Regelungsverfahren für die anaerobe Behandlung von organischen Abfällen

Jan Liebetrau Regelungsverfahren für die anaerobe Behandlung von organischen Abfällen Band 9, Schriftenreihe Manuskripte zur Abfallwirtschaft. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Werner Bidlingmaier, Bauhaus-Universität Weimar, und Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert, Universität Stuttgart 2008, 180 Seiten. DIN A4. Preis: 32,00 Euro. ISBN 978-3-938807-79-8. Rhombos-Verlag, Berlin Die Förderung der Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Rohstoffen hat im landwirtschaftlichen Bereich zum Bau von ca. 3300 Biogasanlagen (Stand 2007) geführt. Viele der neu entstandenen Anlagen weisen eine minimale messtechnische Ausstattung auf, folglich werden Störungen des biologischen Prozesses zu spät erkannt und die Anlagenkapazität kann nicht voll ausgelastet werden. In der vorliegenden Arbeit werden anhand von experimentellen Untersuchungen die Grenzbelastungen des biologischen Prozesses analysiert. Anhand der Ergebnisse werden Algorithmen zur Prozessüberwachung und Prozessregelung entwickelt, die eine Prozessoptimierung und Effizienzsteigerung mit definiertem Aufwand ermöglichen. Zum Geleit Bereits 1920 wurden die vorhandenen Kenntnisse zur Methanentstehung mit dem Bau erster Kläranlagen in die Praxis umgesetzt. Während des 2. Weltkrieges blieb die Biogasgewinnung aus Gülle Forschungsgegenstand und wurde auch zur Energiegewinnung genutzt. Danach fand die Anaerobtechnologie hauptsächlich zur Behandlung von Abfällen Anwendung. Die Gewinnung von Biogas war eine angenehme Nebensache. Derzeit ist ein rasanter Aufschwung der Vergärungstechnologie zu beobachten. Das Erneuerbare Energiengesetz hat die energetische Nutzung von Biomasse verstärkt. Parallel verursachten Ölpreise von über 70 US $ pro Barrel eine erneute gesellschaftliche Debatte über einen sinnvollen Energiemix. Jüngeren Ursprungs sind Überlegungen, in großen Mengen nachwachsender Rohstoffe zur Energiegewinnung mittels Vergärung heranzuziehen. Die Potentiale in Europa sind sehr groß, aber nur gering erschlossen. Allein in den 15 Staaten der Europäischen Union vor ihrer Erweiterung existiert ein Potential von ca. 300 Mrd.m³/a. Mit dem Ziel eines Regelungsverfahrens für anaerobe Prozesse wird durch Herrn Dipl.-Ing. Jan Liebetrau ein zentrales und in der Praxis stark beachtetes Problem aufgegriffen, dessen Lösung eine Schlüsselrolle für die Prozessstabilität und –optimierung darstellt. Es ist dem Autor sehr gut gelungen, dieses Thema wissenschaftlich zu analysieren. Für die Qualität der Arbeit spricht, dass Herr Dipl.-Ing. Liebetrau in der Bestandsaufnahme die Möglichkeiten der Prozessdiagnose und –regelung erarbeitet, systematisiert und vergleichend bewertet. Die Deutlichkeit der schlussfolgernden Aussagen zeugt von einem tiefen Verständnis der Sachverhalte. Die Berücksichtigung von derzeit technisch möglichen Mess- und Analysemethoden, erlaubte die Ableitung eines zielführenden eigenen und neuartigen Untersuchungsansatzes. Besonders zu würdigen ist das Vermögen des Autors, sich von den vorhandenen Gedankenmodellen zu lösen und den Fokus auf einen praxisnahen Regler zu legen. Bedeutsam für die praktische Anwendbarkeit ist, dass nach sorgfältiger Datenverdichtung und –analyse, als Ergebnis nur wenige Basismessgrößen zur Beurteilung der Prozessstabilität erforderlich sind und der Gütigkeitsbereich sehr groß ist. Es gelingt dem Autor vorbildlich, eine Synthese von wissenschaftlicher Entwicklungsarbeit und industriepraktischer Anforderung herzustellen. Wohltuend für den Wissenschaftler die abgerundete Bearbeitung des Forschungsgegenstandes, zielführend für den Praktiker die Ergebnispalette. Eine Arbeit die Raum öffnet, erschienen zur rechten Zeit. Weimar, im März 2008 Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft Einleitung Die Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen hat vor dem Hintergrund der Folgen von Kohlendioxidanreicherungen in der Atmosphäre und endlicher Ressourcen an fossilen Brennstoffen in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Obwohl die Erzeugung von Methan aus Abfällen seit den Anfängen der Abwasserbehandlung im großtechnischen Maßstab praktiziert wird, war das primäre Ziel der Behandlung die Stabilisierung von Abfällen. Der energetische Aspekt der Methanerzeugung aus organischen Materialien wurde in Deutschland mit Hilfe gesetzlicher Regelungen wie dem „Erneuerbare Energien Gesetz“ in den Mittelpunkt gestellt und die Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen in erheblichem Maße subventioniert. Diese Förderung hat im letzten Jahrzehnt zu stetig steigenden Anlagenzahlen auf dem Sektor der Methanerzeugung aus organischen Reststoffen geführt. Vor allem im landwirtschaftlichen Bereich haben viele Landwirte die Chance genutzt, eine weitere, gesicherte Einnahmequelle zu erschließen. Die in diesem Bereich neu entstandenen Anlagen sind durch eine einfache Bauweise und minimalem technischen Aufwand gekennzeichnet. Der Betrieb dieser Anlagen unterscheidet sich hinsichtlich der eingesetzten Substrate von den Abwasser- und Abfallbehandlungsanlagen. Der monetäre Benefit der Landwirte ist an die erzeugte elektrische Energie und damit an die gebildete Gasmenge gekoppelt. Zur Steigerung der Gasmenge wird die Raumbelastung der Anlagen erhöht, dazu werden Ko-Substrate eingesetzt, die je nach Verfügbarkeit wechseln können. Die Anlagenbetreiber sind meist die Landwirte selbst, so dass die aufgewendete Arbeitszeit und das Verständnis für die komplexen Abbauvorgänge limitiert sind. Die Folge ist, dass Störungen in den biologischen Prozessen spät erkannt werden und die Anlagenkapazität nicht voll ausgelastet wird, was sich in einer niedrigen Effizienz vieler Anlagen niederschlägt. Für eine Optimierung des Anlagenbetriebes bieten sich verschiedene Ansätze. Neben der Reduzierung der Ausfallzeiten bei rein technischen Problemen besteht die Möglichkeit, den biologischen Prozesses zu optimieren. Die Vergärung besteht aus einer Vielzahl voneinander abhängiger, komplexer Teilprozesse. Voraussetzung für eine Optimierung ist deshalb eine geeignete Prozessbeobachtung und Auswertung der erfassten Daten. Da die Betreiber jedoch einen minimalen investiven Aufwand anstreben, wird an der messtechnischen Ausstattung gespart, so dass eine qualifizierte Prozessregelung nicht möglich ist. Hinzu kommt, dass es bisher keine Anleitung zur Überwachung und messtechnischen Ausstattung von Biogasanlagen gibt, es also unklar ist, welche Messgrößen geeignet sind, den Prozess hinreichend exakt zu beschreiben. Für die Methoden der Datenauswertung und der Prozessregelung lässt sich Gleiches feststellen. Es gibt eine Vielzahl von Methoden und Veröffentlichungen, eine Abgrenzung der Methoden hinsichtlich ihrer Praxisrelevanz und Leistungsfähigkeit erfolgte bisher nicht. Der Anlagenbetreiber, der den biologischen Prozess überwachen möchte, steht daher vor dem Problem, dass nicht definiert ist, welche Messgrößen er messen muss und wie er die Auswertung der Messgrößen sinnvoll vornimmt. Inhaltsverzeichnis 1 Biochemische Grundlagen des anaeroben Abbaus 23 1.1 Der Abbau von Kohlenhydraten 23 1.2 Der Abbau von Proteinen 25 1.3 Der Abbau von Fetten 26 1.4 Die acetogene Phase 26 1.5 Die methanogene Phase 27 1.6 Die Bedeutung von Wasserstoff 28 1.7 Fazit: Biochemische Grundlagen 29 2 Einflussfaktoren auf die technische Vergärung 33 2.1 Prozessziele der technischen Vergärung 33 2.2 Durchflussrate, Fracht und Raumbelastung 33 2.3 Eigenschaften der Substrate 36 2.4 pH Wert 38 2.5 Hemmende Substanzen 39 2.5.1 Organische Säuren 39 2.5.2 Ammoniak 41 2.6 Temperatur 43 2.7 Fazit: Einflussfaktoren 44 3 Messtechnik zur Beschreibung des Vergärungsprozesses 49 3.1 Labortest versus online Messtechnik 49 3.2 Bedeutung verschiedener Messgrößen für die Prozessregelung 50 3.2.1 Gasbildungsrate 52 3.2.2 Gaszusammensetzung Verhältnis von Methan- und Kohlendioxidgehalt 52 3.2.3 Methanbildungsrate 53 3.2.4 Organische Säuren 53 3.2.5 pH Wert 54 3.2.6 Substratkonzentration im Zulauf 55 3.2.7 Durchflussrate 55 3.2.8 Gaszusammensetzung Wasserstoffkonzentration 56 3.2.9 Weitere Messgrößen 56 3.3 Prozessstabilität 57 3.4 Fazit: Messtechnik 58 4 Prozessdiagnose und Prozessregelung 61 4.1 Regelung von Vergärungsprozessen 62 4.1.1 PID Regler 64 4.1.2 Wissenbasierte Systeme 64 4.1.3 Neuronale Netze 65 4.1.4 Fuzzy logic 66 4.2 Kenntnisstand Regelung 68 4.3 Fazit: Regelung 70 5 Experimentelle Untersuchungen 73 5.1 Herangehensweise 73 5.2 Wahl des technischen Verfahren 74 5.3 Versuchsanlage 75 5.4 Messtechnik und Methoden 76 5.5 Versuchsdurchführung 78 5.6 Eigenschaften der verwendeten Substrate 80 6 Versuchsergebnisse 83 6.1 Parallelbetrieb Versuch 1P 83 6.2 Impuls Frachterhöhung Versuch 2_FI_217 bis 8_FI_796 87 6.3 Stufenfunktion Frachterhöhung Versuche 9_FS_140 bis 16_FIN_203 95 6.4 Erhöhung der Durchflussrate Versuche 17_D_88 bis 20_D_235 101 6.5 Eintrag hemmender Substanzen Versuch 21_AH 107 6.6 Fazit: Experimentelle Untersuchungen 111 7 Regelung 117 7.1 Konzept 117 7.1.1 Stellgröße 117 7.1.2 Regelgrößen 117 7.1.3 Unterscheidung von Prozessen im Hinblick auf den Einfluss hemmender Substanzen 118 7.2 Umsetzung der Regelung 121 7.2.1 Prozessdiagnose 122 7.2.2 Berechung der Stellgröße 127 7.3 Test des Reglers 128 7.3.1 Versuchsbedingungen 128 7.3.2 Ergebnisse Versuch 22_TDK 129 7.3.3 Ergebnisse der Versuch 23_TKK 131 7.4 Fazit: Regelung 135 8 Zusammenfassung 139 Herausgeber: Bauhaus-Universität Weimar Professur für Abfallwirtschaft Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier (Lehrstuhlleiter) Coudraystraße 7 99421 Weimar http://www.uni-weimar.de/Bauing/abfallw/ Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Lehrstuhl für Abfallwirtschaft und Abluft o. Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert Bandtäle 2 70569 Stuttgart http://www.iswa.uni-stuttgart.de/afw/