Modellierung und Steuerung von NAWARO-Biogasanlagen unter Einsatz einer innovativen online Messmethode (NIRS)

Durch die zunehmende Inbetriebnahme neuer Biogasanlagen nach Einführung des novellierten  EEG besteht immer dringender die Notwendigkeit den biologischen Prozess in den Biogasanlagen überwachen und gezielt steuern zu können. Im Rahmen der Zukunftsoffensive IV wurde die Bioenergie-Forschungsplattform Baden-Württemberg gegründet. Als Teilprojekt, dem Cluster „Unterer Lindenhof“ zugeordnet, betreut die Universität Hohenheim ein Forschungsprojekt zur

Im Rahmen der Zukunftsoffensive IV wurde die Bioenergie-Forschungsplattform Baden-Württemberg gegründet. In einem Teilprojekt untersucht die Universität Hohenheim ein innovatives Online-Messsystem für NawaRo-Biogasanlagen. Dabei wird auf die Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie (NIRS) zurückgegriffen. Die Untersuchungen werden gefördert durch das Ministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Ländlichen Raum mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg.

Zielsetzung

Zur Überprüfung der Prozessstabilität in Biogasanlagen werden die Gehalte an flüchtigen Fettsäuren und die Pufferkapazität als Indikatoren herangezogen. Diese Daten werden momentan mittels Probenahme aus dem Fermenter und anschließender Laboranalyse gewonnen. Dies ist enorm zeitaufwändig und kann im Fall von Prozessstörungen ein rechtzeitiges Eingreifen verhindern und den gesamten Biogasprozess zum Erliegen bringen. Ziel des Forschungsprojektes ist die Weiterentwicklung eines Online-Messsystem auf Basis der Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie (NIRS), um künftig Prozessschwankungen im Fermenter unmittelbar erfassen zu können.

Material und Methoden

Die Kalibration des NIR-Messsystems erfolgt in zwei 400 Liter Labor-Biogasfermentern, mit jeweils einem Sensor im mesophil und im thermophil betriebenen Fermenter. Die NIRS-Sensoren werden auf die substratspezifischen Parameter (flüchtige Fettsäuren, TS-Gehalt und FOS/TAC-Wert) kalibriert. Dazu macht man sich die physikalisch-optischen Merkmale des Substrates zunutze. Das Maß an Absorption, respektive an Reflexion der substratspezifischen Inhaltsstoffe gewährt direkte Rückschlüsse auf die Konzentrationen der zu untersuchenden Parameter. Über Laboranalysen in Kombination mit den parallel aufgezeichneten Spektren errechnet man über eine statistische Auswertung ein NIRS-Schätzmodell (Abb. 1). Mit Hilfe einer  multivariaten Datenanalyse über „support vector regression“ werden Kalibrationsmodelle für die verschiedenen Parameter entwickelt und getestet. Die besten Modelle sollen später die Konzentrationen an flüchtigen Fettsäuren unbekannter Proben anhand von Online-Spektren schätzen. Im Falle von Schwankungen im Biogasprozess kann somit rechtzeitig eingegriffen werden.

Basierend auf der direkten Verfügbarkeit der Daten wird in einem Kooperationsprojekt mit der Universität Stuttgart (ISWA) eine Regelungsstrategie entwickelt und modellbasiert auf ihre Eignung hin überprüft. Die gezielte Regelung des Prozesses soll den Anlagenbetrieb vereinfachen und durch die Gewährleistung eines sicheren Betriebszustands sowie durch die automatische Einstellung eines gewünschten Betriebsniveaus den Prozess optimieren.

Im Rahmen der Zukunftsoffensive IV wurde die Bioenergie-Forschungsplattform Baden-Württemberg gegründet. In einem Teilprojekt untersucht die Universität Hohenheim ein innovatives Online-Messsystem für NawaRo-Biogasanlagen. Dabei wird auf die Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie (NIRS) zurückgegriffen. Die Untersuchungen werden gefördert durch das Ministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Ländlichen Raum mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg.