Mobile Versuchsanlage VESBA zur Optimierung von Biogasprozessen - Herausforderungen bei der Praxiseinführung

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1 Das Vorhaben wird bearbeitet von Gefördert durch: Projektträger: Mobile Versuchsanlage VESBA zur Optimierung von Biogasprozessen - Herausforderungen bei der Praxiseinführung FKZ-Nr.: 03KB045A Programmbegleitung: Jens Zosel, A. Klockow, M. Schelter, W. Oelßner, M. Mertig Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.v. Meinsberg P. Zimmermann, TEB Ingenieurbüro, Berlin Workshop Vom Labor in die Praxis, 9. September in Leipzig Aktueller und zukünftiger Forschungsbedarf Prozesscharakterisierung und optimierung mit Originalsubstraten: übertragbar und zeitnah Selektive und zuverlässige online erfassbare Messparameter zur Beurteilung der Prozessstabilität Erschließung aller nutzbaren biogenen Rest- und Abfallstoffe für die anaerobe Vergärung Energetische Nutzung von Biomassen aus der Landschaftspflege, agroindustriellen Reststoffen und Bioabfällen zur Treibhausgas(THG)- Minderung ohne Flächenkonkurrenz Zeitnahe Erkennung von Schwankungen der Substratqualität Adaptive Biogasproduktion als zukünftige technologische Anforderung: Substratverfügbarkeit Energieeinspeisung 2

2 Neue Ansätze Online-Messung von H 2, NH 3 und flüchtigen Fettsäuren in der Flüssigphase: Probleme: - Hohe H 2 S-Konzentration - Hohe Viskosität - Biofilm-Bildung auf Sensoroberflächen - Querempfindlichkeiten durch hohe Variabilität der Substrate und Mikroorganismen Modellbasierte Fuzzy-Regelungen auf der Grundlage aller online bestimmten Parameter Fernüberwachung verschiedener Anlagen durch Expertensysteme Komplettcharakterisierung vor Ort 3 Die VESBA, wesentliche Parameter Winterfester, klimatisierter Container Außenliegende Anschlüsse für Ver- und Entsorgung Steuerung: SPS mit Fernwartungsmöglichkeit Gärvolumen: ca Liter Flexible Dosierung fester, breiiger und flüssiger Substrate Automatische Festsubstratdosierung mittels Schneckenförderung zu beliebigen Zeiten Gärverfahren: meso- oder thermophil Bisher installierte Messparameter: o Gasphase: CH 4, CO 2, H 2, H 2 S, O 2, Volumenstrom o Flüssigphase: H 2 gelöst, VFA gelöst, Redoxpotential, ph Wert, Temperatur, Gasdruck, Füllstand, Schaum, Dichte 4

3 VESBA: Schema Technische Daten: Fermenter: Inhalt [m³] Temperaturbereich [ C] Rührwerksdrehzahl [min 1] Substrate Beschickung von außen Dosierung Schaumbekämpfung flüssig und fest alle 2 3 Tage Güllepumpe, Eindrückschnecke Sprüh Aerosol im Headspace Steuerung: SPS WAGO 750 Fernüberwachung GSM Router Mechanische Komponenten Pneumatik mit Onboard Kompressor Container: Elektroanschluss: Maße: Gewicht: 400 V; 16/32 A 6 x 2,5 x 3 m 4,5 t 5 VESBA: praktische Ausführung 6

4 Sensoren und Steuerung 7 Heizung und Schaumdusche Zweipunktregelung mit erheblicher Hysterese während der Anfahrphase Neu entwickelte Schaumerkennung und bekämpfung, Installation nach erster Schaumbildung 8

5 Fütterung im ersten Langzeittest Steigerung des HTK Anteils von 27 auf 49 Masse % Wasserdosierung durch Schaumbekämpfung Kurzzeitige Unterbrechung am Ende der Kampagne wegen Stromausfall 9 Wasserstoffpartialdrücke Verlauf von Gelöst H 2 Partialdruck sowie Methan und H 2 Volumenstrom im Biogas während der Startphase bei ungünstig begrenzter Zweipunkt Regelung der Heizung. Mikroben im Headspace bauen Wasserstoff ab! 10

6 1. Messkampagne im Feld Verlauf von CH 4 Volumenstrom und Wasserstoffpartialdrücken im Biogas sowie im Substrat während des Langzeitversuches neben einer Biogas Großanlage. 11 Schaumerkennung und -bekämpfung Typischer Tagesverlauf des Signals des Schaumsensors während der Phase der HTK Steigerung. Zuverlässige Schaumbekämpfung Kombinationsmöglichkeiten mit schaumvermeidenden Präparaten wird z.z. untersucht 12

7 Raumbelastung und Substratdichte Verlauf der Dichte des Gärsubstrates und der Raumbelastung mit organischer Trockensubstanz in der VESBA während des 1. Langzeit Feldversuches. Dichteschwankungen um mehr als 10 % 13 Kinetik der Headspace-Entschwefelung Grüne Punkte: Fütterung von 1 L Gülle Orangene Punkte: Fütterung von 1,1 kg Mais Silage und 0,1 kg Roggenschrot Ausschnitt aus der Langzeitmessung der 2. Kampagne Peakartiger Anstieg von O 2 führt zu sofortiger biochemischer H 2 S Oxidation, Depot Wirkung! 14

8 Erfahrungen bei der Praxiseinführung Bislang noch kein Produkt verkauft Mehrere Anfragen führten vor allem wegen der Kosten nicht zu einem Abschluss. Weitere Forschungsvorhaben auf der Basis der VESBA: - Langzeituntersuchungen an Sensoren zur Messung von O 2 und H 2 S im Headspace - Schaffung von Ganzzell-Sensoren zur Messung von VFA und Spurenelementen Erfolgreiche Abschlüsse zu Teilsystemen der VESBA, vor allem Messsysteme für H 2 und VFA 15 Administrative und technische Voraussetzungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung der VESBA Optimierungsproblem vor Ort, das ohne die VESBA nicht zufriedenstellend gelöst werden kann Professionelle technische Betreuung vor Ort für: - regelmäßige Fütterung und - visuelle Kontrolle aller technischen Systeme und einfache Wartungsarbeiten Durchschnittlicher Zeitaufwand für die Betreuung: ca. 0,5 h pro Tag Kontinuierliche Auswertung der Versuchsergebnisse durch einen Sachverständigen mit umfangreichen Erfahrungen zu Biogasprozessen mikrobiologischen Abbauvorgängen Frei verfügbare Netzwerkverbindung mit mind. 1 Mbit/s Frei zugänglicher Aufstellort in der Nähe der Großanlage Einfache Entnahmemöglichkeit des Fermentersubstrates für fliegenden Start 16

9 Zusammenfassung / Ausblick Völlig neue experimentelle Möglichkeiten durch mobile Versuchsanlagen Hohe Flexibilität vor allem für Untersuchungen an Anlagen zur Verwertung von Rest- und Abfallstoffen wichtig Hohe Betriebssicherheit ermöglicht kurzfristige Aussagen zum Prozess und einen langzeitstabilen Betrieb ohne die sonst üblichen Fehlerquellen Unterbrechungsfreier, automatisierter Betrieb über mehr als ein Jahr bislang gezeigt Weiterentwicklung der Anlagentechnik und automatisierung Weiterentwicklung der Online-Sensorik zur Messung der VFA, der Substratviskosität und der Gaszusammensetzung Untersuchungen weiterer Fragestellungen zur Messtechnik und zum Prozessverhalten 17 Danksagung Das dieser Arbeit zugrunde liegende Vorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags unter dem Förderkennzeichen 03KB045A. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren, die für die Förderung danken. Die Autoren danken weiterhin Herrn Kohlhaas und Herrn Krause, Bioenergie Büstedt GmbH & Co. KG, Velpke, sowie Herrn Seela, elbe bioenergie GmbH, Stendal, für die ausgezeichnete Betreuung der VESBA während des ersten Feldversuches, Herrn Dr. Winterberg, CORDES + WINTERBERG GbR, Biederitz, für die prozesstechnische Betreuung beim ersten Feldversuch, Herrn Busch, Reinsdorfer Agrargenossenschaft, für die vielfältige Unterstützung beim zweiten Langzeiteinsatz sowie der IT Dr. Gambert GmbH, Wismar, für die Bereitstellung von Sauerstoff- und Schwefelwasserstoffsensoren. Danke für Ihre Aufmerksamkeit 18