Entwicklung von Sensortechnik und Grundlagen einer flexiblen lastabhängigen Steuerung der Intermediatbildung in zweiphasigen Biogasprozessen unter Berücksichtigung einer vollständigen Substratausnutzung (Elast2P)

Problemstellung:

Der Ausbau der erneuerbaren Energien und deren steigender Anteil an der deutschen Stromproduktion führen vor allem durch Solarenergie und Windkraft zu verstärkten witterungsbedingten Schwankungen im Stromnetz. Daraus leitet sich ein gestiegener Bedarf an Regelenergie ab, der zur Stabilisierung der Stromnetze benötigt wird. Nur durch die Bereitstellung kurzfristig verfügbarer Regelenergie können zukünftig Bedarf und Produktion elektrischer Energie aufeinander abgestimmt werden. Damit gewinnt die Entwicklung von Produktionsverfahren zur Bereitstellung von elektrischer Regelenergie auf der Basis von erneuerbaren Energieträgern an Bedeutung. Biogas ist ein gut zu speichernder und zu transportierender Energieträger, der bereits heute einen wesentlichen Beitrag zur Stromproduktion leistet. Konventionelle einphasige Biogasanlagen sind jedoch für einen kontinuierlichen Volllastbetrieb optimiert und ermöglichen nur sehr begrenzt Leistungsanpassungen.

Für eine flexiblere Stromproduktion, für die Verwertung von Reststoffen sowie für die Einspeisung des Biogases in Erdgasnetze sind zweiphasige Biogasanlagen besonders geeignet. Durch die Vorschaltung einer Hydrolyse-Phase können ähnliche Biogaserträge erzielt werden wie in einphasigen Systemen – bei deutlich verkürzten Verweilzeiten im Gesamtsystem. Dennoch kann mit dem bisherigen Entwicklungsstand das volle Potenzial dieser Technologie bei weitem noch nicht ausgenutzt werden. Hierzu sind vertiefende und erweiterte Forschungsarbeiten notwendig.

Zielsetzung:

In dem BMBF geförderten Forschungsverbundprojekt „ELAST^2P“ sollen in dem Teilprojekt der Universität Hohenheim zwei wesentliche Schwerpunkte bearbeitet werden:

• die sensorgestützte, lastabhängige Methanproduktion im Methanreaktor und
• die Steigerung der Gesamteffizienz des Verfahrens durch die mechanisch-biologische Aufbereitung des Gärrestes und dessen Rückführung in den Prozess.

Material und Methode:

Die Versuche werden an den kontinuierlichen zweiphasigen Anlagen, mit einem Rührkesselreaktor als Hydrolysefermenter und einem Festbettmethanreaktor, die im Rahmen des FABES Projektes entwickelt wurden durchgeführt. Die Besonderheit dieser Anlage ist, dass der pH‑Wert im Hydrolysefermenter ohne Zugabe von Zusatzstoffen geregelt werden kann. Die durchzuführenden Arbeiten gliedern sich in vier Arbeitspakte:

AP I: Abtrennung der Intermediate im Fermenter:

In zweiphasigen Systemen wird während der primären Gärung zunächst die Biomasse in organische Säuren, Alkohole und gelöste Zuckerverbindungen überführt. Diese wasserlöslichen Verbindungen müssen von den unabgebauten Faserstoffen getrennt werden. Dazu sollen die Einflüsse verschiedener Porengrößen der Filter und Substrate auf die Abtrennung der Intermediate getestet werden.

AP II: Aufschluss der Faserstoffe

Im Rahmen des AP II soll untersucht werden, ob ein mechanisch-enzymatischer Aufschluss der im AP I abgetrennten nicht abgebauten Faserstoffe sich positiv auf deren Abbaubarkeit auswirkt. Nicht abgebaute Faserstoffe bestehen im Wesentlichen aus ligno-cellololytischen Verbindungen, die anaerob nicht abbaubar sind. Unter aeroben Bedingungen können diese jedoch durch Pilze aufgeschlossen werden. Ebenso ist bekannt, dass ein mechanischer Aufschluss die Abbaubarkeit dieser Verbindungen erhöht. Daher werden die nicht abgebauten Faserstoffe zunächst mechanisch mit einer Kugelmühle bei unterschiedlichen Intensitäten zerfasernd aufbereitet und der Einfluss der Aufbereitung durch vergleichende Biogasertragsmessungen in BATCH – Systemen (HBT) untersucht. Anschließend wird ergänzend eine biologische Aufbereitung mittels aeroben Pilzen vorgenommen und der Effekt auf den Biogasertrag der Substrate gemessen. Das Gesamtverfahren wird anschließend in einem zweiphasigen System überprüft.

AP III: Sensortechnik:

Die im AP I gewonnen Intermediate unterscheiden sich in ihrer Konzentration und Zusammensetzung. Um einen lastabhängigen Betrieb des Methanreaktors zu gewährleisten, ist jedoch jederzeit die Kenntnis über die Zusammensetzung des Perkolates erforderlich. Dies kann permanent nur mit Online-Messtechnik erfolgen. In diesem Projekt sollen dazu zunächst zwei verschiedene Sensoren auf ihre prinzipielle Eignung hin getestet werden: Ein NIRS-Sensor und ein neuartiger Sensor auf der Basis eines akustischen Wellenleiters. Diese werden zunächst in einem Teststand geprüft. Das Messsystem mit der besseren Eignung wird auf wesentliche Perkolatparameter kalibriert und anschließend im zweiphasigen System eingebaut, um einen lastabhängigen Betrieb des Methanreaktors zu untersuchen.

AP IV: Echtzeit Steuerung und Regelung

Um eine zeitabhängige und prognostizierbare lastabhängige Produktion des Methanreaktors zu gewährleisten, muss die Beschickung des Systems mit mathematischen Modellen gekoppelt werden, so dass erwünschte zukünftige Ereignisse mit dazu notwendigen zeitversetzten Aktionen gekoppelt werden können. Dazu müssen zunächst die entsprechenden Modelle vom Projektpartner G-CSC entwickelt werden. Um diese Modelle für eine Online-Steuerung verwenden zu können, müssen diese mit aktuellen Messwerten gekoppelt werden. Dazu ist ein Zugriff auf die Sensoren und Aktoren des Systems einzurichten und anschließend eine entsprechende Regelstrategie zu entwickeln. Diese wird anschliesend in dem zweiphasigen Laborsystem getestet.