Minimierung des Energieverbrauchs von Rührwerken in Biogasfermentern mittels CFD Methoden

Abstract

In Österreich gab es im Jahr 2009 341 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 94.5MW. Diese Anlagen haben in diesem Jahr 524.51GWh in das Stromnetz von Österreich eingespeist (laut Energie-Control GmbH, OeMAG). Wenn es gelingt, den Wirkungsgrad der Biogasanlagen von momentan 20% um nur 1% zu erhöhen, könnten damit etwa 3300 t/a CO2 eingespart werden (bezogen auf den spezifischen Ausstoß von Emissionen eines GuD (Gas - und Dampfturbinenkraftwerk) Kraftwerks mit 50% Wirkungsgrad). Wenn einfache Maßnahmen zur Effizienzsteigerung von Biogasanlagen entwickelt werden können, ist das ein nennenswerter Beitrag Österreichs zur Erreichung der Kyoto-Ziele und der Ziele des EU Klimaschutzpaketes 2020. Die Rührwerke in Biogasanlagen verbrauchen etwa 30 - 40% des elektrischen Eigenenergiebedarfs einer Anlage. Die restliche Energie konsumieren die Fördereinrichtungen, Zerkleinerungsanlagen und die Gasmotoren. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Rührwerken um deren Energieverbrauch zu reduzieren. Um dieses Potential aufzudecken, wurde mit Einsatz von CFD Methoden die Strömung im Inneren solcher Fermenter untersucht. Dabei lag besonderes Augenmerk auf der Untersuchung des Fermenters auf Totzonen und Kurzschlussströmungen. Um die Ergebnisse mit realen Fermentern vergleichen zu können, wurden zwei unterschiedliche Biogasanlagen ausgewählt und deren jeweiliger Hauptfermenter simuliert und vermessen. Die Simulationsergebnisse wurden den Daten aus den Prozessleitsystemen der Anlagen gegenübergestellt, um sie zu verifizieren.<br />Da bei Strömungssimulationen die Randbedingungen und die Stoffeigenschaften immer eine entscheidende Bedeutung haben, mussten rheologische Messungen, rockensubstanzmessungenund Dichtemessungen an den Fermenterinhalten vorgenommen werden. Die Fermenterinhalte unterzog man auch einer Partikelgrößenanalyse. Da für die Bestimmung der nicht-Newtonschen Viskosität von Fermentationsflüssigkeiten noch kein geeignetes Rheometer zur Verfügung stand, wurde ein solches geplant, gebaut und kalibriert. Mit Hilfe dieses Viskosimeters konnten die rheologischen Eigenschaften bestimmt werden.<br />Insbesondere der hohe Anteil von Grasschnitt in einer der Anlagen verursachte eine besonders hohe Viskosität und ein stark ausgeprägtes nicht-Newtonsches Verhalten. Diese Ergebnisse lieferten die Grundlagen der Stoffdaten im Simulationsmodell. Es sind mehrere Fälle gerechnet worden, in denen die Drehzahl der Rührwerke variiert wurde. Die simulierte Leistungsaufnahme wurde mit der tatsächlichen Leistungsaufnahme verglichen. Die Ergebnisse zeigen klar, dass in den beiden untersuchten Anlagen ein Potential von 30 - 40% zur elektrischen Energieeinsparung besteht. Damit kann der Gesamtwirkungsgrad von Biogasanlagen auf etwa 30 - 35% gesteigert werden. Ein Vergleich der Messungen mit den Simulationen zeigt, dass die numerischen Modelle sehr zuverlässige Resultate liefern. Daher wurden noch zusätzliche Fermenter von zwei weiteren Unternehmen simuliert, um die beste Konfiguration für die Rührwerksaustattung zu finden. Bei den zusätzlich simulierten Fermentern handelt es sich um die neuesten Entwicklungen der beiden Firmen Thöni (Thöhni Industriebetriebe GmbH) und AAT (Abwasser- und Abfalltechnik GmbH). Für die beiden bestehenden Anlagen wurden Verweilzeit- und Mehrphasensimulationen durchgeführt. Die Verweilzeitfunktionen wurden durch Experimente direkt an den Anlagen verifiziert. Die Mehrphasensimulation dient dazu die Einmischprozesse in den Fermentern auch numerisch untersuchen zu können.<br />Mit diesen Ergebnissen lassen sich Biogasanlagen schon in der Planungsphase optimal gestalten. Die Wirkungsgradverbesserung um 15% in allen bestehenden Biogasanlagen in Österreich könnte damit zu einer CO2 Einsparung von theoretisch 50000 t/a führen. DieseArbeit hat damit deutlich gezeigt, dass ein großes Potential besteht, die Rührtechnik in Biogasanlagen effizienter zu machen.<br />

In Austria 341 biogasplants were in operation in the year 2009 with an installed capacity of 94.5MW. These plants produce 524.51GWh electric power which is fed to the Austrian power grid. The actual efficiency of a biogas plant is 20 %. Increasing the efficiency by only 1% allows to save 3300 t/a CO2 (compared to the emission of a modern combined cycle power plant with an efficiency of 50 %). If it is possible to increase the efficiency of biogas plants in operation this could be an substantial contribution to the Austrian commitments in the Kyoto Protocol. To find the potential of possible savings the flow in these fermenters was investigated using CFD methods. The focus was layed on finding possibilities to reduce the energy consumed by the stirring devices in biogas plants using CFD methods.<br />Todate the stirring devices consume 30%- 40% of the electricity used in these plants. The numerical results should be compared to existing biogas digesters. Therefore, two established biogas plants were chosen to evaluate the numerical results. The main digesters of these plants were simulated and the results were compared to the data from the plant's PCS (process control system).<br />Since the boundary conditions are essential for CFD simulations, the material properties of the slurries were also a part of the investigations. The rheological behaviour, the dry substance content, and the density were measured and used as material properties in the numerical simulation.<br />A part of this work was also the design and construction of a new type of viscosimeter. This viscosimeter should be able to measure the rheological properties of the slurries used in biogas digesters. The results show that the slurries in both plants have a non-Newtonian behaviour, in particular a pseudoplastic behaviour. Although both viscosities show a large difference because of the different content and different shape of the particles.<br />The high amount of cutted grass used in the biogas plant in Strem leads to a distinct non-Newtonian behaviour. These results were implemented in the numerical simulations. Several cases were simulated varying the rotation speed of the paddle stirrers. This should lead to a minimal rotation speed the stirrers can work with. From the volumetric velocity distribution it could be concluded that a good mixture of the digesters could be ensured for suffciently high rotation speeds. The results show that there is a potential of about 30 - 40% of energy savings. This can increase the efficiency of the investigated biogas plants up to 30 - 35 %.The simulations were compared to the measured data. An important outcome of the project is that CFD can provide reliable results of the mixing process in such digesters. Therefore simulations of other plants were carried out. These plants were in the planning phase at this time of the project. The simulations should provide the plant engineers with information about the best stirrer configuration and the optimal stirrer speed in the new plants.<br />For both existing plants a hydraulic residence time simulation and a multiphase simulation were performed.<br />The retention time determination was also performed as an experiment directly in the digesters and the results were compared to the simulation afterwards. To divide the digester slurries in different phases a procedure was developed. The properties of these different phases were measured and then implemented in the multiphase simulation.<br />With these boundary conditions the multiphase simulations were performed. Using these results modern biogas plants can already be optimized in the planning phase. With the efficiency increased by 15% an amout of 50000 t/a CO2 savings could be reached theoretically. This work was able to show that there is a large potential to optimize biogas plants with a valuable contribution to Austria's effort to protect the environment.