Biogas die Energie der Zukunft - Trends und aktuelle Forschung. Dipl.-Ing. Christian Wolf

Transkript

1 Biogas die Energie der Zukunft - Trends und aktuelle Forschung

2 Gummersbach Environmental Computing Center Automation Environmental engineering Computer Science Biotechnology

3 Das GECO C TEAM Das GECO C Team besteht zur Zeit aus 15 Ingenieuren, Informatikern und Biologen. Wir entwickeln Innovationen in der Umwelttechnik : Regelung, Simulation und Optimierung von: Kläranlagen Kanalnetzen Biogasanlagen

4 Das GECO C TEAM

5 Agenda 1 Erneuerbare Energien in der EU und in Deutschland 2 Einführung in die Biogastechnologie 33 Aktuelle Forschung im Biogasbereich 4 Zukunftsperspektiven 5

6 Erneuerbare Energien in der EU 1 Erneuerbare Energien in der EU a EU Richtlinie zur Förderung Erneuerbare Energien 3 b Erneuerbare Energien in Deutschland 3 b c Biogas in Deutschland 6

7 Erneuerbare Energien in der EU EU Richtlinie Die Europäischen Staatschefs unterzeichneten im März 2007 eine Richtlinie, die verlangt, dass 20% des Energieverbrauchs in 2020 EU-weit durch Erneuerbare Energien, inklusive Biomasse, Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie gedeckt werden sollen. Die EU Richtlinie vom April 2009 gibt für jeden EU-Mitgliedsstaat individuelle Zielzahlen vor. 30. Juni 2010: Deadline für die EU Staaten, um ihre Nationalen Erneuerbare Energien Aktionspläne vorzulegen. 7

8 Erneuerbare Energien in der EU EU Richtlinie 8

9 Erneuerbare Energien in der EU Biogasproduktion in der EU - Stand

11 Erneuerbare Energien in der EU EE in Deutschland Duetschland muss 18% des gesamten Energieverbrauchs bis 2020 durch EE decken. In 2008 machen Erneuerbare Energien 9.5% des gesamten Energieverbrauchs aus. Erneuerbare Energien wuchsen in 2008 um 0% und 13% im Durchschnitt pro Jahr zwischen Deutschland setzt in erster Linie auf Energie aus Biomasse, Biotreibstoff und Windenergie. 11

12 Erneuerbare Energien in der EU EE in Deutschland 12

13 Portion of Renewable Energy [%] Erneuerbare Energien in der EU EE in Deutschland Renewable Energy Contribution to Gross Energy in Germany 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,

15 Erneuerbare Energien in der EU Biogas in Deutschland 15

16 Erneuerbare Energien in der EU Biogas in Deutschland Anteil am Biogasanlagenbestand Anteil an der Installierten elektrischen Gesamtleistung Bayern Baden- Niedersachsen Nordrhein- Hessen Schleswig- Meckl.-Vorp. Sachsen Brandenburg Sachsen-Anhalt Thüringen Rheinland-Pfalz Saarland B / HB / HH 1,9 1,6 2 1,6 1,7 1,4 1,9 1,7 1,3 1,5 0,7 1 0,2 0,3 4 5,9 5,4 5,6 5,5 5,2 8 9,3 14,9 17,2 19, , Biogasanlagen in % 16

17 Erneuerbare Energien in der EU Biogas in Deutschland Source: 17

18 Erneuerbare Energien in der EU Biogas in Deutschland 18

20 Energie aus Biomasse Possibilities and Technologies 20

21 Einführung in die Biogastechnologie Schema einer landwirtschaftlichen BGA 21

22 Einführung in die Biogastechnologie Anaerobe Faulung Anaerobe Faulung findet unter Ausschluß von Sauerstoff statt. Organisches Material wird von unterschiedlichen Bakterien zersetzt. Das Endprodukt ist Biogas, das sich aus folgenden Gasen zusammensetzt: Methan (CH 4 ) Kohlendioxid (CO 2 ) Wasserstoff (H 2 ) Schwefelwasserstoff (H 2 S) 22

23 Einführung in die Biogastechnologie Der Abbauprozess 23

24 Einführung in die Biogastechnologie Typischer Aufbau eines Fermenters Zwei Phasen innerhalb des Fermenters flüssige Phase (1000 m³) Gasphase (300 m³) (typische Daten für 300 KW Anlage) Die Temperatur ist immer konstant. Es gibt drei mögliche Temperaturbereiche: psychrophil 25 C mesophil C thermophil > 45 C Fermenter werden regelmäßig gerührt. 24

25 Einführung in die Biogastechnologie Unterschied Nass-, Trockenfermentation Der Trockensubstanzgehalt innerhalb des Fermenters macht den Unterschied. Nassfermentation TS < 15% Trockenfermentation TS > 25% Nassfermentation kommt am häufigsten vor. Wo liegen die Probleme der Trockenfermentation? 25

26 Gülle Hühnertrockenkot Mais Roggen Einführung in die Biogastechnologie Mögliche Substrate Gras, Rasenbegleitgrün Zuckerrüben Bioabfall, Speisereste Kartoffelschalen, etc. 26

28 Aktuelle Forschung im Biogasbereich 13 Aktuelle Forschung im Biogasbereich a Innovative Online-Messtechnik 3 b Simulationsmodelle zur Optimierung 28

29 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Wo ist der Bedarf? 29

30 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Wo ist der Bedarf? 30

31 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Was sind die Ziele und Wünsche? maximale Anlagenausnutzung + stabiler Fermentationsprozess Simulation diverser Substratkombinationen, um deren Auswirkungen abzuschätzen Fütterungsregelung in Abhängigkeit des Fermentationsprozesses Früherkennung von gefährlichen Zuständen Verbesserung der Anlageneffektivität 31

32 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Optimierungsansätze biologische Optimierung des Fermentationsprozesses Erhöhung der Biogasproduktion durch zusätzliche Bakterienstämme Fällung von Hemmstoffen Regelungstechnische Optimierung des Fermentationsprozesses Erprobung neuer Messtechnik zur Prozessanalyse und beobachtung Entwicklung intelligenter Regelungsstrategien 32

34 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Online-Messtechnik ist eine Voraussetzung für effiziente Prozessüberwachung und optimierung. Die Entwicklung von Online-Messtechnik für den Biogasbereich steckt immer noch in den Kinderschuhen. Online-Messtechnik, die innerhalb des Fermenters eingesetzt werden kann, gibt es kaum. (Warum?) 34

35 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Wichtige Parameter Biogasmenge Substratzufuhr Temperatur im Fermenter Ammonium-Stickstoff ph Organische Säuren TS, ots Biogaszusammensetzung Carbon-Pufferkapazität Redoxpotential 35

36 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Online-Sonden der Firma Endress & Hauser ph Redoxpotential TS 36

37 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik ph Sonde Plastikelektrode mit Gel gefüllt. Digitale Datenübertragung über induktive Kontakte 37

38 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Redox Sonde Robuste Platinelektrode für aggressive Umgebungen oder Goldelektrode für geringere TS-Gehalte

39 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik TS Sonde Sehr robuste Edelstahlsonde Messung des TS-Gehaltes über Lichtreflexion

40 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Testinstallation Installation der Endress & Hauser Sonden an einer landwirtschaftlichen BGA in Vreden.

41 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Hach-Lange ph Redoxpotential TS Sonde

42 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Test auf der Leppe

43 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Test auf der Leppe

44 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik Nach 4 Wochen

45 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik UV-Spektroskopie UV/vis spektroskopische Sonden messen die Absorption von ultraviolettem und sichtbarem Licht zwischen 200 und 750nm. Aus der Intensität der Absorption kann die Konzentration unterschiedlicher Substanzen in Flüssigkeiten bestimmt werden. Der Spalt zwischen Lichtquelle und Detektor ist sehr klein 1mm, so dass hohe TS- Konzentrationen Probleme verursachen. Speziell für die Messung hat die FH eine automatische Messeinrichtung + Verdünnungseinheit entwickelt.

46 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Online-Messtechnik UV-Spektroskopie

47 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Unterschiedliche Absorptionen von Essigsäure

48 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Einteilung unterschiedlicher Säurekonzentrationen in Klassen CLASS Acetic Acid concentration [g/l] 0 1,1-1,4 1 1,5-1,8 2 1,9-2,2 3 2,3-2,6 4 2,7-3,0 5 3,1 -

49 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Automatische Zuordnung von Messungen zu einer Klasse über CI-Methoden given SVM predicted [%]

50 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Veröffentlichung der Messtechnik auf internationaler Konferenz in China

51 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Zusammenfassung Online-Messtechnik Zuverlässige Online-Messtechnik gibt es, aber oft zu teuer! Die Online-Bestimmung von organischen Säuren ist von zentraler Bedeutung für die Überwachung des Biogasprozesses. Viele Online-Sonden halten den mechanischen Belastungen in Biogasanlagen nicht Stand. Es gibt noch viel zu tun!

53 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Simulation von Biogasanlagen Modell Sunderhook Ergebnisse Substrate Kalibrierung Feed Ergebnisse Optimierung Anlagendaten Maasland Main Fermenter 2nd Fermenter Modell Maasland Weiteres Vorgehen Energy for Pumps and Heating BHKW 1 & 2 Biogas Analysis Energie balance 53

54 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Simulation von Biogasanlagen Schwere Betriebsstörungen

55 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Vorteile einer Simulation Ertragraten verschiedener Substrate können simuliert werden. Produktion von Hemmstoffen kann von vornherein abgeschätzt werden. Berücksichtigung unterschiedlichster Umgebungsfaktoren und interner Prozessparameter. Beurteilung von Hand ist nicht möglich!

56 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Zusammenbruch der Biogasproduktion

57 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Simulation von Biogasanlagen Optimierung der Substratzufuhr Variation der zugeführten Substrate: Mischungsverhältnis optimieren gesamte Substratmenge minimieren Bewertungsfunktion für die Optimierung: Abbaurate des Substrates Biogasmenge Biogasqualität TS-Gehalt Energieverbrauch

58 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Simulation von Biogasanlagen Optimierung der Substratzufuhr Parameter zur Beurteilung der Substratzufuhr Substratabbau D s Energieverbrauch E Biogasqualität G q und -menge G a Faulraumbelastung L d Strafen für zu hohen ph-wert (P ph ), zu hohe Substratmengen (P s ) oder Verletzung der TS-Grenzen (P TS ) Parameter werden unterschiedlich gewichtet und bestimmen zusammen die sog. Fitness einer Lösung. f c1d c 5L s d c c 2 6 E c P ph 3 G c q 7 P c s 4 G c 8 a P TS

59 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Optimierung der Substratzufuhr auf eine Anlagenleistung von 750KW

60 Aktuelle Forschung im Biogasbereich Simulation von Biogasanlagen Zusammenfassung Simulationsmodelle sind sehr gut für Optimierungs- und Testzwecke geeignet. Optimierung von Biogasanlagen kann durchgeführt werden ohne den Anlagenbetrieb zu gefährden. Die Verwendung von Optimierungsmethoden wie PSO und GA in Verbindung mit einem Simulationsmodell ist ein effektiver Ansatz zur Prozessoptimierung. Substratzufuhr kann deutlich reduziert werden, bis zu 20%. Energiekosten können reduziert werden. Der Biogasprozess bleibt stabil.

62 Zukunftsperspektiven Erneuerbare Energien sind in der EU und besonders in Deutschland erwünscht und werden stark gefördert. Der Markt wächst rasant. Der Biogasmarkt und der Waste-to-Energy Markt boomt und ist immer mehr auf innovative Messtechnik und Optimierungsmethoden angewiesen. Biogas ist ideal zur Nutzung organischer Abfälle und Energiepflanzen zur Energieproduktion. Hohe Abhängigkeit des Marktes der Erneuerbaren Energien vom Gesetzgeber. Die Nutzung von Simulationsmodellen ist die Zukunft der Anlagenoptimierung und regelung.

63 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!