speicher deshalb mindestens 300mm bis 600mm oberhalb der oberen Kollektorkante positioniert. Nachts kann es aufgrund der Abstrahlungsverluste im Kollektor dazu kommen, dass das Wasser in umgekehrter Richtung fließt. Abhilfe verschafft ein Rückschlagventil in der Vorlaufleitung. Beim Zwangsumlauf ist zusätzlich ein Pumpsystem für den Transport des Wärmeträgerfluids notwendig. [22, S.195 ff] Abbildung 3.6: Solare Thermosyphon-Warmwasserbereitungsanlage, offener Kreislauf [22, Abb ] 3.3 Anlagenbeschreibung Die Pilotanlage1, die 2008 in Ilhanda in Zusammenarbeit mit der NGO MAVUNO Project konstruiert worden ist, stellt eine Neuentwicklung in der Biogastechnologie dar. Sie ist auf die Rahmenbedingungen in der Region Kagera zugeschnitten, die zuvor in einer Machbarkeitsstudie von Dipl. Ing. Philipp Becker [19] untersucht worden sind. Da in der Region wenig Viehzucht betrieben wird, soll die Anlage hauptsächlich mit Pflanzensubstrat beschickt werden. Die üblichen Dombiogasanlagen benötigen jedoch ein Substrat mit geringem Trockensubstratanteil (TS-Gehahlt) 1 und werden deshalb vornehmlich mit verdünntem Tierdung beschickt. Die Pilotanlage1 stellt eine Modifikation der Dombiogasanlage als Pfropfenstromfermenter ohne mechanisches Rührwerk dar. Auf diese Weise kann sie mit Pflanzensubstrat (hoher TS-Gehalt) semi-kontinuierlich 2 gefahren werden und benötigt 1 Der TS-Gehalt beschreibt den Gewichtsanteil der Trockensubstanz im Substrat.[16] 2 Eine in regelmäßigen Abständen stattfindende Befüllung und Entleerung, die zu einer relativ konstanten Gasproduktion führt. 14

22 3 Technischer Hintergrund (J) zudem nach dem Anlaufen keine zusätzliche Zufuhr von Wasser. Die Substratdurchmischung kann durch die Variation des Betriebsdrucks, wie in beschrieben, realisiert werden Aufbau Pilotanlage2 Die Hauptbestandteile der Pilotanlage2 sind ein Fermenter mit integriertem Gasspeicher, sowie ein Zu- und Ablaufbecken. Das Fundament der Anlage bildet eine rechteckige Stahlbetonplatte. Die Wände werden mit CSEB-Steinen gemauert und sind von innen mit 7 Schichten Putz versehen, um Gasentweichungen über das Mauerwerk zu vermeiden(siehe auch [26]). Der Gasspeicher ist durch eine Trennwand in zwei seperate Speicher unterteilt. Eine gemauerte Kuppel schließt den Gasspeicher ab. Das Zulaufbecken auf der einen Seite des Fermenters ist zylinderförmig gestaltet. Das quaderförmige Ablaufbecken befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite (siehe Abbildung H.4). Die Anlage ist aus Statik- und Kostengründen unterirdisch installiert. Um eine vergleichbare Anlage oberirdisch zu konstruieren und statisch sicher auszulegen (es dürfen keine Undichtigkeiten entstehen, sodass Gas entweichen kann), müsste ein viel höherer Material- und folglich Kostenaufwand betrieben werden. Steine Die Pilotanlage1 wurde aus Beton und gebrannten Sand-Lehmsteinen gefertigt. Um die Wärmedämmungseigenschaften zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken wurden, in derselben Phase der Heizsystementwicklung, spezielle Steine für die Fermenteraußenwände der Pilotanlage2 entwickelt. Sie werden Compressed Stabilized Earth Blocks (CSEB) genannt und bestehen aus sandhaltiger Erde (ca. 80%), Wasser (ca.15%) und Zement als Stabilisator (ca. 5%). Mit Hilfe einer speziell auf die gewünschte Steingeometrie ausgelegten Presse werden die Steine geformt. Durch die Matrix im Innern der Presse können Aussparungen im Stein erzeugt werden, die die Wärmedämmungseigenschaften der Steine zusätzlich verbessert. Der Lochanteil der Hohlloch-CSEBs beträgt 25vol%. In einer dreiwöchige Aushärtungsphase werden die Steine mit einer Folie abgedeckt und fortwährend befeuchtet.[27] Größter Vorteil dieser Steine sind neben der verbesserten Wärmedämmungseigenschaften die relativ geringen Produktionskosten. Außerdem kann die Steinpresse bei einem lokal ansässigen Unternehmen in Auftrag gegeben werden. Für die Mauerung der Gaskuppel und die gebogenen Stirnflächen der Anlage sind jedoch noch gebrannte Sand-Lehmsteine notwendig. Sie haben eine höhere Festigkeit und können individuell auf die gekrümmte Form angepasst werden. Im Vergleich zu den CSEB Steinen haben sie jedoch schlechtere Wärmedämmungseigenschaften[28]. Außerdem sind die Material- und Produktionskosten höher Funktionsweise Da keine Elektrizität für den Betrieb eines elektrischen Rührwerks zur Verfügung steht, ist ein einfacher Rührmechanismus entwickelt worden. Durch die Trennung des Gaspeichers kann das Substrat über eine einseitige Gasentnahme umgewälzt werden. Die Funktionsweise dieser Technik kann anhand der Abbildungen 3.8, 3.9 und 3.7 erläutert werden. Sie zeigen einen Querschnitt der Pilotanlage2. 15

23 3 Technischer Hintergrund (J) Täglich wird vergorenes Substrat aus dem Ablaufbecken entnommen (Abbildung 3.8 rechts). Ein Teil Frisches Substrat davon wird dazu verwendet frisches Sustrat anzureichern (Mischungsverhältnis: Vergorenes Substrat 5 1 ). Denn durch die Rückführung der schon abgebauten Biomasse, die noch aktive Bakterienstämme enthält, kann der Fermentationsprozess unterstützt werden.[29] Über das Zulaufbecken (Abbildung 3.8 links) erfolgt dann die Beschickung mit dem angereicherten Substrat. 3.7). Im Ausgangszu- Abbildung 3.7: Ausgangszustand der Pilotanlage2 stand besitzt das Gas im Gasspeicher Umgebungsdruck und die Füllstände des Gärsubstrates im Zu- und Ablaufbecken sind auf dem niedrigsten Niveau (Abbildung 3.8). Die Ventile der Gasleitung sind geschlossen. Bei einsetzender Gasbildung steigt der Gasdruck und drückt das Substrat in die Ausgleichsbecken (Zu- und Ablaufbecken), bis der Gasspeicher ganz gefüllt ist (Abbildung 3.9). Der Gasdruck hat seinen maximalen Wert angenommen und entspricht dem Umgebungsdruck zuzüglich des hydrostatischen Drucks aus den Verdrängungsbecken (p max 1; 144bar, vgl. H.4). Durch eine Gasentnahme aus Gaskammer1 sinkt der Betriebsdruck und Speicher 1 füllt sich mit Gärsubstrat. Auf diese Weise wird der Faulraum durchmischt und die Füllhöhe in den Ausgleichsbecken nimmt wieder ab (Abbildung Diese Umwälzung dient zur Homogenisierung des Substrates und der Tempe- Abbildung 3.8: Volle Gasspeicher der Pilotanlage2 Abbildung 3.9: Gasentnahme aus Speicher 1 der Pilotanlage2 16

24 3 Technischer Hintergrund (J) ratur. Die horizontale Fortpflanzung des Substrates wird dadurch nicht wesentlich beeinflusst. Da das Gas zum Kochen benötigt wird, findet dieser Prozess dreimal täglich statt. Die Verweilzeit des Gärsubstrates im Fermenter beträgt in etwa 70 Tage.[30] Heizsystem Die Hauptbestandteile des Heizsystems der Pilotanlage1 sind ein Flachkollektor, eine PV-Solarpumpe und ein Wärmeübertrager im Fundament der Biogasanlage. Der Absorber des Flachkollektors besteht aus parallel verlaufenden Stahlrohren, die an Stahlplatten angeschweißt sind (siehe Abbildung 3.5 f)). Ein jeweils senkrecht dazu stehendes Zu- und Ablaufrohr verbindet die Rohre miteinander. Zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften sind Rohre und Bleche mit schwarzem Tafellack angestrichen. Die Absorberplatte ist in einem Holzrahmen eingebettet. Als Isolierschicht zwischen Absorber und Holzunterbau dient Matratzenschaumstoff und eine Holzplatte. Über der Absorberplatte sind zwei Glasscheiben montiert und auf dem Holzrahmen fixiert. (siehe Abbildung H.5) Der Wärmeübertrager im Fermenter besteht aus einem PVC-Schlauch, der in Serpentinenverlauf in das Fundament zwischen der Stahlbewährung eingegossen ist (siehe Abbildung H.6). Für die Vorund Rücklaufleitung sind ebenfalls PVC-Schläuche verwendet worden. Als Ausdehnungsbehälter dient ein abgedeckter Eimer mit Luftlöchern, der zwischen Wärmeübertragerausgang und Kollektoreintritt zwischengeschaltet ist. Für die Zirkulation des Wassers zwischen Kollektor und Fermenter sorgt eine Solarpumpe, die über ein Photovoltaikmodul elektrisch betrieben wird. Die Pumpe ist aus den USA importiert und sehr kostenintensiv (250 e). Erfahrungswerte haben gezeigt, dass sich das Wasser in dem Kollektor auf 70 C aufheizen kann. Es fehlen jedoch genaue Angaben über die Effizienz des Systems. Auswirkungen auf den Gärprozess durch das Heizsystem sind auch nicht weiter untersucht worden. Der Ausfall des Systems rührt aus der schlechten Verarbeitung des Materials. Teilweise undichte Schweißnähte haben Wasser aus dem Kollektor verdunsten lassen und brachten den Wasserkreislauf zum Stillstand. Außerdem ist der Holzrahmen des Kollektors, trotz Anstrich mit Tafellack, nach einem Jahr bedingt durch die Witterungsumstände versprödet. Hinzu kommt eine schlechte Schulung der Betreiber, die den Wasserinhalt im Kollektor nicht kontrolliert und weder die Glasabdeckung des Kollektors noch das PV-Modul der Solarpumpe regelmäßig gereinigt haben. [30] Die Abbildung 3.10 zeigt, dass eine Heizung notwendig ist, um eine optimale mittlere Prozesstemperatur von 35 C im Substrat halten zu können. In dem Diagramm ist der zeitliche Verlauf der Gärsubstrattemperatur in der Pilotanlage1 an den Positionen 25 cm, 70 cm und 110 cm oberhalb des Fundamentes im Vergleich zur Außentemperatur über einen Zeitraum von 6 Tagen im Juni 2011 abgebildet. Die Anlage wurde ohne Heizung betrieben. Die Betondecke des Gasspeichers befindet sich, wie in Abbildung 3.8 zu sehen ist, oberhalb des Erdboden und ist mit schwarzem Lack angestrichen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Außentemperatur keinen wesentlichen Einfluss auf die Gärsubstrattemperatur hat. Des Weiteren kann aus dem Diagramm entnommen werden, dass die Temperatur mit zunehmendem Abstand vom Fermenterboden leicht zunimmt. Dies kann auf höhere 17

25 3 Technischer Hintergrund (J) Wärmeverluste am Boden hindeuten. Bedingt durch eine Fehlertoleranz der Temperaturlogger von 0,3 C kann jedoch keine eindeutige Aussage über diese Temperaturschichtung getroffen werden. Die Gärsubstrattemperatur liegt im Mittel etwa bei 25 C und stellt damit nicht die optimale thermophile Betriebstemperatur dar. Der Grund für die vereinzelten relativ großen Temperatursprünge im oberen Teil des Gärsubstrates kann möglicherweise Folge eines hohen Füllstandes des Gasspeichers sein, sodass der Temperaturfühler nicht mehr im Substrat eingetaucht ist. Die leichten Temperaturunterschiede im Substrat sind prinzipiell auf die lokal und zeitlich vorherrschenden Milieubedingungen und Reaktionen zurückzuführen. Abbildung 3.10: Temperaturverläufe des Gärsubstrates 25, 70 und 110 cm oberhalb des Fundamentes in Pilotanlage 1 und Außentemperatur 18

26 4 Klimatische Gegebenheiten Um Sonnenstrahlung als Wärmequelle für technische Anlagen verwenden zu können, ist die Kenntniss der genauen klimatischen Gegebenheiten notwendig. Dazu wurden Klimadaten einer Messstation in Bukoba, Kagera, Tansania des Jahres 2005 ausgewertet. Von Interesse ist die durchschnittliche Globalstrahlung bezogen auf die tatsächlichen Sonnenstunden, um abschätzen zu können, wieviel Wärme generiert werden kann. Des Weiteren sind die Tagessonnenstunden und die Tagestemperaturen interessant, um einerseits die Funktionsdauer des Heizsystems und andererseits die Höhe des Wärmeverlustes abschätzen zu können. 4.1 Gemittelter Tagesverlauf 600 Dezember 500 Monatsdurchschnitt: Globalstrahlung in W/m² Uhrzeit Abbildung 4.1: Gemittelter Tagesverlauf des Monats Dezember. X-Achse: Uhrzeit, Y- Achse:durchschnittlicher Stundenwert der Globalstrahlung des Monats Demzember. Quelle: Thorben Leismann [31] Zur Abschätzung der Tagessonnenstunden wurde der gemittelte Tagesverlauf der Monate mit der niedrigsten Durchschnittsstrahlung betrachtet. Um den gemittelten Tagesverlauf zu erhalten wurde jeweils der Durchschnittswert der Stundenwerte eines Monats berechnet und als Graph aufgetragen. Abbildung 4.1 zeigt die Verteilung des Monats mit der niedrigsten jährlichen Durchschnittsstrahlung. Anhang B.1 - B.4 beinhaltet ergänzend die Tagesverläufe der Monate Januar, April, Mai, November. 19

27 4 Klimatische Gegebenheiten Anhand der Graphen wurde festgelegt, dass die durchschnittliche Sonneneinstrahlung auf den Zeitraum 9-17 Uhr bezogen berechnet werden soll. Zum Start- Endzeitpunkt liegt die Sonneneinstrahlung im Bereich von 200 W=m 2. Es wird von einer Sonnenzeit von 8h ausgegangen. 4.2 Durchschnittliche Globalstrahlung Monatliche Durschnittsstrahlung. von 9 bis 17 Uhr Globalstrahlung in W/m² Monat Abbildung 4.2: Monatlicher Globalstrahlungsdurchschnitt bezogen auf das Zeitintervall 9-17 Uhr. Quelle: Thorben Leismann [31] Abbildung 4.2 zeigt den Verlauf der Höhe der durchschnittlichen Globalstrahlung eines Monats des Jahres 2005 bezogen auf das in Abschnitt 4.1 festgelegten Intervall von 9-17 Uhr. Als Berechnungsgrundlage des Heizsystems wird die Einstrahlung des niedrigsten Monats verwendet. Nach Abbildung 4.2 ist dies der Monat Dezember mit etwa 400 W=m Perioden niedriger Strahlungsintensität Die Leistungsabschätzungen des Heizsystems basieren auf Durchschnittswerten. Die Fermentertemperatur sollte konstant gehalten werden. Daher wurde untersucht, wie lange Perioden niedriger Strahlungsintensität andauern, um abzuwägen, ob die Verwendung der Durchschnittswerte als Berechnungsgrundlage zulässig ist. Es wird abgeschätzt, ob eine Schwankung der Fermentertemperatur hervorgerufen wird. Dazu wurden die 6 niedrigsten Tagesstrahlungswerte herangezogen und in einem Zeitraum von += 10 Tagen aufgetragen (Anhang B.5). Abbildung 4.3 zeigt exemplarisch den Strahlungstrend um einen der 6 Tage. Das Strahlungsminimum liegt jeweils nur einen kurzen 20

28 4 Klimatische Gegebenheiten Abbildung 4.3: Tag mit niedrigster Globalstrahlung des Jahres. Strahlungsverlauf von += 10 Tagen. Strahlungsverläufe der 6 niedrigsten Tage unter Anhang B.5. Quelle: Thorben Leismann [31] Zeitraum auf einem niedrigen Niveau. Da der Fermenter ein großes Volumen besitzt, wird vermutet, dass die Strahlungsschwankungen durch den Fermenter gepuffert werden können und es nicht zu großen Temperaturänderungen des Fermenters kommt. Die Verwendung der Durchschnittswerte wird als zulässig angesehen. 4.4 Temperaturverteilung Abbildung 4.4 zeigt die durchschnittlichen Tageswerte der Temperatur des Monats Dezember. Es wurde nach Anhang B.6 der kälteste Monat des Jahres gewählt. Der Verlauf zeigt, dass die Temperaturen Nachts auf minimal etwa 15 C abfallen. Die Tagesmaximaltemperatur beträgt etwa 25 C. Die Tag-Nachtschwankungen haben eine Höhe von 10 C. Die Tagesdurchschnittstemperatur beläuft sich auf etwa 20 C. Das Tagestemperaturminimum ist um etwa 7.00 Uhr und Tagesmaximum um etwa 15 Uhr erreicht. Um einen Eindruck der Auswirkungen der Lufttemperaturschwankungen auf die Bodentemperatur zu erhalten, wurde diese experimentell in Tansania ermittelt. Es stellte sich heraus, dass die Bodentemperatur unabhängig von der Lufttemperatur bei etwa 23 C liegt. 21

29 4 Klimatische Gegebenheiten 26 Dezember Temperatur in C 20 Monatsdurchschnitt: Uhrzeit Abbildung 4.4: Gemittelter Tagestemperaturverlauf des Monats Dezember. Quelle: Thorben Leismann [31] 22

30 5 Methode Zur Neuentwicklung technischer Systeme hat sich das Anwenden von Methoden bewährt, welche dem Konstrukteur helfen den kreativen Prozess des Schaffens neuer Technologien strukturell zu unterstützen. Insbesondere beim Optimieren vorhandener Technik, aber auch beim Erschaffen neuartiger Maschinen, ist der Konstrukteur von vorfixierten Lösungen blockiert. Probleme ergeben sich durch die mangelnde Übersicht, wenn verschiedene Lösungsansätze und deren Kombination zahlreiche Möglichkeiten eröffnen. Soll die Neuentwicklung erneut bearbeitet werden, ist eine nachvollziebare Dokumentation notwendig. In Übereinstimmung mit der VDI-Richtlinie 2221 [32] hat Pahl/Beitz [33] eine Methode entwickelt, die dem Konstrukteur Schritt für Schritt in den Punkten vorfixierte Lösung, Struktur, Dokumentation und Übersichtlichkeit Hilfestellung leistet. Im Folgenden wird auf den generellen Ablauf der Methode und anschließend auf die einzelnen Schritte eingegangen. 5.1 Genereller Ablauf Abstraktionsniveau Lösungsneutraler Satz Funktionsstrukturen Morphologischer Kasten Konzepte Prinzipielle Lösung Anforderungsliste Entwurf Abbildung 5.1: Teilschrittergebnisse (Vgl. Abb.5.2) des Entwicklungsprozesses nach ihrem Abstraktionsniveau geordnet Zeit Kern des Konstruktionsverfahrens ist das Durchlaufen verschiedener Abstraktionsniveaus. Abbildung 5.1 verdeutlicht, dass der Informationsgehalt zunächst von den konkreten Anforderungen der Anforderungsliste auf ein hohes abstraktes Niveau in Form eines einzigen neutralen Satzes gehoben wird. Die Ergebnisse folgender Schritte nähern sich stetig dem endgültigen Entwurf. Gleichermaßen sinkt 23

31 5 Methode durch Konkretisieren der Lösung stetig das Abstraktionsniveau. Dieser Umstand hilft dem Konstrukteur sich von vorfixierten Lösungen zu befreien und systematisch zum Entwurf zu gelangen. Wie die Teilschrittergebnisse zustande kommen wird im nächsten Abschnitt behandelt. 5.2 Entwicklungsschritte Aufgabe 1 Klären und präzisieren der Aufgabenstellung Anforderungsliste 2 Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Suchen von Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen Auswählen und konkretisieren geeigneter Kombinationen Bewerten nach spezifischen Kriterien Lösungsneutraler Funktionsstrukturen Satz Funktionsstrukturen Morphologischer Kasten Konzepte Prinzipielle Lösung Erfüllen und Anpassen der Anforderungen 7 Entwerfen Entwurf Realisierung Abbildung 5.2: Schritte einer Neuentwicklung nach Pahl/Beitz [33] und der VDI 2221 [32]. Hellgrau (1-7): Einzelne Schritte, Dunkelgrau: Ergebnis des Schrittes Die in Abblidung 5.1 dunkelgrau unterlegten Ergebnisse sind das Resultat nacheinander ablaufender Entwicklungsschritte. Abbildung 5.2 zeigt deren Abfolge in Form hellgrau unterlegter Rechtecke. Die Pfeile deuten ein iteratives Verfahren an. Nach jedem Schritt können die Anforderungen überprüft und angepasst werden. Das Verfahren lässt ein Zurückspringen zu vorherigen Schritten und erneutes Durchlaufen der Folgeschritte jederzeit zu. Folgende Schritte werden bis zur Realisierung der Neuentwicklung durchlaufen: 24

32 5 Methode 1 Klären und präzisieren der Aufgabenstellung Frühe Fehler lassen sich später nur mit viel Aufwand beheben. Um Missverständnisse zwischen Auftraggeber und Konstrukteur zu vermeiden, ist der Konzeption das Klären der Aufgabenstellung vorgeschaltet. Die Anforderungsliste bündelt diese Informationen und dient als schriftliche Übereinkunft zwischen Auftraggeber und Konstrukteur. Die Anforderungsliste dient darüber hinaus als Dokumentationsinstrument. Sie soll während des Konstruktionsprozesses modifiziert und ergänzt werden. Ein weiterer Nutzen des Erstellens der Anforderungsliste ist die damit einhergehende intensive und detallierte Auseinandersetzung mit der Problemstellung vor Beginn des eigentlichen Entwickelns. Dieser Schritt ist unter 6 beschrieben. 2 Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme Um den Kern des Problems zu erkennen, werden die Anforderungen Schritt für Schritt abstrahiert. Quantitative Angaben werden in qualitätive umgewandelt. Der Konstrukteur entfernt sich von konkreten Angaben. Ergebnis dieses Prozesses ist die lösungsneutrale Formulierung des Problems in einem einzigen Satz. Dieser Schritt ist unter 7.1 beschrieben. 3 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Technische Systeme realisieren stets mehrere Funktionen. Laut Koller ist eine Funktion die Beschreibung, was mit einer physikalischen Größe mittels welcher Tätigkeit geschehen soll [34]. Daher lassen sich technische Systeme als fiktive Funktionsgebilde vorstellen. Funktionen sind durch Flüsse verschiedener Art verbunden. Funktionen und Flüsse technischer Syteme bilden eine Funktionsstruktur. Die in Schritt 2 abstrahierten Anforderungen werden in eine Hauptfunktion umformuliert. Die Funktionsstruktur erlaubt das Herunterbrechen der Hauptfunktion in Grundfunktionen, zu denen anschließend Wirkprinzipien gesucht werden. Dieser Schritt ist unter 7.2 beschrieben. 4 Suchen von Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen In diesem Schritt werden die voneinander unabhängigen Grundfunktionen verschiedenen Wirkprinzipien zugeordnet. Ein nützliches Instrument stellt der Morphologische Kasten dar. Dabei werden in einer Matrix jeder Funktion tabellarisch mehrere Wirkprinzipien zugeschrieben. Dieser Schritt ist unter 7.3 beschrieben. 5 Auswählen und konkretisieren geeigneter Kombinationen Das technische System muss jede der geforderten Funktionen mittels geeigneter Wirkprinzipien erfüllen. Durch das Verbinden der voneinander unabhängigen Wirkprinzipien des Morphologischen Kastens erhält der Konstrukteur zahlreiche lose Konzepte. Natürlich können nicht alle Wirkprinzipien miteinander verbunden werden, weshalb nur geeignete Kombinationen in Frage kommen. Diese werden in konkretisierten Konzepten zusammen gefasst. Dieser Schritt ist unter beschrieben. 6 Bewerten nach spezifischen Kriterien Als Grundlage für die Auswahl eines der in Schritt 5 erarbeiteten Konzepte wird ein Bewertungsschema aufgestellt. Der Konstrukteur formuliert voneinander unabhängige Kriterien, die eine objektive Bewertung ermöglicht. Anschließend wird auf Basis einer Diskussion eine prinzipielle Lösung zum Entwurf freigegeben. Dieser Schritt ist in 9.1 beschrieben. 7 Entwerfen Die prinzipielle Lösung wird in diesem Schritt weiter konkretisiert. Das Ergebnis ist ein Entwurf, der umgesetzt werden kann. Dieser Schritt ist in 10 beschrieben. 25

33 6 Anforderungsanalyse Der Konzeptionsphase ist eine detaillierte Anforderungsanalyse vorgeschaltet. Vor Aufstellen eines Konzepts müssen die an die Neukonstruktion gestellten Anforderungen ausführlich und umfangreich formuliert werden, um den Aufwand späterer Korrekturen gering zu halten. In der Aufgabenstellung verbergen sich vorfixierte Lösungen, die, wenn sie nicht zwingend sind, ein besseres Ergebnis der Lösung verhindern. Daher sollten die Anforderungen lösungsneutral und frei von vorgeformten Vorstellungen formuliert sein. Als übersichtliches Instrument zum Sammeln und Sortieren der Anforderungen dient die Anforderungsliste nach Pahl/Beitz (Abb.6.1, [33]), die im Laufe der Konzeptphase immer wieder aktualisiert wird. Die Anforderungen werden als Wünsche (W, was soll nach Möglichkeit erfüllt sein?) und Forderungen (F, was muss unter allen Umständen erfüllt sein?) gekennzeichnet. Sie beantworten die Frage nach Zweck und gewünschten/ zu vermeidenden Eigenschaften der Neuentwicklung. Soweit möglich, wurden quantitative Angaben herausgearbeitet. Sie Abbildung 6.1: Auszug aus der Anforderungsliste des Heizsystems mit W= Wunsch, F = Forderung. Vollständige Version unter C basieren auf Schätzungen oder Wünschen, die sich im Gespräch mit Philipp Becker ergaben, weshalb sie eher als Richtwerte, denn als scharfe Grenzen anzusehen sind. Es wurde sich nicht auf Normen oder gesetzliche Richtlinien gestützt, da solche für diese Technologie im Zielland nicht verwendet werden. Neben den quantitativen Angaben, wurden zahlreiche qualitative Anforderungen formuliert. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden die zusammengetragenen Informationen in die Kategorien Grundanforderungen, Grundfunktion, Stoffe, Kräfte, Energie, Material, Handhabung, Fertigung, Montage und Montageanleitung, Sicherheit, Instandhaltung, Kosten und Termin unterteilt. Als Orientierung diente eine Übersicht nach Pahl/Beitz [33]. Anschließend wurden die Angaben durch Diskussion zwischen den Studenten Jana Möllenkamp, Leo Meyer-Schwickerath und 26

34 6 Anforderungsanalyse dem Projektleiter Philipp Becker spezifiziert und durch Anregungen von Projektingenieur Thomas Kraus [35] ergänzt. 6.1 Zentrale Anforderungen Eine vollständige Anforderungsliste ist in Anhang C zu finden. Hier seien kurz die zentralen Anforderungen erläutert. Die wichtigsten Anforderungen sind unter der Kategorie Grundfunktion (2) gebündelt. Das Heizsystem soll ohne Zusatzenergie auskommen (F 5.5), weshalb eine solare Wärmegenerierung vorgesehen wird (F 2.1). Dies garantiert den dezentralen und nachhaltigen Betrieb der Anlage. Zudem muss es die Wärmeeinbringung in den Fermenter gewährleisten (F2.3 und 2.4), um dessen Wärmeverluste ( Q= 4,9 kwh) auszugleichen und eine für die Biogas produzierenden Bakterien relevante Prozesstemperatur von mindestens 30, besser 35 C zu generieren (F 5.3). Die Temperaturangaben richten sich nach [11], wobei die untere Grenze den Beginn der Biogasproduktion bezeigt, jedoch wegen der höheren Ausbeute eine Temperatur von 35 wünschenswert ist. Ein wesentlicher Unterschied zum Großteil der Neukonzeptionen, die im hochindustrialisierten Standort Deutschland vorgenommen werden, ist der Niedrigtechnologie-Ansatz. Das System kommt in ländlichen, subtropischen Gebieten bei Kleinbauern mit niedrigem technologischem Entwicklungsstatus zum Einsatz (F 1.2 / 1.4). Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Berücksichtigung struktureller und kultureller Gegebenheiten. Daher dürfen nur lokal verfügbare Materialien bzw. Fertigungsverfahren und ausgewählte Montageverfahren verwendet werden, die im Anhang in entsprechenden Listen aufgeführt sind (F 6.1, F 8.2, F 8.4). Um die Akzeptanz der Technologie zu erhöhen und dadurch ihren Gebrauch sicher zu stellen, ist die Anlage an die örtlichen Nutzungsbedingungen anzupassen. Sie muss daher ohne Fachwissen bedienbar sein, eine hohe Lebensdauer vorweisen und robust/wartungsarm ausgelegt sein (F 7.1, F 1.6, F 10.2). Die Biogasanlage soll sich langfristig ohne bzw. mit geringen externen Zuschüssen etablieren. Es ist eine Kostenobergrenze des Heizsystems von 200 $ vorgesehen. Um dem Grundsatz Hilfe zur Selbsthilfe zu genügen, beinhaltet die erfolgreiche Durchführung eines Projekts neben der Konstruktion den Wissenstransfer. Dieser wird durch das Erstellen einer Montageanleitung (F 8.grün) berücksichtigt, soll jedoch nicht mehr Teil dieser Studienarbeit sein. 6.2 Wärmeverlust der Anlage (J) Um quantitative Angaben zur Anforderung [3.5] geben zu können, wird in diesem Abschnitt der Wärmeverlust der Anlage bestimmt. Stoffwechselbedingt hat eine anaerobe Biozönose nur eine sehr geringe exotherme Wärmetönung, die im praktischen Anlagenbetrieb vernachlässigbar ist. [36] Deshalb wird nur die Wärmeabgabe in der Energiebilanz um den Reaktor berücksichtigt. Der Wärmeverlust der Anlage _Q V erl setzt sich aus der Substraterwärmung _Q Substrat, Abstrahlung der Reaktorwände _Q F ermenter, Wärmeverluste über die Biogasentnahme _Q Biogas und diffuse Verluste über Rohrleitungen und Behälter _Q dif f us 27

35 6 Anforderungsanalyse zuammen. _Q V erl = _Q Substrat + _Q F ermenter + _Q Biogas + _Q dif f us (6.1) Da die Substrate vor der Beschickung in der Sonne aufgeheizt werden und die Menge an Gas, die täglich entnommen wird sehr gerin ist, können _Q Substrat und _Q Biogas in Gleichung 6.1 vernachlässigt werden. Auch der diffuse Verlustanteil, der zum Beispiel durch externe Anmischbehälter entsteht, entfällt. Der Wärmeverlust durch Reaktorabstrahlung stellt in diesem Fall den Wärmeverlust über die Fermenteraußenwände in den Erdboden dar. _Q V erl = _Q F ermenter (6.2) Für die Abschätzung der Wärmeverluste über die Fermenteraußenwände wird eine Berechnungsmethode zur Bestimmung von den Wärmeverlusten eines beheizten Kellers nach DIN EN ISO [37] verwendet. Das charakteristische Maß der Bodenplatte B stellt das Verhältnis von der Fläche der Bodenplatte A B zu ihrem halben Umfang P B dar. B 0 = A B 0; 5P B (6.3) Die wirksame Dicke der Bodenplatte d t repräsentiert die Dicke des Erdreiches, die denselben thermischen Widerstand aufweist wie die Bodenplatte inklusive aller Dämmschichten. Für die Bestimmung von d t werden die Wärmeleitwiderstände aller am Wärmeübergang beteiligten Schichten berücksichtigt. Die Wärmedämmung der Kiesschicht wird vernachlässigt, da sie im feuchten Zustand ähnliche Werte für die Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie das Erdreich selbst. (vgl. [38]) d t = d W and + Erde (R si;auf + ) d Beton + R se Beton + R Stein (6.4) Der innere und äußere Wärmeübergangswiderstand der Luft R si bzw. R se kann [39, S.9, Tab.1] entnommen werden. Die Wärmeleitwiderstände der Bodenkonstruktion setzen sich aus der Betonplatte und der Dämmschicht aus Hohlloch-CEBS zusammen. Da der Anteil der Luftlöcher im Stein 25vol-% beträgt, kann der flächenbezogene Wärmedurchlasswiderstand des Hohllochsteins R Stein annähernd über R Stein = ( 3 R R 2 ) 1 A Stein (6.5) 28

36 6 Anforderungsanalyse berechnet werden. Die Einzelwärmeleitwiderstände R 1 und R 2 (siehe Abbildungen 6.2 und 6.3)ergeben sich darin über R 1 = b z CSEB u h z (6.6) R 2 = 2x y + (6.7) CSEB v h z Luf t v h z Die Wärmeübertragungsfläche A Stein steht senkrecht zum Wärmestrom und ist definiert durch A Stein = h z l z (6.8) Für die wirksame Dicke der Wand d w gilt entsprechend d w = Erde (R si;hor + R Stein + R se ) (6.9) Darüber lässt sich der Wärmedurchgangskoeffizient über die Bodenplatte U B und für die Wände U W bestimmen. U B = Erde 0; 457B 0 + d t + 0; 5z (6.10) U W = 2 Erde z ( 1 + 0; 5d W d W + z ) ln ( ) z + 1 d W (6.11) Da die Zusammensetzung des Bodens nicht genau bekannt ist, wird für die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches ein repräsentativer Wert für Sand aus [37, Tab. G.1] verwendet. Der stationäre Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Innenraum und Außenumgebung H g ergibt sich zu H g = A B U B + zp U W (6.12) worin z die Tiefe der Bodenkonstruktion im Erdreich darstellt. 29

37 6 Anforderungsanalyse Der über den kältesten Monat Dezember gemittelte thoeretische tägliche Wärmeverlust Q verl über die Außenwände und Bodenplatte des Fermenters ohne integriertes Heizsystem bei konstanter gemittelter Substrattemperatur i beträgt somit Q verl;t ag = H g ( i a ) 24h 5; 9kWh (6.13) Darin repräsentiert a die im Dezember gemittelte Monatstemperatur der Außenluft. Die Betrachtung der periodischen Temperaturschwankungen über das Jahr ist an dieser Stelle nicht angebracht, da die Wärmeverluste nur näherungsweise betrachtet werden sollen und deshalb eine Abschätzung zur sicheren Seite durch Verwendung des niedrigsten Monatsmittels der Außentemperatur ausreichend ist. Abbildung 6.2: CSEB Diskussion der Ergebnisse Die Ergebnisse aus Kapitel 6.2 stellen nur eine erste Abschätzung über die Größenordnung der Wärmeverluste dar. Eine mögliche Fehlerquelle dieser Berechnung stellt der innere Wärmedurchgangswiderstand R si dar. Er stammt aus der Norm zur Berechnung von Wärmeverlusten über eine Kellerwand und resultiert daher aus dem konvektiven Wärmeübergang an der Wand durch Luftströmung. In der Biogasanlage findet der Wärmeübergang zwischen warmem Substrat und Erdboden statt. Es liegen keine verwendbaren Korrelationen zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten vor, da hierfür die genaue Zusammensetzung des Substrates nötig ist (um zum Beispiel das rhelogische Verhalten des Substrates zu bestimmen). Wie stark der Einfluss des Innenwiderstandes auf den täglichen Wärmeverlust ist, zeigt Abbildung 6.4. Selbst bei sehr gutem Wärmeübergang und damit R si! 1 wäre der Wärmeverlust nur um 5 Prozentpunkte größer (Q verl;t ag = 6; 2kWh). Zum Verlgleich kann der Wärmeübergangswiderstand durch reine eindimensionale Wärmeleitung R si bis zum Fermentermittelpunkt betrachtet werden. Denn die Substrate besitzen häufig sehr viel 30

38 6 Anforderungsanalyse Abbildung 6.3: Draufsicht CSEB, Wärmeleitwiderstände höhere Viskositäten als reines Wasser (10 5 m2 s < Substrat < 0; 01 m2 s ; H 2 O(30 C) 10 und es liegt eine geringe treibenden Temperaturdifferenz vor. 6 m2 s [36]) R si = h F 2 H2 O = 1 m2 K W (6.14) Daraus reduziert sich der theoretisch bestimmte tägliche Wärmeverlust auf Q V erl;t ag = 4; 4kWh. Da in beiden Berechnungen aber die Wärmeverluste über die Kuppel, sowie Zu- und Ablaufbecken vernachlässigt worden sind, dient der in Kapitel 6.2 bestimmte tägliche Wärmeverlust als Grundlage für weitere Berechnungen dieser Arbeit. 31

39 6 Anforderungsanalyse Abbildung 6.4: Täglicher Wärmeverlust der Anlage in Abhängigkeit des Innenwiderstandes R si 32

40 7 Konzeption Nachdem die Aufgabenstellung beschrieben und die Anforderungen an das neue Heizsystem ausführlich formuliert werden konnten, ist die Konzeptphase, das Festlegen einer Lösung, vorgesehen. Die Konzeptphase setzt sich nach Pahl/Beitz [33] aus unterschiedlichen Schritten zusammen (Vgl. 5). Es wird mit der Auswahl einer geeigneten Anforderungsliste begonnen. Anschließend werden die zentralen Anforderungen abstrahiert und in Form einer Funktionsstruktur dargestellt. Die Funktionsstruktur erlaubt das Herunterbrechen der Hauptfunktion in Grundfunktionen, zu denen Wirkprinzipien gesucht werden. Die Wirkprinzipien werden kombiniert, zu Lösungsvarianten (Konzepten) konkretisiert und einer Leistungsabschätzung unterzogen. Anschließend wird ein Konzept zur weiteren Bearbeitung mit Hilfe eines Bewertungsschemas ausgewählt. 7.1 Abstrahieren Beim Abstrahieren sieht man vom Individuellen und Zufälligen ab und versucht das Allgemeingültige und Wesentliche hervorzuheben. [33] Die Abstraktionsphase ist zum Erkennen der Probleme und für den Durchbruch zu ungewohnten Lösungen nützlich, der häufig durch Vorfixierungen blockiert ist. Der Konstrukteur strebt nach dem geringsten Risiko und ist geprägt von Erfahrungen und Vorurteilen. Das Konstruieren für einen anderen Kulturkreis, das Verwenden lokal verfügbarer Materialien und Arbeitsverfahren macht neuartige Kombinationen notwendig, die zu besseren oder anderen Lösungen führen könnten. Das Abstrahieren soll den Weg zu einer solchen Lösung frei machen, indem sich der Konstrukteur systematisch von Vorfixierungen löst und das Allgemeingültige der Aufgabenstellung erkennt. Die Anforderungsliste wurde unter Weglassen gedanklicher Wünsche auf ihre aufgabenspezifischen Bedingungen reduziert, die durch die zentralen Forderungen abgedeckt sind (siehe 6.1). Anschließend wurden alle quantitativen in qualitative Angaben konvertiert, auf ihre Kernaussage reduziert und Erkanntes sinnvoll erweitert. Nach Anwenden der Systematik auf die Anforderungsliste kristallisierten sich folgende Aussagen heraus: Das System soll für einen langen Zeitraum robust ausgelegt sein. Robust heisst: wartungsarm, leicht zu bedienen, hohe Lebensdauer. Das System muss, mit Ausnahme solarer Strahlung, ohne Zusatzenergie eine bestimmte Fermentertemperatur generieren und sie innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls über Tag/Nacht halten. Es sollte auf Niedrigtechnolgie zurückgegriffen werden, da starke Beschränkungen bezüglich Materialien (lokal), Fertigungs- (lokal), Montageverfahren (energielos) sowie Preis gelten. 33

41 7 Konzeption Im letzten Abstraktionsschritt wurden die abstrahierten Informationen zu einem Problem lösungsneutral zusammengefasst. Gesucht wird eine: Satz Robuste, langlebige, unter lokalen Bedingungen fertigbare, günstige, dezentral und regenerativ betreibbare Niedrigtechnologie-Einrichtung zur Wärmeeinbringung in einen Faulschlammbehälter mit integriertem Gasspeicher. 7.2 Funktionsstruktur elektromagnetische Strahlung der Sonne Stoff mit Energie verbinden Gärsubstrat + Wärme Gärsubstrat Datenflüsse Stoffflüsse Energieflüsse Abbildung 7.1: Darstellung des Satzes als Grundfunktion in Blockdarstellung. Legende der Funktionen: E.1 Ist durch den Satz das höchste Abstraktionslevel erreicht, wird sich der konkreten Lösung des Problems mittels einer Funktionsstruktur angenähert. Die Gesamtaufgabe (Satz 7.1.1) wurde in eine Gesamtfunktion umformuliert und nach dem Schema von Pahl/Beitz in Blockdarstellung illustriert (Abb. 7.1) [33]. Sie gibt unter Bezug auf den Energie-, Stoff- und/ oder Signalumsatz lösungsneutral den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße an. Stoffflüsse sind durch dicke Pfeile, Signal- und Energieflüsse durch dünne Pfeile gekennzeichnet. Der Begriff Stofffluss ist missverständlich, da er nicht zwingend einen sich bewegenden Stoff bezeichnet, sondern lediglich, dass ein Stoff Teil einer Funktion ist. Eine Übersicht der verschiedenen Funktionen und deren Blockdarstellung ist in Anhang E.1 zu finden. Die Gesamtaufgabe klammert Teilfunktionen aus und stellt den grundätzlichen Zweck der zu konstruierenden Maschine übersichtlich dar. Das zu konstruierende Heizsystem soll solare elektromagnetische Strahlung in Form von Wärme (Energie) mit dem Gärsubstrat (Stoff) verbinden, um es dadurch auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Im nächsten Schritt wurde die Gesamtfunktion in ihre Hauptfunktionen aufgespalten (Abb.7.2). Nun sind alle zentralen Funktionen mit Bezug auf 34

42 7 Konzeption Daten: Schalten Daten: Kontrolle elektromagnetische Strahlung der Sonne Wandeln Leiten Gärsubstrat Speichern Stoff mit Energie verbinden Gärsubstrat + Wärme Datenflüsse Stoffflüsse Energieflüsse Abbildung 7.2: Darstellung des Satzes als Grundfunktion in Blockdarstellung. Legende der Funktionen: E.1 die Hauptflüsse enthalten. Um aus solarer elektromagnetischer Strahlung einen Wärmefluss zu generieren, muss sie in Wärme umgewandelt werden (Hauptfunktion Wandeln ). Damit die Wärme zum Substrat gelangen kann, muss sie dorthin geleitet werden (Hauptfunktion Leiten ). Die Wärmeeinbringung ist durch die Hauptfunktion Stoff mit Energie verbinden abgedeckt. Der Wunsch nach einem konstanten Temperaturniveau über Tag/Nacht (Anforderungsliste W 5.4), wird duch die Hauptfunktion Speichern berücksichtigt. Um eine Betriebskontrolle zu ermöglichen, werden Daten über den Zustand Leiten ausgelesen ( Daten: Kontrolle ). Um die Maschine Schalten zu können, muss der Nutzer die Daten Schalten in die Anlage einbringen ( Daten: Schalten ). Das nächst niedrigere Abstraktionsniveau ist das Erstellen der Funktionsstruktur. Basierend auf der Zeichenkonvention von Koller ([34]), erweitert durch die von Pahl/Beitz [33], werden die physikalischen Grundoperationen und Funktionen technischer Systeme durch die in Anhang E.1 aufgeführten Symbole dargestellt und mit dünnen Pfeilen (Energieflüsse), dicken Pfeilen (Stoffflüsse) und gestrichelten Pfeilen (Daten) zu einer Struktur verbunden. Es kristallisierten sich mehrere Ansätze von Funktionsstrukturen heraus, deren Unterscheidung im verwendeten Wärmeträger liegt. In der ersten Version wurde eine Wärmeträgerrückführung vorgesehen, während der Wärmeträger der zweiten Version keine Rückführung beinhaltet. Dies Zielt auf eine Wasser- und Luftbasierte Lösung ab. Nachdem die ersten zwei Versionen von Funktionsstrukturen in morphologischen Kästen verarbeitet wurden, stellte sich heraus, dass einige Konzeptideen nicht in die Wasser -bzw. Luft-basierten Funktionsstrukturen passten. Daher wurden die Versionen Feststoff und Licht hinzugefügt. 35

43 7 Konzeption Energie: Elektromagnetische Strahlung der Sonne Sammeln Stoff: Wärmeträger Energie: Bewegungsenergie Daten: Schaltzustand Daten: Schalten Daten: Betriebskontrolle (Nutzer) Stoff: Luft Trennen Wandeln Q Stoff und Energie verbinden V V V V V Stoff und Leiten Schalten Speichern Energie (zeitweises verbinden isolieren/leiten) Stoff von Energie trennen Q Leiten Q Stoff mit Energie verbinden Stoff: Substratgemisch + Energie (Wärme) Stoff: Substratgemisch Energie: Wärmeverlust Abbildung 7.3: Funktionsstruktur Wasser. Eine größere Variante ist im Anhang E.2 zu finden. 36

44 7 Konzeption Funktionsstruktur Wasser Der Hauptfluss der Funktionsstruktur ist gemäß der Hauptfunktionen (Vgl. Abb.7.2) der Energiefluss. Die Eingangsgröße Energie: Elektromagnetische Strahlung der Sonne wird wahlweise gebündelt und anschließend in Wärme gewandelt ( Wandeln ). Um die Wärme in die Biogasanlage zu transportieren wird sie mit einem Wärmeträger wie Wasser verbunden ( Stoff und Energie verbinden ). Wird dadurch der Wärmeträger automatisch bewegt, ist der nächste Schritt nicht notwendig: Stoff (Wärmeträger) mit Energie (Bewegungsenergie) verbinden., ansonsten muss die Funktion durch eine eigenständige technische Lösung erfüllt werden. Anschließend folgt die Funktion Leiten, da der Ort der Wärmeerzeugung ( Wandeln ) und der Ort des zu erwärmenden (unterirdisch gelagerten) Gärsubstrats nicht übereinstimmen. Um den Betrieb der Anlage überprüfen zu können, wird ein Signal an den Nutzer übermittelt ( Daten: Betriebskontrolle ). Die Angabe, ob ein Volumenstrom vorhanden ist, erscheint als eine zuverlässige Methode, den Betriebszustand zu überwachen. Die Funktion Schalten (zeitweises isolieren/leiten) ermöglicht das Ein-/Ausschalten der Anlage durch äußere bzw. menschliche Einflussnahme ( Daten: Schalten ) und ihre Kontrolle ( Daten: Schaltzustand ). Es wurde ein Wärmeträgerspeicher vorgesehen ( Speichern ). Die Reihenfolge der Bausteine des Stoffflusses Wärmeträger ist variabel. Beispielsweise könnte die Funktion Schalten auf vor oder nach demd Speicher verschoben werden. Zudem müsste zwischen den einzelnen Bausteinen immer ein weiteres Mal die Funktion Leiten vorgesehen werden. Davon wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit abgesehen. Im Rückkreislauf des Stofflusses Wärmeträger wurde die Funktion Trennen vorgesehen, um eventuelle Lufteinschlüsse im Flüssigkeitskreislauf herauszufiltern. Da Substrat und Wärmeträger nicht in direktem Kontakt stehen können, muss die Wärme vom Wärmeträger getrennt ( Stoff von Energie trennen ), zum Substrat geleitet ( Leiten ) und übergeben ( Stoff (Substratgemisch) mit Energie verbinden ) werden. Um zu veranschaulichen, dass das Heizsystem Wärmeverluste (grau: Energie: Wärmeverlust ) des Substrates ausgleichen soll, wurde der Substratkreislauf (grau: Stoff von Energie trennen ) illustriert Funktionsstruktur Luft Wird der Stoffkreislauf Wärmeträger offen gestaltet, kann dafür Luft verwendet werden. Daher wurde eine zweite Funktionsstruktur erstellt, die sich nur in der Anordnung der Speicher und dem Fehlen eines geschlossenen Kreislaufes Wärmeträger unterscheidet. Sie ist im Anhang E.3 einzusehen. In der Struktur sind zwei Speichervarianten vorgesehen. Zum einen kann nach der Wandlung der solaren Strahlung, beispielsweise mittels einer großen Masse, Wärme zur Erhitzung der Luft gespeichert werden. Die Speicherung des Wärmeträgers Luft ist dafür nicht zielführend. Insofern wurde der Speicher des Stoffkreislaufes Wärmeträger weggelassen. Zum anderen ist es sinnvoll die Wärme während der Leitung zum Substrat zu speichern ( Speichern 2 ). Die anderen Bausteine sind simultan zur ersten Version angeordnet, daher wird auf deren Struktur nicht ein weiteres Mal eingegangen Funktionsstruktur Feststoff Die Feststoffvariante (siehe Anhang E.4) ist eine vereinfachte Version der Wasservariante. Da hier ein Feststoff verwendet und das System diskontinuierlich betrieben wird, fallen die Funktionen zum 37

45 7 Konzeption Schalten, zur Funktionskontrolle und die Luftabspaltung weg, während der Rest erhalten bleibt Funktionsstruktur Licht Alle drei vorangegangenen Versionen unterliegen dem Prinzip, dass die Sonnenstrahlung überirdisch in Wärme gewandelt und anschließend durch verschiedene Mechanismen auf die tiefere Ebene, dem Fermenter, geleitet wird. Wird die solare Strahlung stattdessen direkt auf die tiefere Ebene geleitet und dort in Wärme umgewandelt, entfällt das aufwendige Abwärtstransportieren der Wärme (siehe Anhang E.5). Die Sonnenstrahlung kann optional gesammelt werden ( Sammeln ). Das Licht wird anschließend zum in der Erde liegenden Fermenter geleitet ( Leiten ). Dort wird es in Wärme umgewandelt ( Wandeln ) und nach Möglichkeit gespeichert ( Speichern ). Anschließend wird die Wärme an das Substrat abgegeben ( Stoff mit Energie verbinden ). Sollte eine Schaltung gewünscht sein, kann diese durch Einflussnahme auf die Funktion Leiten eingebaut werden ( Daten:Schalten ). 7.3 Morphologischer Kasten Funktion Bauteil Verbinden Wirkprinzip 1 Wirkprinzip 2 Wirkprinzip 3 Wirkprinzip 4 Speichern Wirkprinzip 1 Wirkprinzip 2 Wirkprinzip 3 Abbildung 7.4: Prinzipieller Aufbau eines Morphologischen Kastens. Linke Spalte: Untereinander angeordnete Funktionen, Rechte Spalten: Dazugehörige Wirkprinzipien 1-X Nachdem das Gesamtproblem in seine Grundfunktionen aufgespaltet wurde, können voneinander losgelöst verschiedene Wirkprinzipien zur Umsetzung der einzelnen Elementarfunktionen gesucht werden. Der Morphologische Kasten nach Pahl/Beitz bietet eine übersichtliche Zusammenstellung der zugeordneten Wirkprinzipien [33]. Abbildung 7.4 zeigt dessen prinzipiellen Aufbau. Die Matrix stellt eine Sammlung verschiedener technischen Lösungen (Wirkprinzipien) für die einzelnen Funktionen dar, die losgelöst vom Gesamtkonzept gesucht werden. Ist die Übersicht erstellt, können verschiedene Pfade vertikal eingezeichnet werden, welche die Einzellösungen zu einem Gesamtkonzept verbinden. Aus Übersichtsgründen wurden die Morphologischen Kästen in den Anhang gelegt. 38

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