DE102014113413B3

DE102014113413B3 - Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage und Regelungseinrichtung

Info

Publication number: DE102014113413B3
Application number: DE102014113413.3A
Authority: DE
Inventors: Tim Forkmann; Karsten Krieg
Original assignee: Danpower GmbH
Current assignee: Danpower GmbH
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage, wobei die Biogasanlage eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage und eine Regelungseinrichtung.
Hintergrund
Bei der Biogaserzeugung, die auch als Fermentation bezeichnet wird, wird unter anaeroben Bedingungen Substrat zu Biogas, organischen Reststoffen und Wärme umgewandelt. Das Substrat besteht hauptsächlich aus Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten. Die Biogaserzeugung ist durch vier Teilschritte gekennzeichnet, welche von unterschiedlichen Bakterien beeinflusst sind. Die Einzelheiten der Biogaserzeugung sind bekannt.
Ein Steuerungs- und Regelungsverfahren für Biogasanlagen ist in dem Dokument EP 2 559 750 A1 offenbart. Es wird eine Massenbilanz der Zulauf- und Ablaufströme des Fermenters bestimmt. Die Regelgrößen (Futtermittelparameter) werden im Labor ermittelt. Zusätzlich können Parameter des Substrats mittels Nahinfrarotspektroskopie bestimmt werden.
Das Dokument DE 10 2006 053 863 A1 offenbart eine Steuerungsmethode für eine Biogasanlage anhand von Zielgrößen. Mittels eines Simplex-Algorithmus werden die Zielgrößen optimiert.
Der Stand der Technik hat den Nachteil, dass die Ermittlung von Regelgrößen sehr lange dauert, oft mehrere Tage. Die Regelgrößen werden nur alle paar Tage oder Wochen bestimmt. Eine Anpassung der Biogasanlage erfolgt daher zeitverzögert.
Zusammenfassung
Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zum Regeln einer Biogasanlage zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie die Regelungseinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage offenbart. Die Biogasanlage weist eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage offenbart mit einer optischen Messeinrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der optischen Messeinrichtung datentechnisch gekoppelt ist. Die optische Messeinrichtung ist ausgelegt, mittels einer optischen Messung einen Substratparameter eines Substrats zu bestimmen, das einem Fermenter der Biogasanlage zugeführt wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist ausgelegt, einen Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom anhand des bestimmten Substratparameters zu ermitteln, den Erwartungswert mit einem Sollwert für den Gasvolumenstrom zu vergleichen und eine Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einzustellen.
Die optische Messeinrichtung kann ausgelegt sein, den Substratparameter on-line, also in Echtzeit, zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Anpassung der Substratzufuhr ebenfalls in Echtzeit und eine bedarfsgesteuerte Fütterung der Anlage. Mittels der optischen Messeinrichtung können ein oder mehrere Substratparameter bestimmt werden.
Bei der Zufuhr des Substrats können die Menge und / oder die Zusammensetzung des Substrats eingestellt werden. Das Substrat kann Getreide, Maissilage, Gülle (z.B. Rindergülle, Schweinegülle) und Kosubstrat aufweisen. Einige substratspezifische Parameter sind im Folgenden benannt: Die Frischmasse FM ist die Substratmasse in seiner Ausgangsform. Diese enthält vor allem Rohwasser und Trockenmasse. Die Trockensubstanz TS enthält alle energiehaltigen Bestandteile des Substrates. Die Trockensubstanz enthält einen verbrennbaren und einen nicht verbrennbaren Anteil. Als Rohasche (XA) wird der Anteil bezeichnet, welcher nicht-verbrennbar ist. Die organische Trockensubstanz (oTS) ist die Differenz zwischen der Trockensubstanz und der Rohasche (oTS = TS – XA). Des Weiteren kann das Substrat Rohprotein (XP), Rohfett (XL), Rohfaser (XF), Rohlignin und Stärke (XS) enthalten.
Es kann vorgesehen sein, dass ein aus dem Fermenter abgeführter Anteil des Substrats dem Fermenter als Rezirkulat erneut zugeführt wird, wobei weiterhin ein Rezirkulatparameter des Rezirkulats mittels der optischen Messeinrichtung bestimmt wird und der Erwartungswert für den Gasvolumenstrom unter Berücksichtigung des Rezirkulatsparameters ermittelt wird.
Die Zufuhreinrichtung kann eine Anmischeinrichtung aufweisen, beispielsweise einen Kreis-Dissolver. Ein erster optischer Sensor der optischen Messeinrichtung kann in einer der Anmischeinrichtung vorgelagerten Leitung angeordnet sein. Mittels des ersten optischen Sensors kann der Substratparameter und, wenn vorhanden, der Rezirkulatparameter bestimmt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass als Substratparameter und / oder als Rezirkulatparameter ein Parameter aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: fermentierbare organische Trockensubstanz, Rohfaser, Rohprotein, Rohlignin und stickstoffreiche Extraktstoffe.
Die Zufuhreinrichtung kann eine Fördereinrichtung aufweist, beispielsweise eine Steigschnecke. In der Fördereinrichtung kann ein zweiter optischer Sensor der optischen Messeinrichtung angeordnet sein. Mittels des zweiten optischen Sensors kann ein Mischungsparameter des Substrats bestimmt wird. Ausgehend von dem Mischungsparameter kann das Mischungsverhältnis des zugeführten Substrats optimiert werden.
Die optische Messeinrichtung kann als Nahinfrarotspektroskopie(NIRS)-Messeinrichtung gebildet sein. Nahinfrarotspektroskopie ist eine physikalische Analysentechnik auf Basis der Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts. Die Nahinfrarotspektroskopie basiert wie andere Schwingungsspektroskopien auf der Anregung von Molekülschwingungen durch elektromagnetische Strahlung im (nahen) Infrarotbereich. Bei der NIRS findet die Detektion im nahen Infrarot (760–2500 nm bzw. ca. 13.000–4.000 cm^–1) statt. In diesem Bereich befinden sich Oberton- bzw. Kombinationsschwingungen der Molekülgrundschwingung aus dem mittleren Infrarot. Die Oberton- und Kombinationsbanden werden bei der Analyse von Proben nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen werden vorher Datensätze mit bekanntem Gehalt bzw. bekannten Konzentrationen des interessierenden Stoffes erstellt (Kalibrierung).
Für den Erwartungswert kann ein Energiegehalt, ein Biogasbildungspotenzial und / oder ein Methanbildungspotenzial bestimmt werden.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Substrat kontinuierlich zugeführt wird und die Zufuhr des Substrats kontinuierlich eingestellt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mittels der optischen Messeinrichtung ein Prozessparameter bestimmt wird, der einen Fortschritt der Fermentation des Substrats wiedergibt. Der Prozessparameter kann das Verhältnis zwischen den flüchtigen organischen Säuren (FOS) und dem totalen anorganischem Kohlenstoff (TOC) sein. Hiermit ist eine zusätzliche Prozesskontrolle der Fermentation ermöglicht. Konstante FOS/TAC-Werte weisen auf eine gute Biogasbildung hin.
Der Betrieb der Biogasanlage mittels des Regelungssystems ist sehr wartungsarm. Es sind keine langwierigen Erfahrungen des Anlagenbetreibers mehr notwendig, da der Gasertrag nicht mehr von Hand berechnet werden muss, sondern durch das Verfahren und Regelungssystem selbstständig ermittelt wird. Weiterhin ist ein Silagewechsel viel leichter adaptierbar, da die Fütterung beispielsweise nach dem FoTS-Gehalts der Substratgemische fungiert. Sollte ein Silagewechsel stattfinden, ändert sich die Fütterungsperiode automatisch.
Die vorgenannten Merkmale des Verfahrens können in analoger Weise auf die Regelungseinrichtung übertragen werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer NIRS Messung,
2 eine Ausführungsform eines NIRS-Messsystems,
3 eine Energiebilanz im Fermenter,
4 ein Fermentermodell für Matlab/Simulink,
5 ein Switchmodell zum Umschalten der Gasertragsberechnungen,
6 eine Energiebilanz und Anbindung an den OPC-Server,
7 ein Modell zur Energiebedarfsberechnung eines Fütterungszyklus,
8 ein Modell zur Berechnung des Energieertrages von Gülle,
9 ein Modell zur Energiebedarfsberechnung des BHKW, der Fackel und des Gärrestspeichers und
10 ein Modell zur Berechnung der Anzahl an Zyklen nach der Energiebilanz.
Die Biogasanlage teilt sich in drei Betriebseinheiten auf. Die erste Betriebseinheit umfasst Annahme, Pufferung und Substratzufuhr. Die zweite Betriebseinheit umfasst den Fermenter und den Gärrestspeicher. Die dritte Betriebseinheit umfasst das BHKW, die Fackel, die Fernwärmeanbindung und die Stromeinspeisung.
Erste Betriebseinheit: Annahme, Pufferung und Substratzufuhr
In der ersten Betriebseinheit werden die zu vergärenden Stoffe (Schweine- oder Rindergülle, Getreide, Mais, Rezirkulat und Wasser) angenommen. Die Gülle wird aus dem Annahmebehälter eingebracht. Im Annahmebehälter ist eine Befüll- und Entnahmemöglichkeit für Gülle montiert. Die jeweilige Pumpmenge an Gülle wird unter Festlegung des Mischungsverhältnisses bestimmt. Über die trocken aufgestellte Pumpe wird die Gülle aus dem Annahmebehälter dem Anmischbehälter (Kreis-Dissolver) zugeführt, der auf Wiegezellen steht. Der Kreis-Dissolver ist entscheidend für eine effektive Anmischung des Substrates.
Bei Erreichen der errechneten Menge wird der Pumpvorgang gestoppt. Die Annahme der Maissilage erfolgt über die in dem Betriebsgebäude befindliche Feststoffannahme mit Schubboden, Reizwalzen und Querförderschnecke. Über eine Stopfschnecke wird die Maissilage in den Kreis-Dissolver geführt. Als Überfüllschutz wird ein Drehflügelwächter eingesetzt.
Ist der Aufgabebereich überfüllt, werden alle Antriebe des Aufgabeförderers abgeschaltet. Erst nach Unterschreiten des Grenzfüllstandes werden zuvor abgeschaltete Antriebe wieder zugeschaltet. Erforderliche Faulsuspension wird dem Rezirkulationsschacht mit der Pumpe entnommen und dem Mischbehälter zugeführt. (Silage-)Wasser wird mittels der Tauchmotorpumpe aus dem Silagesaftschaft entnommen. Sollte dieser leer sein, wird Wasser aus dem Brunnen mittels der Tauchmotorpumpe dem Kreis-Dissolver zugeführt. Aus dem Getreidesilo wird mithilfe einer geschlossenen Förderspirale über die Hammermühle dem Mehlvorlagebehälter Mehl zugeführt. Das Mehl wird dann aus der Mehlvorlage über die Förderschnecke dem Kreis-Dissolver zugeführt. Nach dem Einbringen des letzten Materials wird das gesamte Gärsubstrat in dem Kreis-Dissolver homogenisiert. Die vollständige Homogenisierung des Gemisches dauert ca. 2 Minuten. Die Dauer der Homogenisierung ist über das Prozessleitsystem einstellbar. Ist der Rührvorgang beendet, wird das Gärsubstrat mittels der Exzenterpumpe in den Fermenter überführt.
Kreis-Dissolver
Für die Anmischung und den Aufschluss der Substrate in der Biogasanlage dient der Kreis-Dissolver (KD), beispielsweise der Firma Envitec AG.
Der Kreis-Dissolver ist ein 3 m³ großer Behälter, in dem ein Schneidmesser sowie ein auf der gleichen Welle befestigter Rührerflügel durch einen 75 kW Motor angetrieben wird. Die Drehzahl bei der maximalen Leistung des Motors liegt bei ca. 1000 l/min. Während der Mischung innerhalb des Kreis-Dissolvers tritt ein sogenannter Doughnut-Effekt (ähnlich wie in einer Küchenmaschine) auf, welcher eine schnelle Untermischung des Maises und des Getreides ermöglicht.
Die Feststoffe werden nach unten gezogen und von dem Schneidmesser aufgeschlagen und aufgeschlossen. Durch den Aufschluss der Substrate sollen die Mikrobakterien die Substrate besser desintegrieren. Zusätzlich wird das Substrat durch den Aufschluss homogenisiert. Durch den Kreis-Dissolver ist eine Substrateinsparung durch höhere Gasausbeuten ermöglicht. Weiterhin wird Rührwerksleistung im Fermenter eingespart und durch die höhere Fermenterauslastung kommt es zu kürzeren Verweilzeiten. Der Kreis-Dissolver startet bei einem minimalen Füllgewicht von 1800 kg und hat ein maximales Füllgewicht von 3200 kg. Die optimale Füllhöhe während der Fütterung liegt bei einem Freibord von ca. 380 mm nach dem Vermischen der Substrate und einer Mischzeit von ca. 2 Minuten. Der Rührerflügel sollte vollständig bedeckt sein, da sonst keine vollständige Einmischung des Maises erfolgt. Der Abstand vom Anfang der Welle bis zum Rührerflügel des Kreis-Dissolvers ist daher von großer Bedeutung. Der Abstand beträgt beispielsweise 62,5 cm.
Es ist eine Anpassung des Restgewichtes nach dem Auspumpen des Substrates auf 250 kg notwendig, um eine vollständige Einmischung der Substrate zu erreichen. Die vorschriftsgemäße Befüllung des Kreis-Dissolvers ist von großer Bedeutung, da es zum kompletten Ausfall der Anlage kommen kann, falls der Mais nicht vollständig eingerührt wird. Ursache dafür ist, dass sich der Mais aufstapelt und in der Steigschnecke komprimiert wird. Die Schnecke kann sich nicht mehr weiter drehen und nach kurzer Zeit wird der Motorschutz der Steigschnecke aktiviert. Ändert sich der Trockensubstanzgehalt vom Mais, muss sein Massenanteil innerhalb des KD angepasst werden, damit der TS-Gehalt des frisch angerührten Substrates nicht über 13.5% kg TS steigt (Sicherung der Pumpfähigkeit).
Zweite Betriebseinheit: Fermentation und Gärrestlager
Die Fermentation ist ausgeführt als volldurchmischter Durchlaufreaktor im mesophilen Tempertaturbereich zwischen 40°C und 42°C. Hierfür ist der Fermenter vorgesehen. Die Substratzufuhr erfolgt über eine Substratleitung, die oberhalb des Flüssigkeitsniveaus im Fermenter endet. Die Zufuhr ist abhängig von der Steuerung des Pumpvorgangs. Der Fermenter enthält drei höhenverstellbare Rührwerke. Das Gärvolumen des Fermenters beträgt 1990m³. Der Fermenter verfügt weiterhin über einen 350m³ großen Gasspeicher. Der Gasdruck innerhalb des Gasspeichers wird kontinuierlich gemessen. Die Temperatur des Fermenters wird mithilfe der Fermenterheizung konstant gehalten. Zur internen Entschwefelung wird Luft durch ein Luftgebläse dem Fermenter zugeführt. Am Probenahmehahn des Fermenters ist eine pH-Wert-Sonde installiert. Sie ist Teil des Regelungssystems. Entsprechend der zugeführten Substratmengen (Volumen) wird ein korrespondierendes Volumen an Gärresten über eine in der Gärflüssigkeit eingetauchte Überlaufleitung in den Gärrestspeicher geleitet. Für das Anmischen des Gärsubstrates im Anmischbehälter wird eine Faulsuspension aus dem Rezi-Schacht benötigt. Die Gärrestpumpe beschickt den Gärrestspeicher. Über eine Biogaspendelleitung ist der Gärrestspeicher mit dem Fermenter verbunden. Auch der Gärrestspeicher verfügt über eine Gasdruckmessung. Die Befüllung des Rezi-Schachtes erfolgt über eine separate Überleitung mit Tauchung in den Fermenter. Die Faulsuspension wird dem Kreis-Dissolver über die Substratpumpe zugeführt. Der Rezi-Schacht, mit einen Füllvolumen von ca. 1,5m³ ist ausgeführt als PEHD-Behälter mit Dämmung und Aluminiumblechverkleidung.
Dritte Betriebseinheit: BHKW
Die Betriebseinheit BHKW enthält eine Gasanalyse, beispielsweise von Awite. Die Gasanalyse bestimmt die Volumengehalte an CH₄, H₂S und O₂ des Biogases. Nach der Gasanalyse wird das Biogas in einen Gasverdichter verdichtet und zur Fackel oder zum BHKW geführt. Zur Bilanzierung der Biogasstoffströme ist ein Ultraschall-Volumenstrommessgerät (FIC Fackel) installiert, beispielsweise der Firma E+H, zur Bestimmung des Gasverbrauchs der Fackel in der Biogasleitung zur Fackel.
Die Fackel hat eine Leistung von 1600 kW. Das BHKW (beispielsweise der Firma Jenbacher) hat eine Leistung von 625 kW und verfügt über eine Leistungsmessung und einen Kilowattzähler. Das im BHKW verbrannte Abgas wird einem Thermoreaktor zur Nachverbrennung zugeführt. Die elektrische Leistung des BHKW wird über einen Generator ins Netz eingespeist. Die Wärme des BHKW wird über einen Wärmetauscher zum Fernwärmenetz und zur Fermenterheizung geführt. Die nicht verwendete Wärme geht über einen Tischkühler.
Optische Messeinrichtung
Als optische Messeinrichtung kann beispielsweise ein TENIRS-Messsystem der Firma m-u-t Agri Solution GmbH (m-u-t) verwendet werden. m-u-t verfügt über einen großen Datenpool von Referenzdaten, die genauere und stabile Kalibrierungsmodelle ermöglichen. Die Datenbank enthält u. a Daten über Mais- und Grassilage (NaWaRo's), Gülle und Fermenterinhalte (wie z.B. FOS/TAC, TS und oTS). Das NIR-Spektrometer hat ein Wellenlängenspektrum von 1000 nm bis 1700 nm. Eine Zentraleinheit ist mit zwei Messköpfen mit Saphir-Messfenstern verbunden, die mit faser-optischen Kabeln mit dem NIR-Spektrometer verbunden werden. Das NIR-Spektrometer hat eine Auflösung von ca. 16 nm. Das NIRS-System ist an das Prozessleitsystem mittels Profibus angebunden. Das Messsystem wird für die Werte von TS, oTS und FoTS für die Substrate Mais, Rezirkulat, Gülle und das frische Substratgemisch kalibiriert. Zur Prozesskontrolle der Biogasanlage erfolgt eine weitere Kalibrierung des Prozessparameters FOS/TAC im Rezirkulatstrom. Zur Kalibrierung des NIRS-Messsystems werden Proben gezogen und im Labor analysiert. Es werden zusätzlich zu der Kalibration jährlich 12 Referenzproben analysiert (jeden Monat eine Probe). Das NIRS-Messsystem kann bis zu 20 Messungen pro Minute durchführen. Zu einer Probe können jeweils mehrere Einzelspektren aufgezeichnet werden. Einzige Bedingung ist die korrekte Zuordnung der Proben zu den Spektren. Die Messdaten werden in der internen Datenbank der Zentraleinheit gespeichert und können von extern abgerufen werden. Zur Konfiguration des NIRS-Systems werden unter anderem die Parameter integration time, averaging count, cycle time, network interface setting und channel selection angepasst. Das TENIRS-System führt selbständig Weißreferenzen (WR), sowie Dunkelreferenzen (DR) durch.
Zur Aufnahme der NIR-Spektren in den Flüssigkeiten (Gülle, Rezirkulat und Substratgemisch) und der Maissilage wird ein TENIRS-System installiert. Das TENIRS-System besteht aus zwei NIR-Messköpfen, die über Glasfaserkabel mit der Zentraleinheit verbunden sind. In der Zentraleinheit befindet sich das Spektrometer. Der erste Messkopf dient der Echtzeit-Analyse der Futtermittelparameter des angemaischten Substratgemisches, der Gülle als auch zur Vermessung des Rezirkulates. Die Analyse des Rezirkulates dient weiterhin zur Kontrolle der Prozessstabilität des Fermenters über die Prozessparameter FOS, TAC. Der zweite Messkopf wird in der Steigschnecke zum Kreis-Dissolver installiert und dient der Optimierung der Mischungszusammensetzung innerhalb des Kreis-Dissolvers durch NIRS-Analyse der Futtermittelparameter der Maissilage (Feststoff). Die Datenübertragung der Messdaten aus der Zentraleinheit erfolgt über eine Profibusanbindung an das Prozessleitsystem. Zur Kalibrierung des NIRS-Messsystems werden zusätzlich zwei Probenahmen installiert. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des NIRS-Messsystems näher beschrieben.
Zentraleinheit: Die Zentraleinheit wird in dem Anmischkeller der Biogasanlage in guter Reichweite (Abstand max. 15 m) zu den NIR-Messköpfen angebracht. Die Zentraleinheit enthält das Spektrometer und muss daher von Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden. Die Zentraleinheit ist daher in einem zusätzlichen Schutzschrank (600mm × 600mm × 400mm mit durchsichtigem Frontglas) eingebaut und an der Wand montiert. Nach der Installation der Zentraleinheit sind die Ethernetverbindung, Profibusanbindung und Stromversorgung anzubinden.
NIR-Messkopf-Rezirkulat, Gülle und Substrat: Der erste NIR-Messkopf wird nach der Substratpumpe (druckseitig) und vor dem T-Stück Richtung Kreis-Dissolver bzw. Fermenter in horizontaler Stellung in der Rezirkulat- bzw. Substratleitung installiert. Die Flanschverbindung des ersten NIR-Messkopfes ist speziell gefertigt und mit einem Extruder angeschweißt worden.
Der Abstand nach dem 90° Rohrbogen bis zur Mitte des Sensors beträgt ca. 500 mm. Dies entspricht der Empfehlung von einer Strömungsberühigungslänge L vom 4- bis 5-fachen des Rohrdurchmessers D.
Die Probenahme für den Substrat- und Rezirkulatstrom wird in einem Abstand von ca. 300 mm nach dem NIR-Sensor in Fließrichtung installiert. Für die Probenahme der Flüssigkeiten wird ein Rohrleitungssystem aus PE mit Kugelhahn installiert. Die Probenahme dient zur Entnahme von Rezirkulat, Gülle und Substrat.
NIR-Messkopf – Mais: Der zweite NIR-Messkopf wird in der Steigschnecke zum Kreis-Dissolver installiert und dient der NIRS-Vermessung der Maissilage.
Hier beträgt die Entfernung zwischen dem Eintrag der Querschnecke (Anfang der Steigschnecke) bis zum NIR-Sensor 1500 mm. Die zweite Probenahme für die Entnahme der Maissilage wird in einem Abstand von ca. 500 mm nach dem NIR-Sensor (in Fließrichtung) installiert und ist in rostfreiem Stahl (V4A) ausgelegt und verfügt über einen Feuerwehranschluss in DN63. Der NIR-Sensor und der Probenahmehahn sind beide in der 5 Uhr Stellung (45°) in der Steigschnecke eingebaut, um die Vermessung von Ablagerungen zu vermeiden.
Datenübertragung und Anbindung zum Prozessleitsystem mittels Profibus: Die SPS-Programmierung des Messsystem kann mit der Programmiersprache STEP 7 erfolgen. Innerhalb der Zentraleinheit findet das Umschalten der Sensoren statt. Je nachdem, welcher Sensor gerade angesteuert wird, werden die Busmesswerte der Zentraleinheit über Profibus DP an die S7-Steuerung übertragen. Hierfür kann ein Anfragemodell für das Prozessleitsystem programmiert werden, welches an die Zentraleinheit die Vermessung des jeweiligen Stoffstroms anfordert. Daraufhin wechselt die Zentraleinheit auf den gewünschten NIR-Sensor und liefert dem Prozessleitsystem die Prozesswerte. Die Messung der Maissilage erfolgt kontinuierlich, sobald die Stopfschnecke in Betrieb ist. Die Vermessung des Rezirkulates startet bei 50% des Sollwertes an Rezirkulat bei jedem Fütterungszyklus. Hingegen findet die Vermessung des Substratgemisches erst dann statt, wenn während der Fütterung ein Gewicht von 1000 kg zuzüglich dem Restfüllgewicht erreicht wird. Das Restfüllgewicht ist dabei das Gewicht, was nach erfolgter Fütterung im Kreis-Dissolver verbleibt (meist zwischen 250 kg und 350 kg). Durch diese programmiertechnischen Maßnahmen können Messfehler durch Rückstände oder alte Substrate in der Leitung vermieden werden. Die Vermessung der Gülle analog zum Rezirkulat ist möglich, aber nicht umgesetzt, da die Zusammensetzung der Gülle im Vergleich zum Rezirkulat und dem Substratgemisch relativ konstant ist. Trotzdem ist die Probenahme der Gülle durchzuführen, damit die zusätzliche Vermessung der Gülle erfolgen kann. Die Prozesswerte werden in drei unterschiedlichen Dateibausteinen (DB) geschrieben und im Prozessleitsystem (PLS) visualisiert. Die Parameter gelten für alle Stoffanalysen (Gülle, Rezirkulat, Substrat und Mais). Die Werte des NIRS-Sensors werden während jedes Pumpvorgangs (Gülle, Rezirkulat und Substrat) nach Spülung der Rohrleitung, wie zuvor beschrieben, aufgenommen und dann ins Archiv geschrieben. Die Aktualisierung der NIRS-Parameter innerhalb des PLS erfolgt nur nach Anfrage durch das PLS und nur während der Durchführung der Messung. Nach Abschluss der Messung bleibt der Messwert innerhalb des PLS bis zur nächsten Messung konstant. Die Daten werden für ca. drei Monate im PLS gespeichert. Um neue Kalibrationsmodelle auf das System zu laden, ist das NIRS-System mittels Ethernet ans Internet angebunden.
Kalibierung des NIRS-Messsystems
Zur Erstellung der Kalibration werden zwei Methoden benötigt. Als Primärmethode dienen die Analysenwerte aus der Probenahme. Die Messungen der NIR-Spektren dienen hingegen als Sekundärmethode. Die Kalibrierung ist im Wesentlichen eine komplexe Statistikanalyse. Die statistische Auswertung erfolgt mit der Unscrambler Software von Camo. Als erster Schritt erfolgt die Sammlung der Datensätze (Futtermittelanalysen und NIR-Spektren). Anschließend erfolgt eine Datenvorbereitung (SNVD-Preprocessing) bei der die Lichtstreuung korrigiert wird und der NIR-Drift über die Wellenlänge normalisiert wird. Die Korrektur der Lichtstreuung erfolgt über eine Kombination aus SNV (Standard Normal Variante), welche die Absorptionsspektren skaliert und eine Basislinienkorrektur (Detrend). Die Modellbildung ist anschließend aus den SNVD-korrigierten Werten zu ermitteln. Dafür wird eine Schätzfunktion durch die Methode MPLS (Multiviate partial least square) ermittelt. Weiterhin erfolgt eine Ausreißerkontrolle (Local Outlier Factor). Die Unterscheidung der Substratzusammensetzung erfolgt durch eine Hauptkomponentenanalyse auch Principal Component Analysis (PCA) genannt. Die PCA ist eine Art Support Vector Maschine (SVM) und fungiert als Klassifikator. PCA ist ein Verfahren der multivariaten Statistik. Die Hauptkomponentenanalyse dient dazu, umfangreiche Datensätze zu strukturieren, zu vereinfachen und zu veranschaulichen, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen (Hauptkomponenten) genähert wird.
Für die Kalibration des Substratgemisches werden 30 Proben, für Rezirkulat 45 Proben und für Gülle 25 Proben benötigt. Die Kalibration der Maissilage basiert auf 100 Proben. Die Probenahme teilt sich in mehrere Teilschritte auf. Im Folgenden werden diese Teilschritte aufgelistet.

1. Test des Betriebsstatus des Messkopfes über das Controlpanel der Zentraleinheit. Es muss ein grüner Kreis um den Tab sein. Sollte der Kreis rot sein, muss zuvor die automatische Messung des NIR-Kopfes gestartet werden. Dies erfolgt durch das Drücken des Start-Buttons über den Touchscreen.
2. Genaues Timing der Probenahme.
3. Bei gewünschter Probenahme muss sofort über den Bildschirm Start Sampling gedrückt werden. Danach wird das Substrat in der Drop-down-Liste ausgewählt. Sofort danach muss die Probenummer eingegeben werden. Danach vergibt das System der Probenummer einen ersten Zeitstempel.
4. Dann werden die Proben gezogen.
5. Nach erfolgter Probenahme ist die pH- und Temperaturmessung durchzuführen (testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät).
6. Optional kann dann der pH-Wert im System eintragen werden.
7. Es sollte darauf geachtet werden, dass die Messdauer des Systems nicht zu kurz ist. Angemessen ist eine Messdauer von mindestens 30 Sekunden und maximal zwei Minuten.
8. Nach erfolgter Messung muss im System der Button Save Sample getippt werden. Es wird gleichzeitig ein weiterer Zeitstempel vergeben. Die Probenahme ist damit abgeschlossen.

Wichtig ist, dass die Referenzproben eindeutig in der Datenbank des Messsystems registriert werden (Wahl des Probenahmeprogramms mit korrekter Probenummer). Zur Kontrolle, ob das System die Probe korrekt gespeichert hat, sollte die Aktion in den Log-Eintragungen des Systems überprüft werden.
Die während der Probenahme verwendeten Geräte und Materialien werden im Folgenden aufgelistet.
Mais:

– Industriestaubsauger, OBI Cleaning Nass- und Trockensauger NTS 20, Leistung 1.400W
– Staubsaugerschlauchverlängerung mit Feuerwehranschluss
– Holzstock zum Brechen des Pfropfen innerhalb des Probenahmehahns
– pH- und Temperaturmessung, testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät
– Gefrierbeutel mit Zippverschluss, Volumen von 1 l
– Gefrierschrank, Temperatur von –18°C

Flüssigkeiten:

– pH- und Temperaturmessung, testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät, Testo AG
– LDPE Weithalsflaschen, Volumen von 1 l, Carl Roth GmbH und Co. KG
– LDPE Weithalsflaschen, Volumen von 0,5 l, Carl Roth GmbH und Co. KG
– handelsüblicher 20 l Kanister mit vergrößerter Auslauföffnung

Probenahme der Maissilage: Für die Probenahme ist ein 2 Zoll Anschluss mit Handventil in 5 Uhr-Stellung in der Steigschnecke installiert. Vor der Probenahme muss der Pfropfen inner-halb der Steigschnecke mit einem Holzstock zerbrochen werden. Danach wird über einen Feuerwehranschluss ein Industriestaubsauger mittels einer Staubsaugerschlauchverlängerung angeschlossen. Es erfolgt die Entnahme des Maises bis der Industriestaubsauger vollständig gefüllt ist. Nach der Öffnung des Staubsaugers ist die pH – und Temperaturmessung mit dem Handgerät durchzuführen. Ist die pH-Wert – und Temperaturmessung erfolgt, wird die NIRS-Messung mittels des Touchscreens der Zentraleinheit gestoppt. Als Probenmaterial wird nur die obere Schicht des Maises innerhalb des Staubsaugers verwendet, damit keine Restablagerungen analysiert werden. Der Mais wird in einen 1 l Gefrierbeutel mit Zippverschluss gegeben (ca. 4 Handvoll) und innerhalb von 10 min bei einer Temperatur von –18°C in den Gefrierschrank gelegt und eingefroren. Es sollte darauf geachtet werden, dass zuvor Restluft rausgepresst wird. Der Staubsauber ist nach der Probenahme mit Brauchwasser zu reinigen und anschließend zu trocknen. Probenahme der Flüssigkeiten: Vor der Probenahme der flüssigen Medien (Gülle, frisches Substrat und Rezirkulat) muss zuerst die Probenahmeleitung (PE) entleert werden. Dafür wird ein 20 l Kanister vollständig mit Material aus der PE-Leitung gefüllt. Danach kann die Probenahme erfolgen. Dafür wird ein 5 l Eimer mit dem Probematerial gefüllt. Bei der Probenahme von Gülle muss zusätzlich zum 20 l Kanister ein weiterer 5 l Eimer zum Auslauf verwendet werden. Die flüssigen Proben (Gülle, frisches Substrat und Rezirkulat) werden schließlich in eine 1 l LDPE Weithalsflasche gegeben. Dabei ist die Flasche leicht einzudrücken und dann vollzufüllen. Dadurch kann das Ausgasen in der Flasche erfolgen, damit das Labor weniger Probleme hat die Flasche zu öffnen. Nach der Probenahme wird der Kanister und die Eimer mit Brauchwasser gereinigt und luftgetrocknet.
Timing und Besonderheiten der Probenahme: Wie schon erwähnt ist der Zeitpunkt der Probenahme sehr wichtig. Das Timing der Probenahme sollte wie folgt gewählt werden:

– Gülle: Anpassung der Fütterungsmenge auf mind. 400 kg, damit man ungefähr 1 min zur Probenahme hat. Weiterhin wird eine weitere Person zur Hilfe genommen, damit die Probenahme gleichzeitig zur Bedienung des TENIRS-Systems abläuft. Die Probenahme startet direkt nachdem der Schieber der Gülleleitung geöffnet wird und die Pumpe anfängt die Gülle zu pumpen.
– Rezirkulat: Die Probenahme beginnt wenige Sekunden nachdem die Schieber sich geöffnet haben und Rezirkulat gepumpt wird. Die Probenahme ist spätestens nach Erreichen des Füllgewichtes des Kreis-Dissolvers von 2000 kg zu stoppen, da kurz danach das Füllen des Kreis-Dissolvers mit Getreide beginnt.
– Mais: Die Probenahme des Maises startet sobald der Motor der Steigschnecke angeschaltet wird und sollte nach ca. 1 Minute beendet werden.
– Substrat: Die Probenahme des angemaischten Substratgemisches startet nachdem die Pumpe den Abpumpvorgang des Kreis-Dissolvers gestartet hat.

Von der Maissilage sind eine Vielzahl von Parametern zu bestimmen. Die Parameter werden nicht nass-chemisch analysiert, sondern werden mithilfe einer schon vorhandenen NIRS-Kalibration bestimmt.
Es werden die Parameter TS, oTS, XA, N_ges, C_ges, NH₄-NO₃, FOS, TAC, Essigsäure, Propionsäure, Iso-Buttersäure, Buttersäure, Iso-Valeriansäure, Valeriansäure, Capronsäure und das Essigsäureäquivalent für alle 45 Rezirkulatproben bestimmt. Für 20 Proben werden weiterhin die Mengen- und Spurenelemente des Rezirkulates analysiert.
Für die Gülle werden die Parameter TS, oTS, XA, N_ges, C_ges, NH₄-NO₃, FOS, TAC bestimmt. Die Analyse der Säure und Mengen- bzw. Spurenelemente ist für die Gülle nicht durchzuführen.
Im Gegensatz zu der Futtermittelanalytik der Maissilage werden für das angemaischte Substratgemisch nass-chemische Analysen für die Kalibration durchgeführt. Es werden die Parameter TS, XA, N_ges, NH₄-NO₃, C_ges, sowie die Parameter XP, XL, XF, NDF_org, ADF_org, ADL_org bestimmt und zusätzlich analog zu der Analyse des Rezirkulates und der Gülle die Parameter FOS, TAC analysiert. Die enzymlösliche organische Substanz (ELOS) wird über einen Vergleich mit den stickstofffreien Extraktstoffen (NfE) bestimmt. Dabei wird angenommen, dass ELOS um 1,04 mal größer ist als NfE.
Stichprobenmäßig werden zusätzliche Analysen der Substrate durchgeführt. Für die flüssigen Substrate Gülle, Rezirkulat und Substratgemisch sind der TS-Gehalt und der FOS/TAC-Index zu bestimmen. Von der Maissilage ist nur der TS-Wert zu ermitteln. Zur Bestimmung des TS-Gehaltes ist das Laboranalysegerät ORImat310 zu verwenden. Der FOS/TAC-Index wird mithilfe des automatischen Titrationsgerätes TIM840 bestimmt.
In der Biogasanlage 1 werden drei unterschiedliche Betriebsregelungen implementiert. Bei der ersten Betriebsregelung nach Tageseinsatzplan (TEP) wird die Anzahl der Fütterungen pro Tag (Anmischzyklen) manuell vorgeben und daraus die Intervalldauer der Fütterungen berechnet. Die zweite Regelung füttert die Biogasanlage nach dem Biogasdruck im Fermenter. Die beiden Regelungsmethoden sind ausführlich in Kuhnla 2013 beschrieben.
NIRS-Regelungssystem
Zur Optimierung der Biogasanlage wird der Fermenter der Biogasanlage bilanziert. Mithilfe des NIRS-Messsystem werden kontinuierlich und in Echtzeit die Futtermittelmesswerte der Stoffströme Rezirkulat und Substratgemisch ermittelt. Diese werden für das Regelungssystem „Energy-Balance“ verwendet. Ziel der Regelung ist die dynamische Berechnung der Anzahl der Fütterungszyklen pro Tag. Es wird davon ausgegangen, dass eine bedarfsgerechte Substratzufuhr zu einer erhöhten Gasausbeute durch die Bakterien innerhalb des Fermenters führt. Durch die energetische Bilanzierung des Fermenters wird der Substratbedarf der Bakterien ermittelt. Der Energiegehalt des Substrates und des Rezirkulates wird über die fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS) bestimmt. Die Fütterungszufuhr muss so angepasst werden, dass der Energieeintrag dem Energiebedarf des BHKW entspricht. Zur Kontrolle der Effektivität der Energy-Balance-Regelung wird die Biogasanlage nachträglich mithilfe der Volumenstrommessgeräte der Fackel (FICFackel) und des BHKW (FICBHKW) bilanziert. Es kann bei einer zu hohen Fütterungsmenge zu einer Überproduktion an Biogas kommen, die entweder verbrannt (Fackel) oder über die Überdrucksicherung verloren geht. Dies soll mittels des Regelungssystems nach Energiebilanz vermieden werden. Als Sollwert wird daher der Biogasvolumenstrom des BHKW vorgegeben (z.B. 300 m³/h). Wird die Anzahl der Fütterungen pro Tag minimiert so kann zum einem Substrat (Mais, Gülle, Getreide) eingespart werden und zum anderen der Energieverbrauch Kreis-Dissolver und Pumpen minimiert werden. Für die Energiebilanz wird nur der fermentierbare Anteil der Stoffströme (Substrat, Fermenterauslauf) verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass der restliche nicht gasbildende Anteil der Stoffströme vollständig in Bakterienmasse umgewandelt wird oder als inert betrachtet werden kann.
Da nur der direkt fermentierbare Anteil der Stoffströme betrachtet wird, kann der Energiebedarf der Bakterien E_Bakterien = 0 gesetzt werden.
Damit ergibt sich folgende Energiebilanz um den Fermenter: E_{Substratgemisch;fermentierbar} = E_{Fermenterauslauf} + E_Biogas
Der Massenstrom des Fermenterauslauf m_{Fermenterauslauf} kann mithilfe der Massenbilanz um den Fermenter ermittelt werden: m_{Fermenterauslauf} = m_Substrat – m_Biogas
Zur Bestimmung des Biogasmassenstroms m_Biogas wird von einer konstanten Dichte des Biogas ρ_Biogas = 0,00128 t/m³ ausgegangen.
Der Sollwert dieser Regelung nach Energiebilanz ist der gewünschte Biogasvolumenstrom V_{Biogas;Sollwert}. Mittels der Dichte an Biogas ρ_Biogas und dem Sollwert des Biogasvolumenstromes V_{Biogas;Sollwert} kann der Biogasmassenstrom m_Biogas berechnet werden: m_Biogas = ρ_Biogas·V_{Biogas;Sollwert}
Zur Bestimmung des fermentierbaren Anteils der Stoffströme werden die kalibrierten NIRS-Messwerte verwendet. Es wird der Prozessparameter FoTS der Stoffströme Rezirkulat und Substratgemisch aus dem NIRS-Messsystems verwendet. Der Anteil der fermentierbaren organischen Trockensubstanz des NIRS-System wird im Folgenden als x_FoTS bezeichnet. Zur Bilanzierung wird die FoTS-Menge des Substrates x_{FoTS;Substrat}, sowie die FoTS-Menge des Rezirkulates x_{FoTS;Rezirkulat} verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass die Zusammensetzung des Rezirkulates und die Zusammensetzung des Fermenterauslaufes identisch sind. Es gilt damit: x_{FoTS;Fermenterauslauf} = x_{FoTS;Rezirkulat}
Im Anschluss können die fermentierbare Masse des Substratgemisches m_{FoTS;Substrat} m_{FoTS;Substrat} = m_Substrat·x_{FoTS;Rezirkulat} und des Fermenterauslaufes m_{FoTS;Fermenterauslauf} m_{FoTS;Fermenterauslauf} = m_Substrat·x_{FoTS;Rezirkulat} berechnet werden.
Durch das NIRS-System werden kontinuierlich die Prozessparameter des Substrates und des Fermenterauslaufes ermittelt. Der regelbare Anteil dieser Bilanzierung ist die zugeführte Energie des Substratgemisches. Ziel der Regelung ist damit die Bestimmung der Dauer der Fütterungsintervalle. Um den gewünschten Biogasvolumenstrom zu erreichen, muss vorerst die in Biogas umwandelbare fermentierbare Masse eines Zyklus m_FoTS;Z bestimmt werden. Dafür wird die fermentierbare Masse des Substratgemisches m_{FoTS;Substrat} von der fermentierbaren Masse des Fermenterauslaufs m_{FoTS;Fermenterauslauf} abgezogen: m_FoTS;Z = m_{FoTS;Substrat} – m_{Fermenterauslauf}
Laut Weißbach (Weißbach 2008) kann aus der Menge an fermentierbarer organischer Trockensubstanz FoTS mittels des spezifischen Biogasbildungspotentials SBY_{FoTS;Weissbach} direkt das im Fermenter bildende Biogas bestimmt werden. Damit kann der Biogasvolumenstrom eines Fütterungszyklus V_{BG-FoTS;Z;normiert} nach folgender Gleichung errechnet werden: V_{BG-FoTS;Z;normiert} = m_FoTS;Z·SBY_{FoTS;Weissbach}
Dividiert man den gewünschten Biogasvolumenstrom V_BG-Sollwert mit dem soeben ermittelten Biogasvolumenstrom eines Fütterungszyklus erhält man die Anzahl der benötigten Zyklen pro Stunde. Z_Stunde = V_BG-Sollwert/V_{BG-FoTS;normiert;Z}
Zur Umrechnung der Anzahl der Zyklen pro Stunde Z_Stunde in die Anzahl der Zyklen pro Tag Z_Tag muss mit 24 multipliziert werden: Z_Tag = Z_Stunde·24
Ein Tag hat 1440 Minuten. Um das gewünschte Fütterungsintervall zu bestimmen, muss die Anzahl der Minuten eines Tages durch die errechnete Zyklenanzahl je Tag Z_Tag geteilt werden: F = 1440/Z_Tag
Da rechnerisch Werte ermittelt werden können, die extrem hoch bzw. klein sind, werden eine obere und eine untere Schranke zur Beschränkung der Fütterungsintervalle F_min und F_max eingebaut. Die obere und untere Schranke können durch den Anlagenbetreiber geändert werden. Das Minimum des Fütterungsintervalles F_min ist dabei die Gesamtdauer der Fütterung bis zum Abpumpen des Substratgemisches. Die Gesamtdauer der Fütterung ergibt sich aus der Dauer D für das Befüllen des Kreis-Dissolvers mit Gülle (ca. 30 Sekunden), Rezirkulat (ca. 2 Minuten), Getreide (ca. 30 Sekunden) und Mais (ca. 3 Minuten), sowie der Dauer für das Anmaischen des Substratgemisches (ca. 3 Minuten) und für das anschließende Abpumpen des Substratgemisches (ca. 3 Minuten): F_min = D_Gülle + D_Rezirkulat + D_Getreide + D_Mais + D_Mischen + D_Abpumpen = 15 min
Das Maximum eines Fütterungsintervalles F_max sollte zwischen 40 und 50 min gewählt werden.
Prozesssimulation/Fermentermodell und OPC-Server
Zur dynamischen Simulation der anaeroben Fermentation der Biogasanlage wird das numerische Fermentermodell auf Basis des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) von Beermann (Beermann 2008) verwendet. Als Erweiterung des Modells ist der Inhibitionsfunktion für Propionsäure implementiert. Weiterhin wird die OLE for ProcessControll (OPC) Toolbox von Matlab/Simulink verwendet, um eine dynamische Übertragung der NIRS-Messwert des Prozessleitsystems zum Fermentermodell zu ermöglichen.
Anpassungen des Fermentermodells: Für die Prozesssimulation wird das Fermentermodell von Beermann verwendet und an mehreren Stellen angepasst. Es wird ein Simulink-Modell zur Beschreibung der Propionsäure-Inhibation hinzugefügt, da in dem vorhandenen Modell die Hemmung durch Propionsäure nicht betrachtet wurde. Weiterhin ist die Importfunktion der Inputdaten des Modells über Excel durch die Echtzeitübertragung der Inputdaten über die Matlab OPC Toolbox ersetzt. Alle notwendige Stoffdaten von Gülle, Rezirkulat, Getreide und Mais werden jetzt direkt aus den Prozessleitsystem an das Simulink-Model übertragen. Dies ermöglicht eine Echtzeit-Simulation der Biogasanlage. Weiterhin wird das Modell Energiebilanz ergänzt. Dieses Modell ermittelt die Anzahl der notwendigen Zyklen an Fütterungen für die optimale Substratausbeute und den Gasertrag. Dabei kann über mehrere manuelle Switches die Gasertragsprognose gewechselt werden. Folgende Gasertragsberechnungen können ausgewählt werden: Berechnung nach Amon (Amon 2003 und Amon 2007), nach TS, nach Weißbach (Weißbach 2008) und nach Mukengele (Mukengele 2013). Der Vorteil daran ist, dass man während des Echtzeitbetriebs der Biogasanlage das am besten funktionierende Modell ermitteln kann. Im Folgenden werden einige Berechnungsmodelle des angepassten Fermentermodells vorgestellt. Das angepasste Fermentermodell wird folgend als ADM1EnergyBalance bezeichnet. Die Futtermitteldaten des NIRS-Systems werden über Profibus an das Prozessleitsystem übertragen. Die Prozessdaten werden auf einem Siemens WinCC-OPC Server gespeichert und geschrieben. Ein weiterer OPC Server dient zur Übertragung dieser Daten an das Matlab OPC Tool. Das Matlab OPC-Tool verfügt über eine Simulink Schnittstelle mithilfe deren man die Daten des OPC Server direkt in Simulink weiterverarbeiten kann. Die Matlab OPC-Toolbox in Simulink enthält drei Blöcke. Der erste Block OPC-Config dient der Kommunikationseinstellung zwischen dem MatrikonOPCServer und dem OPCClient der OPC-Toolbox von Matlab. Mit den zwei anderen Blöcken können Daten auf dem OPC Server gelesen (OPC Read) und geschrieben (OPC Write) werden. Somit können die Ergebnisse des ADM1EnergyBalance direkt ans Prozessleitsystem übertragen werden und u.a. die Anzahl der Fütterungen abhängig vom Berechnungsmodell angepasst werden. Die 6 stellt den MatrikonOPCServer, der zur die Kommunikation mit der Matlab OPC Toolbox dient, schematisch dar. In der Abbildung sind u.a. die Futtermittelwerte des NIRS-Systems, sowie die Echtzeitmesswerte der Biogasvolumenströme FIC ersichtlich.
Das ADM1EnergyBalance besteht, wie der Name schon sagt, aus zwei Hauptmodulen. Das erste Modul besteht aus dem Fermentermodell von Beermann (Beermann 2008) und der Anbindungen der Echtzeit-Daten des PLS (4).
Es werden unter anderem die Temperatur T₀, das Gasvolumen V_Gas und die Anfangskonzentration innerhalb des Fermenters c₀ des ADM1 über den OPC Server übertragen und im Modell verarbeitet. Weiterhin werden die Futtermitteldaten des NIRS-Systems direkt verwendet (grüner Simulink-Block). Das zweite Modul führt die Energiebilanz um die Biogasanlage durch. Mithilfe des OPC Toolbox werden die Futtermittelwerte des NIRS-System kontinuierlich gelesen (OPC Read) und direkt für die Energiebilanz verwendet. Im Modell der Energiebilanz wird ähnlich zum NIRS-Regelungssystem EnergyBalance der Fermenter bilanziert.
Als Sollwert dient auch im ADM1EnergyBalance der Energiebedarfs des BHKW. Die Berechnung des Energiebedarf ist in der 9 ersichtlich.
Zusätzlich werden die Echtzeitmessungen der Volumenstrommessgeräte (FICBHKW, FIC Fackel, FICGärrestlager) verwendet, um den realen Energiebedarf zu bestimmen. Sollte eine Überproduktion der Biogasanlage zum Anschalten der Gasfackel führen, wird automatisch durch die Energiebilanz die Anzahl der Fütterungszyklen reduziert. Die 10 zeigt das Modell zur Berechnung der Anzahl an Fütterungszyklen pro Tag Z_Tag bzw. das Fütterungsintervall
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können für die Implementierung von Ausführungsbeispielen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander von Bedeutung sein.
Literaturverzeichnis:

Amon 2003: Amon, Th; Kryvoruchko, V; Amon, B; Moitzi, G; Lyson, D; Hackl, E; Jeremic, D; Zollitsch, W; Pötsch, E: Optimierung der Biogaserzeugung aus den Energiepflanzen Mais und Kleegras. In: Endbericht Juli (2003)
Amon 2007: Amon, Thomas; Amon, Barbara; Kryvoruchko, Vitaliy; Zollitsch, Werner; Mayer, Karl; Gruber, Leonhard: Biogas production from maize and dairy cattle manure – influence of biomass composition on the methane yield. In: Agriculture, Ecosystems & Environment 118 (2007), Nr. 1, S. 173–182
Beermann 2008: Beermann, Jan: Entwicklung eines numerischen Modells zur Simulation der anaeroben Fermentation in Biogasanlagen auf Basis von ADM1, Universität Hannover, Diplomarbeit, April 2008
Weißbach 2008: Weißbach, F.: Die Bewertung des Gasbildungspotenzials von nachwachsenden Rohstoffen. In: Internationale Wissenschaftstagung Biogas Science 2009 Band 3 (2008), S. 517
Mukengele 2013: Mukengele, Mike: Energy Balance – Calculation GE. 2013
Kuhnla 2013: Kuhnla, Karsten: Entwicklung eines Anwenderprogrammes für die Steuerung der Biogasanlage Bitterfeld 1 auf Basis von Simatic Step 7, HS Merseburg, Dissertation, Oktober 2013

Claims

Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage, wobei die Biogasanlage eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, – Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, – Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, – Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und – Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein aus dem Fermenter abgeführter Anteil des Substrats dem Fermenter als Rezirkulat erneut zugeführt wird, wobei weiterhin ein Rezirkulatparameter des Rezirkulats mittels der optischen Messeinrichtung bestimmt wird und der Erwartungswert für den Gasvolumenstrom unter Berücksichtigung des Rezirkulatsparameters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zufuhreinrichtung eine Anmischeinrichtung aufweist, wobei ein erster optischer Sensor der optischen Messeinrichtung in einer der Anmischeinrichtung vorgelagerten Leitung angeordnet ist und wobei mittels des ersten optischen Sensors der Substratparameter und, wenn vorhanden, der Rezirkulatparameter bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zufuhreinrichtung eine Fördereinrichtung aufweist, wobei in der Fördereinrichtung ein zweiter optischer Sensor der optischen Messeinrichtung angeordnet ist und wobei mittels des zweiten optischen Sensors ein Mischungsparameter des Substrats bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Messeinrichtung als Nahinfrarotspektroskopie-Messeinrichtung gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Substratparameter und / oder als Rezirkulatparameter ein Parameter aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: fermentierbare organische Trockensubstanz, Rohfaser, Rohprotein, Rohlignin und stickstoffreiche Extraktstoffe.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Erwartungswert ein Energiegehalt, ein Biogasbildungspotenzial und / oder ein Methanbildungspotenzial bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat kontinuierlich zugeführt wird und die Zufuhr des Substrats kontinuierlich eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels der optischen Messeinrichtung ein Prozessparameter bestimmt wird, der einen Fortschritt der Fermentation des Substrats wiedergibt.
Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage mit – einer optischen Messeinrichtung und – einer Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der optischen Messeinrichtung datentechnisch gekoppelt ist, wobei – die optische Messeinrichtung ausgelegt ist, mittels einer optischen Messung einen Substratparameter eines Substrats zu bestimmen, das einem Fermenter der Biogasanlage zugeführt wird und – die Datenverarbeitungseinrichtung ausgelegt ist, – einen Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom anhand des bestimmten Substratparameters zu ermitteln, – den Erwartungswert mit einem Sollwert für den Gasvolumenstrom zu vergleichen und – eine Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einzustellen.