Teilprojekt: Prozessmodell für Biogasanlagen

Projekttitel:

Entwicklung eines Prozessmodells für Biogasanlagen

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Claus Werninger, Fachhochschule Flensburg

Dipl.-Ing. Heike Hampel

Projektbeginn:

Oktober 2006

Projektbeschreibung:

Die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage hängt ganz wesentlich von der Produktivität der beteiligten Mikroorganismen ab, die innerhalb des Prozesses unterschiedliche Aufgaben erfüllen. In diesen Prozessketten werden intermediär Produkte gebildet, die als Substrate weiter verbraucht werden. Die quantitative Erfassung dieser Intermediären in Abhängigkeit von der Zeit ermöglicht die Entwicklung eines Prozessmodells, das es erlaubt, Produkterträge aus Anfangszuständen zu prognostizieren und den komplexen Fermentationsprozess zu regeln.

In der Literatur gibt es vielfältige Untersuchungen über die Kinetik der Biogasbildung in Abhängigkeit von Art und Menge jeweils aktuell vorhandener Substrate und der physikochemischen Umgebungsbedingungen, die überwiegend aus dem Bereich Abfall und Abwasser stammen. Vornehmliche Aufgabe wird es sein, geeignete Prozessmodelle auf den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen zu adaptieren. Besonders aussichtsreich dafür dürfte sich das neu entwickelte Anaerobic Digester Model (ADM1) erweisen, das von einer Arbeitsgruppe der International Water Association (IWA) vorgestellt wurde. Dieses Modell soll als Ausgangspunkt der theoretischen Prozessbeschreibung zur Prozessmodellierung herangezogen werden.

Das ADM1 umfasst die modellhafte Beschreibung der vier konsekutiven Fermentationsstufen.

Dies sind in Kürze:

• Die Disintegration der partikulären Substrate in die Makromoleküle (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) und Inerte
• Die Hydrolyse der Makromoleküle in Grundbausteine (Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren,…)
• Die Versäuerung der Grundbausteine mit oder ohne Zwischenschritt zur Essigsäure und
• Die Methanbildung mit dem Nebenprodukt Kohlenstoffdioxid

Das Modell ist damit umfassender als etliche frühere Prozessmodelle, die sich auf eine Beschreibung des Prozesses ausgehend von einer gelösten Schlüsselkomponente beschränkten (Stufen 3 und 4). Das ADM1 arbeitet mit 26 Variablen, die die Biomassekonzentration verschiedener Spezies, die Substratkonzentration auf den Stufen sowie die Elektrolytkonzentration beschreiben. Im Rahmen dieses Vorhabens wird ideal gerührtes Fermenterverhalten vorausgesetzt.

Im Vorhaben wird zunächst das ADM1 mit dem gegebenen Parametersatz auf moderner Standardsoftware implementiert, damit eine dynamische Berechnung des Prozessverhaltens möglich ist. In Zusammenarbeit mit dem Projekt zur Vergärung von verschiedenen „Energiesubstraten“ für die Biogaserzeugung soll der Modellentwurf des ADM1 für Biogasanlagen überprüft und neue Parameter für den Biogasprozess abgeleitet werden. Schließlich wird das Vorhaben in dieser Phase damit abgeschlossen, die Betriebspunkte realisierter Biogasanlagen nachzufahren und kritische Transienten aufzuzeigen.