Regelung der Substratzufuhr von Biogasanlagen Ein Review

Transkript

1 Workshop Steuerung, Regelung und Simulation von Biogasanlagen Regelung der Substratzufuhr von Biogasanlagen Ein Daniel Gaida, Christian Wolf, Michael Bongards Leipzig,

2 Inhalt Optimale Substratfeed-Regelung? Regler Eigene Arbeiten zum Thema

3 Optimale Feed-Regelung für eine landwirtschaftliche BGA: Methan Sollwert Regelung Randbedingungen: Ökonomie Ökologie Stabilität Inputstoffe sind keine Abfälle! Regler mir unbekannt Abbildung rechts: Antonelli, R., Harmand, J., Steyer, J.-P., and Astolfi, A. (2003) Set-point regulation of an anaerobic digestion process with bounded output feedback. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 11(4),

4 Optimale Feed-Regelung für eine Abfall vergärende BGA: CSB Minimierung im Ablauf Randbedingungen: Maximierung Durchsatz Stabilität Ökonomie Geringe hydraulische Verweilzeiten möglich! Regler bekannt García-Diéguez, C., Molina, F., and Roca, E. (2011) Multi-objective cascade controller for an anaerobic digester. Process Abbildung Biochemistry, rechts: 46(4), Méndez-Acosta, H. O., García-Sandoval, J. P., González-Álvarez, V., Alcaraz-González, V., and Jáuregui-Jáuregui, J. a Dimitrova, (2011) Regulation N. and Krastanov, of the organic M. (2009) pollution Nonlinear level in adaptive anaerobic control digesters of a model by using of off-line an uncertain COD measurements. fermentation process. Bioresource International Journal technology, of Robust 102(17), and Nonlinear Control, 20(9),

5 Weitere Aspekte Robustheit Adaptivität Abbildung oben: Petre, E., Selişteanu, D., and Şendrescu, D. (2013) Adaptive and robust-adaptive control strategies for anaerobic wastewater treatment bioprocesses. Chemical Engineering Journal, 217(null),

6 Weitere Aspekte Robustheit Adaptivität Messtechnischer Aufwand d dt k qm Dt * ( ) ( ) ( ) Dt () = k Q () t Q Dt () D Dt () D > 0 qm ch4 ch4 max min -1 ( ) Verdünnungsrate [1/ d ] Q t m d 3 ch4( ) Methanproduktion [ / ] Q Methansollwert [ m / d] * 3 ch4 Vgl.: Antonelli, R., Harmand, J., Steyer, J.-P., and Astolfi, A. (2003) Set-point regulation of an anaerobic digestion process with bounded output feedback. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 11(4),

7 Weitere Aspekte Robustheit Adaptivität Messtechnischer Aufwand Dynamik time (h) Abbildung rechts: Hilgert, N., Harmand, J., Steyer, J.-P., and Vila, J.-P. (2000) Nonparametric identification and adaptive control of an anaerobic fluidized bed digester. Control Engineering Practice, 8(4),

8 Regler Stellgröße others 14% dilution rate 86% 119 Publikationen Zhou, H., Li, H., and Wang, F. (2012) Anaerobic digestion of different organic wastes for biogas production and its operational control performed by the modified ADM1. Journal of environmental science and health. Part A, Toxic/hazardous substances & environmental engineering, 47(1),

9 Regler Methode advanced 34% on/off 5% PID 16% linearizing 17% expert system 28% 135 Publikationen

10 Linearizing Control Abbildung, vgl.: Bastin, G. and Dochain, D. (1990) On-line Estimation and Adaptive Control of Bioreactors (Process Measurement and Control, 1), Amsterdam, Elsevier Science

11 Linearizing Control et () d et () + Ct () et () = 0 dt mit Ct ( ) > 0 und Regelabweichung et ( ) Lösung der DGL: ( ) et ( ) = exp Ct ( ) e(0)

12 Linearizing Control nichtlinear hohe Dynamik nicht per se robust optional: adaptiv Modell-basiert robust Abbildung rechts: Petre, E., Selişteanu, D., and Şendrescu, D. (2013) Adaptive and robust-adaptive control strategies for anaerobic wastewater treatment bioprocesses. Chemical Engineering Journal, 217(null),

13 Regler Größe der Biogasanlage Fermentervolumen: lab-scale: l pilot-scale: m³ full-scale: > 10 m³ simulation only 43% lab-scale 40% full-scale 1% pilot-scale 16% 133 Publikationen

14 Regler Substrate Landwirtschaft 6% Feststoffe 1% Abwasser 93% 108 Publikationen

15 Regler - Fazit Reglerkonzepte für Abwasservergärung weit fortgeschritten für landwirtschaftliche BGAs und feste Abfälle ausbaufähig Stabile Methansollwert Regelung fehlt Nur wenige full-scale Applikationen Nur wenige objektive Reglervergleiche Batstone, D. J. and Steyer, J.-P. (2007) Use of modelling to evaluate best control practice for winery-type wastewaters. Water Science & Technology, 56(2), 147. Steyer, J. P., Bernard, O., Batstone, D. J., and Angelidaki, I. (2006) Lessons learnt from 15 years of ICA in anaerobic digesters. Water Science & Technology, 53(4-5), 25. Strömberg, S., Possfelt, M. O., and Liu, J. (2012) Computer simulation of control strategies for optimal anaerobic digestion. Water science and technology : a journal of the International Association on Water Pollution Research, 67(3),

16 Regler - Fazit Reglerkonzepte für Abwasservergärung weit fortgeschritten für landwirtschaftliche BGAs und feste Abfälle ausbaufähig Stabile Methansollwert Regelung fehlt Nur wenige objektive Reglervergleiche Batstone, D. J. and Steyer, J.-P. (2007) Use of modelling to evaluate best control practice for winery-type wastewaters. Water Science & Technology, 56(2), 147. Steyer, J. P., Bernard, O., Batstone, D. J., and Angelidaki, I. (2006) Lessons learnt from 15 years of ICA in anaerobic digesters. Water Science & Technology, 53(4-5), 25. Strömberg, S., Possfelt, M. O., and Liu, J. (2012) Computer simulation of control strategies for optimal anaerobic digestion. Water science and technology : a journal of the International Association on Water Pollution Research, 67(3),

17 Regler Konzept Real-time optimization

18 Regler Konzept Real-time optimization Zustandsbasierte Substratmix Optimierung Methan Sollwert-Regelung

19 Modellbasierte Regelung der Substratzufuhr Reglerstruktur Biogasanlage Nichtlineare modellbasierte prädiktive Regelung (NMPC) Zustandsschätzer Substratzufuhr [m³/d] Messgrößen Schätzung des Zustandsvektors u y ˆx

20 Praxis: Pilot-Biogasanlage

21 Zusammenfassung & Ausblick Wenig geeignete Regler für landwirtschaftliche BGAs bekannt Mehr Reglervergleiche an Benchmarkmodellen durchführen! Wenige Veröffentlichungen von Reglern im industriellen Maßstab it is mandatory to couple control laws with an advanced diagnosis scheme. It is felt that it is the only possible way for achieving successful optimisation of AD processes at industrial scale [Batstone, D. J., Gernaey, K. V., and Steyer, J. P. (2004) Instrumentation and Control in Anaerobic Digestion in 2nd IWA Leading-Edge Conference on Water and Wastewater Treatment Technologie. London, IWA Publishing, ]

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die wissenschaftlichen Arbeiten wurden durchgeführt am Standort :metabolon, dem Lehr- und Forschungszentrum der Fachhochschule Köln. Das Projekt wird kofinanziert mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung.