Referenz 

Betriebsführung im Detail

Der Biogasprozess kann nur dann stabil aufrecht erhalten werden, wenn alle beteiligten Bakteriengruppen im Gleichgewicht sind. Das hierfür erforderliche Gleichgewicht erfordert eine um so aufwendigere Kontrolle, je näher die zugeführte organische Fracht der Leistungsgrenze des Prozesses kommt. Gewerbliche Biogasanlagen werden i.d.R. mit hohen Raumbelastungen gefahren, um das wirtschaftliche Optimum zu erreichen.

Viele landwirtschaftliche Anlagen sind für eine geringe Raumbelastung gebaut und ausgelegt, werden aber mit einer hohen Raumbelastung gefahren. Dadurch sind Probleme vorprogrammiert.

Dieser Problematik stellte sich ein Forschungsvorhaben der UTEC GmbH zur Prozesskontrolle durch dynamische Betriebsführung. Das Vorhaben wurde durch das Bundesministeriums für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL) gefördert. Die Ergebnisse des Vorhabens wurden vom Ingenieurbüro in eine kostengünstige Lösung umgesetzt und kommen bereits in der Praxis zur Anwendung.

Prozesskontrolle - Stand und Entwicklungen

Der Standard: Fermenter als 'Black Box'

Die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden entsprechend den praktischen Erfahrungen betrieben. Der Fermenter kann dabei nur als 'Black Box' betrachtet werden. Unter Umständen wird in regelmäßigen Abständen die Gesamtsäure im Faulsubstrat durch ein externes Labor bestimmt. Erst nach einigen Tagen weiß man, wie der Zustand zum Zeitpunkt der Probennahme gerade war. Was die Bakterien im Fermenter aktuell gerade tun, ist unbekannt. Läuft eine Anlage stabil und störungsfrei, so ist sie meist nicht ausgelastet und ihr Potential nicht ausgeschöpft.

Online-Messung: Ein Blick in den Fermenter

Gasuhren, Methanmessgeräte, pH-Meter, Thermometer etc. sind bekannt. Die Aufzeichnung dieser für die Biologie des Fermenters aussagekräftige Messgrößen als Online-Messung erlaubt dann einen intensiven Blick in den Fermenter. Gerade auch die Trends der Daten geben Auskunft über die Aktivität des Prozesses. Mehr Informationen sind in diesem Fall immer gleichbedeutend mit weniger Ausfällen und gesteigerter Leistung. Auch bei einer Online-Messung ist eine zusätzliche Messung von z.B. organischen Säuren als Kontrollparameter in größeren Zeitabständen angeraten.

Dynamische Betriebsführung: Dialog mit der Fermenterbiologie

Mit der dynamischen Betriebsführung wird die Online-Messung durch einen Dialog mit der Fermenterbiologie wesentlich erweitert. Dabei werden ihr durch dynamische Änderungen der Belastungen gezielte Aufgaben (Fragen) gestellt. Die Antwort der Biologie ist sofort erkennbar und kann nun mit den zu erwartenden Ergebnissen verglichen werden. diese Methode lässt sich gut mit einem EKG beim Arzt vergleichen, bei dem auch unterschiedliche Belastungen mit Ruhephasen abwechseln und der Kurvenverlauf des EKG Rückschlüsse auf die Gesundheit zulässt.

Die Messungen müssen möglichst dicht am 'Tatort' erfolgen, das heißt direkt am oder im Fermenter.

Forschungsergebnisse

Die Arbeiten zeigten, dass die folgenden Parameter gemessen werden sollten:

  • Gasvolumenstrom,
  • Methangehalt,
  • Redox (Option)
  • Zugabezeitpunkt und -menge (Option)
  • pH-Wert (Option)

Für die Praxis ergeben sich folgende Schlüsse:

  • Jedes Substrat oder Substratgemisch hat seine eigene Gärtestkurve. Die Kenntnis dieser Kurve ist wichtig für die Ermittlung zulässiger Stoßbelastungen, Zugabeerhöhungen oder für die Zusammenstellung eines neuen Substratmixes.
  • Der Verlauf einer "Gärtestkurve" ist anlagenspezifisch.
  • Die Resultate von externen Gärtests sind nur unter Vorbehalt für die Bewertung von Substraten verwendbar.
  • Belastungsversuche an der betreffenden Biogasanlage selbst haben die höchste Aussagekraft, da sie das Abbauverhalten der zu diesem Zeitpunkt im Fermenter vorliegenden Biozönose wiederspiegeln.
  • Im Fall, dass eine Biogasanlage nach längerem Stillstand wieder angefahren werden soll, kann mit Hilfe einer vorab ermittelten "Gärtestkurve" für eine definierte Substratmenge eine Soll-Kurve errechnet werden. Weicht die Entwicklung der Methanbildungsrate während des regulären Anfahrbetriebes wesentlich von der Sollkurve nach unten ab, ist dies ein Zeichen, dass die Zugabemenge reduziert werden sollte.

Leistungskontrolle durch Interpretation der Methanbildungsrate bei Zugabepause

Aus dem Verlauf der Gasentwicklung in Verbindung mit einer kurzen Zugabepause (negative Sprungbefragung) besteht die Möglichkeit, die Leistung der Biogasanlage bei laufendem Betrieb unter geringen wirtschaftlichen Einbußen und Kosten zu überprüfen.

In Abbildung 1 ist der beispielhafte Kurvenverlauf eines Ab-/Anfahrvorgangs für ein überlastetes System dargestellt. Es kommt zu einer Anreicherung von Säuren etc. im System. Dieser Säureüberschuss bildet einen Nährstoffpool. Nach einem Stop der Substratzufuhr beeinflusst der Nährstoffpool den Verlauf der Abfahrkurve. Während die Kurve bei einem Prozessgleichgewicht steil abfallen würde, fällt die Kurve bei einem überlasteten System erst verzögert ab, da Methan aus dem Nährstoffpool gebildet werden kann.

Abbildung 1:Kurvenvergleiche bei Normalbetrieb und Überlastung

 

Praktische Anwendung

In den Versuchen auf Praxisanlagen wurde die Übertragbarkeit von Theorie und Laborpraxis in den Alltag bewiesen.

Mit einer Online-Messung der benötigten Parameter und der Änderung fest definierter dynamischer Lastzustände und Lastimpulse können gute Rückschlüsse auf den Leistungsstand der Biogasanlage gezogen werden.

Die dynamische Prozesskontrolle bietet dem Betreiber die folgenden Vorteile:

  • Zeitnahe Diagnose des biologischen Zustandes vor Ort,
  • Gezielte Optimierung des Prozesses,
  • Möglichkeiten der Fernbetreuung,
  • Vermeidung von Betriebsstörungen,
  • Effizienzsteigerung durch optimale Auslastung der Anlage und Maximierung der Gasproduktion.

Ökonomie

Für die oben beschriebene Prozesskontrolle muss man mit Investitionen zwischen 5.000 € und 15.000 € rechnen. Diese Summe erscheint auf den ersten Blick hoch, sie ist aber hoch lukrativ.

Kann z.B. bei einer im Schwachlastbereich betriebenen Anlage eine Steigerung der Gasbildungsrate von 1,25 m³/(m³*d) auf 1,5 m³/(m³*d) erreicht werden, so erhöhen sich die Erlöse um 50%. So kann beispielsweise die mittlere Leistung des Gasmotors von 100 kWel auf 150 kWel erhöht werden. Bei einem Auslastungsgrad vom 85% entspricht das einem Plus von rund 18.000 € pro Jahr!

Bei allen Berechnungen unberücksichtigt bleiben die Ausfälle durch nicht abgenommene Abfälle, der mögliche Ärger mit Nachbarn und / oder Behörden und zuletzt der eigene Arbeitsaufwand für die Behebung von Schäden.

Erste Anwendungen in der Praxis

Die verwendete Technik zur Online-Messung ist bereits seit mehreren Jahren in Labor- und Großanlagen erprobt. Neben dem Interesse von am Vorhaben beteiligter Landwirte wird seit März dieses Jahres das Verfahren der dynamischen Betriebsführung bei einer neuen Großanlage im Amt Neuhaus erfolgreich angewendet.

Nach der Installation der erforderlichen Messtechnik und der Adaption an die örtlichen Gegebenheiten, wurde durch die Fachingenieure der UTEC ein Auswerteprogramm entwickelt, das sowohl dem Betreiber einen schnellen Überblick über seinen Anlagenzustand ermöglicht. Über Fernabfrage per Modem kann sich im Bedarfsfall zusätzlich zum eigenen Betriebspersonal auch der Fachplaner schnell informieren und kostengünstig eine externe Fachberatung durchführen.

Ausblick

Für alle Biogasanlagen, die im Mittel- oder Hochlastbereich betrieben werden (sollen), erscheint eine Online-Messung zur Prozessoptimierung unabdingbar. Wird dieser Weg gegangen, so ist es zur Prozesskontrolle durch dynamische Betriebsweise nur ein kleiner und kostengünstiger Schritt.

Für einen erfolgreichen Einsatz in der Praxis ist es erforderlich, dem Betreiber neben geeigneter Hardware auch eine einfache Software in Kombination mit kompetenter Fachberatung zur Verfügung zu stellen.

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