Entwicklung eines Simulationstools zur Optimierung des Betriebs von Biogasanlagen mit alternativen Rohstoffen

Abstract

Im Betrieb von Biogasanlagen ergeben sich auf längere Sicht einige ihre Wirtschaftlichkeit betreffende Probleme, was vor allem auf die immer teurer werdenden Rohstoffe zurückzuführen ist. Ein Schritt, die Biogastechnologie für die Zukunft weiter interessant zu halten, wäre der Umstieg des Rohstoffeinsatzes von agrarischen Primärstoffen auf deren Nebenprodukte wie Stroh und auch Mist. Diese Rohstoffe haben in der Regel einen viel niedrigeren Energiegehalt, weshalb für gleiche Leistung in einer Anlage um vieles mehr an Rohstoff verwendet werden muss und damit der biologische Abbau durch Bakterien sehr stark belastet wird. In dieser Arbeit wurde versucht diese Problematik zu simulieren, jedoch ohne den äußerst komplexen biochemischen Abbauprozess selbst fassen zu wollen, sondern mittels des Prinzips eines Black-Box Modells, aus einem definierten Eingangsstrom entsprechend den Daten der Biogasanlage Launsdorf die gleichen Ausgangsströme zu erhalten. Dazu wurden die an der Anlage verwendeten, aber auch alternative Rohstoffe auf ihren theoretischen und praktischen Methangasinhalt und ihre Elementarzusammensetzung hin analysiert. In die in der Prozesssimulationsumgebung IPSEpro® nachgebildete Anlage wurden die Rohstoffe als Elementarströme eingegeben, wodurch sich das Modell mit Hilfe der Buswell Formel stöchiometrisch den theoretischen Methangasertrag errechnen kann. Zur Beschränkung auf einen realen, durch Ausgastests bestimmten, Methangasertrag wurde den Rohstoffen im Modell zusätzlich eine weitere Eigenschaft, der Biochemical Oxygen Demand (BOD) beigefügt, der die anaerob abbaubare organische Substanz beschreibt.<br />Dieser BOD ist an den in der Abwassertechnik gebräuchlichen Wert für den benötigten Sauerstoff zur Oxidation der organischen Substanz angelehnt.<br />Die Methanproduktivität pro Kubikmeter Fermentervolumen und Tag wurde weiters als P_CH4 [(Nm 3 CH4)/(m 3* d)]=c_BOD*k definiert, wobei c_BODdie BOD-Konzentration im Fermenter und k die aus den Anlagendaten ermittelte Produktivitätskonstante darstellt. Somit bestimmt die BOD-Konzentration, unabhängig vom verwendeten Rohstoffmix, die Abbaugeschwindigkeit und damit die Zustände im Fermenter. Über Simulationen können somit die wichtigen Betriebsparameter wie Raumbelastung, Trockensubstanzgehalt und Effizienz der Anlage in verschiedenen Betriebszuständen und bei unterschiedlichem Rohstoffeinsatz aufgezeigt und dadurch maßgeblich die Möglichkeiten und Einschränkungen eines Betriebs mit alternativen Rohstoffen simuliert werden. Durch Weiterentwicklung könnte dieser Ansatz realistischere Aussagen treffen und somit zu einem nützlichen Werkzeug für Anlagenbetreiber werden.<br />

In operating a Biogas Plant in the long term view occur certain problems with doing this in an economical way, which is mainly due to the high prices of the used agricultural commodities. One way to keep this technology interesting for the future is not to use agricultural primary commodities but to use their side products instead, which can be straw or manure for example. These side products usually have a much lower energy content, what makes it necessary to use a higher amount of them to generate the same output. Staying with a Biogas Plant the same size as before this means higher loadings for the degradation of organic material through bacteria. In this work it was tried to simulate this problem without going into all the biochemical aspects of the degradation, but with using the idea of a Black-Box Model where there is a certain input current and accordant to the data of the Biogas Plant Launsdorf output currents can be calculated. Therefore the really used, but also other usable agricultural commodities were analyzed about their elementary compounding and their potential methane gas contents. In the model of the Biogas Plant Launsdorf, which was constructed in the process simulation environment of IPSEpro®, the commodities were introduced as elementary streams. Out of this the model could calculate the stoichiometric maximum methane gas yields using the Buswell formula.<br />To lower this yield to realistic values the Biochemical Oxygen Demand (BOD) was introduced as a feature of each commodity, which sets its maximum degradability. The BOD was lent from the sewage water treatment technology, which says how much Oxygen is needed to oxidate the content of organic substance. The methane productivity per cubic meter reactor volume and day was defined as P_CH4 [(Nm 3 CH4)/(m 3* d)]=c_BOD*k, where c_BODdescribes the BOD concentration in the fermenter and k is the productivity constant taken from the real plant data. So, for every possible mix of commodities the BOD concentration defines the velocity of degradation and with it the conditions in the fermenter. With the simulation now important operating parameters like room loading, drymatter content and efficiency of the plant can be calculated in different operating conditions and with different mixes of the commodities used. These parameters show the possibilities and limitations when using alternative commodities and operating the plant in maybe unconventional ways. Through further development this approach could give more and more realistic predictions and could so become a useful tool for biogas plant operators.