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Automatisierte Prozessführung von Biogasanlagen auf Basis der Online-Massebilanzierung der Prozesssubstrate und Gaserträge (Teilvorhaben 2)
Projekt
Förderkennzeichen: 22000809
Laufzeit: 01.06.2009
- 31.12.2011
Fördersumme: 116.058 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Aufgabenbeschreibung:
Bei der Vielzahl von Anlagenkonzepten in der Biogasbranche können keine vereinheitlichten Prozessführungsstrategien (PFS) entwickelt werden. Über die Online-Charakterisierung der Produktströme bezüglich organischer Anteile und ihrer Bilanzierung ist aber ein prinzipieller Ansatz für PFS möglich. Auf Basis einer Inline-Bestimmung der Stoffströme und Massebilanzen und unter Verwendung von Datenbanken mit Informationen zum Konvertierfaktor von organischer Trockensubstanz (oTS) zu Biogas in Abhängigkeit von Zeit und Stoffgemisch soll eine dynamische PFS entwickelt werden, welche eine übergreifende Branchenlösung ermöglicht. Grundlage bildet die Weiterentwicklung vorhandener Mikrowellen- (MW-) Sensorik zur Adaption an unterschiedliche Einsatzorte für den Messbereich von 2 - 90% TS für verschiedene Materialien einschließlich adaptierbarer Kalibrationsroutinen. Um große Praxiswirksamkeit zu erreichen, soll das zu entwickelnde Modell neben einer Steuerungsfunktion zur Substratzudosierung auch Kennwerte enthalten, die dem Nutzer den aktuellen Prozessstatus und eine Prozessvorhersage ermöglichen. Verfahrenskennwerte: a) TS /oTS Zuspeisung, im Reaktor, Output TS/oTS, Reaktorbelastung b) Verweilzeit, c) Prozessstrombedarf kWh und Gasausbeute, d) optimale Ausbeute (optimales Verhältnis Verweilzeit/Raumbelastung) oder optimaler Wirkungsgrad), Ertragskennwerte: a) kWh el./t oTS, l CH4/kg oTS bzw. l Biogas/kg oTS, b) Substratkosten (€/d), Kosten/Leistungsrechnung pro Zeiteinheit, c) Anteile der Energieerzeugung aus den Einzelsubstraten,Effizienzkennwerte: a) Vergleich theoretische und Ist -Gaserzeugung, -CH4-Ertrag, Stromerzeugung, b) Modul zur Prozessvorhersage, c) modellhafte Variation der Inputanteile zur Rezepturanpassung, Steuerfunktionen: Signalausgabe zum regelungstechnischen Eingriff über die Inputsteuerung. Die Arbeitsplanung kann den beiliegenden Planungsunterlagen entnommen werden. Die Ergebnisverwertung erfolgt gemäß den beiliegenden Planungsunterlagen
Ergebnisdarstellung:
Im Rahmen eines Verbundprojektes zwischen dem Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V., Heilbad Heiligenstadt und der hf sensor GmbH, Leipzig, wurde ein neu entwickeltes modulares Mikrowellen- (MW-) Messsystem zur Bestimmung des Trockensubstanz-, des organischen Trocken-substanz- und des Wasseranteils von Biogassubstraten für eine Online-Massebilanzierung weiterentwickelt und an drei Biogasanlagen getestet. Dabei erfolgte die Verifizierung, Implementierung und Optimierung der Sensortechnik zur Massebilanzierung als Grundlage für ein modellbasiertes Berech-nungsinstrument, welches durch Ausgabe von aktuell 32 Kennziffern u.a. Aussagen zur energetischen Substratumsetzung und zum Auslastungsgrad von Biogasanalgen ermöglicht. Der entwickelte Model-ansatz kann für die zukünftige Ausrüstung von Biogasanlagen mit weiteren prozesstauglichen und robusten Messsystemen mit geringem Aufwand erweitert werden. Durch ein breit angelegtes Messprogramm wurden die Funktionsweise der MW-Sensorik und des Berechnungsmodells nachgewiesen. Weiterhin wurden wichtige Erkenntnisse über die Vorbereitung und Installation der Sensoren und ihrer notwendigen messtechnischen Verknüpfung mit Steuersignalen zur Dosierung und Durchmischung gewonnen, um eine verbesserte Signalinterpretation und Kalibration zu ermöglich. Die Forschungsergebnisse sind auf andere Messsysteme übertragbar und bilden die Grundlage für praktische Nutzung und Vermarktung. Trotz der Vielzahl von Anlagenkonzepten in der Biogasbranche kann über die Online-Charakterisierung der Produkt- und Energieströme eine vereinheitlichte Prozessführungsstrategie entwickelt werden. Bei der Umsetzung des Berechnungsmodells wurde Wert auf eine kostengünstige Realisierung gelegt, um eine einfach anpassbare Nachrüstung in bestehende SPS-Steuerungen von Biogasanlagen zu ermöglichen.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik
- Nachwachsende Rohstoffe
