Referenz 

Betriebsführung

Prozesskontrolle und Anlagenführung landwirtschaftlicher Biogasanlagen durch dynamische Betriebsweise -
Einfache und kostengünstige Beurteilung der biologischen Leistungsfähigkeit eines Fermenters vor Ort

Als Forschungsvorhaben gefördert durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) aus Mitteln des Bundesministeriums für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL)

Der Standard: Prozess als Black Box

Die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden in Abhängigkeit vom Substratanfall bzw. dem Verbrauch des Gasmotors betrieben. Die Beschickung erfolgt ein- bis zweimal pro Tag, die Gasmenge wird nach Laufzeit des BHKW abgeschätzt. Läuft es nicht mehr ausreichend, wird Substrat zugegeben, um die Gasproduktion anzuregen.

 

Der Fermenter wird dabei als 'Black Box' betrachtet. Was sich in seinem Inneren an biologischen Vorgängen abspielt, bleibt dem Betreiber verborgen. Unter Umständen wird die Gesamtsäure durch ein externes Labor bestimmt. Nach 2 bis 3 Tagen erhält man das Ergebnis und weiß, wie der Zustand zum Zeitpunkt der Probennahme gerade war. Was die Bakterien im Fermenter aktuell gerade tun, ob sie rundum zufrieden oder übersättigt sind, hungern oder sonstige Not leiden, ist unbekannt.

Bei dieser Betriebsart kommt es leider häufig zu Betriebsstörungen durch Überlastung der Biologie mit allen dadurch einhergehenden Folgen:

  • Versäuern der Biologie
  • Überschäumen der Anlage
  • stark schwankende Gasqualitäten
  • unnötige Geruchsemissionen (u.U. Belästigung der Nachbarschaft)
  • Stillstand des BHKW und Einnahmeverluste

Läuft eine Anlage stabil und störungsfrei, so ist sie meist nicht ausgelastet und ihr Potential damit nicht ausgeschöpft.

Online-Messung: Einblick in den Prozess

Gasuhren, Methanmessgeräte, pH-Meter, Thermometer etc. sind bekannt. Um ein Optimum an Kontrollmöglichkeiten zu erhalten, ist es sinnvoll, diese, für die Biologie des Fermenters aussagekräftigen Parameter, in regelmäßigen, kurzen Abständen aufzuzeichnen. Diese sogenannte Online-Messung erlaubt interessante Einblicke in den Prozess. Nicht nur die aktuelle Gasproduktion und Gasqualität, sondern auch und gerade die zeitliche Entwicklung und übergeordnete Betrachtung der Daten geben Auskunft über die Aktivität des Prozesses.

 

Jeder, der diese Erfahrungen macht, wird erstaunt sein, wieviel mehr an Informationen einem durch diese Methode zur Verfügung stehen. Die eingesetzten Meßgeräte müssen über einen Ausgang verfügen (Impuls, analog), der einen automatischen Abgriff ermöglicht. Die Aufzeichnung kann durch Standard-Software auf einfachen PC-Systemen erfolgen und muß nicht teuer sein.

Auch bei einer Online-Messung ist eine zusätzliche Messung von z.B. organischen Säuren als Kontrollparameter in größeren Zeitabständen angeraten.

Die Vorteile der Online-Messung sind:

  • Gute Kontrolle verschiedener Anlagenparameter
  • Verbesserte Abschätzung der Substratzugaben möglich (Menge, Intervall)
  • Möglichkeit der Fernüberwachung und -diagnose
  • Steigerung der Effizienz
  • Automatisches Führen von Teilen des Betriebstagebuches (Gasproduktion, Zugabe, Temperatur)

Dynamischer Betrieb: Prozess-Dialoge

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird die Betriebsführung in Form einer Online-Messung durch einen Dialog mit dem Prozess wesentlich erweitert.

Dabei werden dem Fermenter durch dynamische Änderung der Belastungen gezielte Aufgaben (Fragen) gestellt. Die Antwort der Biologie ist sofort erkennbar. Die vergleichende Auswertung der Daten erlaubt eine Aussage über den Zustand der Anlage. Dabei hat jede Anlage ihren eigenen Rhythmus, je nach Größe, Verfahren und Substratauswahl. Auch die gestellten Aufgaben können vielfältig sein.

 

Rechenprogramme mit Standard-Software, denen mathematische Modelle zugrunde liegen, helfen, die Daten auszuwerten und die nötigen Hilfestellungen zu geben.

Wo und wie gemessen werden muß, ist hier noch wichtiger als bei der reinen Online-Messung. Zum einen muß die Messung möglichst dicht am 'Tatort' erfolgen, das heißt möglichst direkt am oder im Fermenter. Zum anderen ist die absolute Genauigkeit der Meßtechnik von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist es ja, die Veränderung der Größen zu verfolgen und erst nachrangig deren absolute Werte.

Gelingt dieser Dialog, so bieten sich dem Betreiber die folgenden Vorteile:

  • Zeitnahe Diagnose der Biologie vor Ort,
  • Gezielte Optimierung des Prozesses,
  • Möglichkeiten der Fernbetreuung,
  • Vermeidung von Betriebsstörungen,
  • Weitere Effizienzsteigerung
  • Steigerung der Erlöse

Hauptziel: Die Ökonomie

Bei allem handelt es sich nicht um eine Spielerei mit bunten Kurven oder blinkenden Lämpchen, sondern um ein Werkzeug, das Arbeit und Ärger im Alltag vermeiden hilft. Das Hauptziel ist die Optimierung des betriebswirtschaftlichen Ergebnisses.

Jeder Tag, an dem ein BHKW mit 100 kWel Leistung nicht läuft, bedeutet einen Mindererlös aus der Stromproduktion von rund 240 €. Schafft man es z.B. 10 Jahre lang 10 Ausfalltage pro Jahr bei einem BHKW mit 100 kWel zu vermeiden, so errechnen sich Mehrerlöse von 24.000 €.

Dabei unberücksichtigt sind die Ausfälle durch nicht abgenommene Abfälle, der mögliche Ärger mit Nachbarn und / oder Behörden und zuletzt der eigene Arbeitsaufwand für die Behebung von Schäden. Die Tabelle verdeutlicht die großen betriebswirtschaftlichen Auswirkungen von Anlagenstörungen in Abhängigkeit von der Anlagengröße und den Ausfallzeiten.

  Elektrische Leistung BHKW
Ausfalldauer pro Jahr für 10 Jahre 100 kW 200 kW 300 kW
1 Tag 2.400 € 4.800 € 7.200 €
1 Woche 16.800 € 33.600 € 50.400 €
4 Wochen 67.200 € 134.400 € 201.600 €

Tabelle: Entgangene Erlöse bei Nichtbetrieb BHKW

In Anbetracht der Zahlen erübrigt sich die Frage, ob es sich lohne, die erforderlichen Investitionen für die Meßtechnik und die Auswertung in die Hand zu nehmen!

Einschränkungen

Die hier beschriebene Methode hat auch ihre Grenzen. Eine Vergiftung des Fermenters durch unzulässig hohe Zugabe von Desinfektionsmitteln oder Antibiotika kann damit leider nicht vermieden werden. Außerdem ersetzt sie mit Sicherheit nicht die täglichen, normalen Kontrollgänge.

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