Entwicklung einer Regelungsstrategie f. den Anaerobprozess am Beispiellandwirtschaftlicher Biogasanlagen | -
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Bisher hat sich gerade im Bereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen, aber auch bei Abfallvergärungsanlagen, keine automatische Regelung des Prozesses als gängiges Verfahren durchgesetzt. Durch den verstärkten Ausbau des Biogassektors mit dem vorrangigen Ziel der Energiegewinnung und mit den begrenzten Potenzialen in diesem Bereich rücken aktuell zunehmend auch Entwicklungen zur verbesserten Nutzung der vorhandenen Potenziale in den Vordergrund. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit unter Zuhilfenahme von Prozesssimulationen mit dem Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1) eine Strategie zur Regelung des Biogasprozesses auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen entworfen und an Simulationen sowie anschließend im Versuch getestet. Neben der Optimierung nach betreiberseitiger Vorgabe wurden auch Handhabbarkeit, Automatisierung, Ressourceneffizienz, Sicherheit bezüglich der Prozessstabilität, sowie günstige und einfache Umsetzung als Zielsetzungen formuliert. Methodisch wurden die Vorteile modellbasierter Entwicklung genutzt. So erlaubte die Verwendung des Prozessmodells nach der Kalibrierung die Entwicklung, die Einstellung und Probedurchläufe verschiedener Regelungskonzepte, vorerst ohne kosten-, aufwands-, und zeitintensive Versuchsreihen. Im weiteren Verlauf des iterativen Entwicklungsprozesses wurden Betriebsversuche an drei verschiedenen, täglich beschickten Fermentern im Labor und im halbtechnischem Maßstab durchgeführt. Ausgehend von der Erläuterung der Prozesszusammenhänge und den Simulationshintergründen wird die entwickelte Regelungsstrategie für den Biogasprozess vorgestellt. Als Grundlage wird auf konventionelle Regler (PI, PID) zur Regelung der Methanproduktion anhand der Beschickungsmengen zurückgegriffen. Diese Regelung ist einem wissensbasierten Teil des Konzepts zur angepassten Führung und zur Überwachung des Prozesses untergeordnet. Letztendlich wird mittels der Regelungsstrategie auf einen betreiberseitig vorgegebenen Zielwert der Methanproduktion eingestellt. Für den wissensbasierten Teil der Regelung wurden Prozesszustandskategorien zusammengestellt, auf deren Basis Entscheidungen über den weiteren Regelungsverlauf getroffen werden. Zur Bestimmung des Prozesszustands ist die Erfassung relevanter Prozessparameter erforderlich. In diesem Zuge wird insbesondere von innovativen Messverfahren in der Entwicklung (wie der Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie) ausgegangen, die direkte Verfügbarkeit der benötigten prozessbeschreibenden Informationen angenommen und diese mit eingebunden. Durch ein Anlegen der Regelungsstrategie an das Prozessmodell kann die Regelung untersucht, eingestellt und auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Kalibrierung des Prozessmodells auf drei Versuchsfermenter dargestellt. Anschließend werden Simulationen des Regelungsverlaufs erläutert. Um die Praxistauglichkeit des Regelungskonzepts sicherzustellen und Fehler, sowie Störungsanfälligkeiten beim Regelungsentwurf frühzeitig zu erkennen, werden insbesondere Simulationen mit Störungsbeaufschlagung durch zufällig verteilte, systematische und einzelne Fehler einbezogen. Betriebsversuche an den drei Versuchsfermentern mit Arbeitsraumvolumina von 36,6 und 400 Litern liefern Daten aus dem praktischen Betrieb über jeweils mehrere Wochen. Die Ergebnisse der Regelungssimulationen und der Betriebsversuche aus dem iterativen Entwicklungsprozess werden ausführlich dargestellt, ausgewertet und diskutiert. Zudem werden Ansätze zur Anpassung und Weiterentwicklung der Regelungsstrategie formuliert und an einem Simulationsbeispiel weiter ausgeführt. Mit den Betriebsversuchen konnten die Entwicklungen und Simulationsergebnisse weitgehend bestätigt werden, wobei großtechnische Umsetzungen noch ausstehen. Folglich wird abschließend weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt.

Von Institut für Siedlungswasserbau, Universität Stuttgart, Daniel Löffler: Bisher hat sich gerade im Bereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen,aber auch bei Abfallvergärungsanlagen, keine automatische Regelung desProzesses als gängiges Verfahren durchgesetzt. Durch den verstärktenAusbau des Biogassektors mit dem vorrangigen Ziel der Energiegewinnungund mit den begrenzten Potenzialen in diesem Bereich rücken aktuellzunehmend auch Entwicklungen zur verbesserten Nutzung der vorhandenenPotenziale in den Vordergrund. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmender vorliegenden Arbeit unter Zuhilfenahme von Prozesssimulationen mitdem Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1) eine Strategie zur Regelungdes Biogasprozesses auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen entworfenund an Simulationen sowie anschließend im Versuch getestet. Neben derOptimierung nach betreiberseitiger Vorgabe wurden auch Handhabbarkeit,Automatisierung, Ressourceneffizienz, Sicherheit bezüglich derProzessstabilität, sowie günstig...