FlexFeed

Flexibilisierte Fütterung in Biogasprozessen mit Modell-basierter Prozesserkennung im Praxismaßstab
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FKZ-Nr.:
03KB101
Im Projekt FlexFeed wird die Evaluierung und Optimierung einer Strategie zum Fütterungsmanagement an Biogasanlagen angestrebt, welches innovative Sensorik in der Flüssigphase, Modell-basierte Überwachung und auf neuronalen Netzen beruhende Prognosen als methodische Ansätze vereint. Ziel ist es, durch die Mechanismenerkennung den aktuellen Prozesszustand zu identifizieren und so Störungen frühzeitig zu erkennen. Dies ist insbesondere bei Änderungen der Substratzusammensetzung und bei Beladungswechseln relevant. Lanzen-basierte Probennahmesysteme sowie Sensorik an Prozess-kritischen Orten in der Flüssigphase unterstützen die Früherkennung von Störungen. Der Einsatz eines Prognoseverfahrens bei Last- und Substratwechseln mit neuronalen Netzwerken soll zu einem ganzheitlichen Ansatz aus Prognose, online-Sensorik und Modell-basierter Überwachung führen. Im Projekt sollen Praxisdaten im Großmaßstab bei unterschiedlichen, sehr flexiblen und hochbelasteten Betriebszuständen generiert werden, die zur Optimierung und Evaluierung der entwickelten Modelle beitragen.
Mit Hilfe der speicherbaren Biomasse besteht die Möglichkeit, den biologischen Prozess der Biogasherstellung flexibel und regelbar über das Fütterungsmanagement zu betreiben. Was bisher vielfach fehlt, ist eine ausreichende Datenbasis und methodische Untersuchung des Beitrags eines flexiblen Füttermanagements auf die Produktbildung unter Einbeziehung innovativer Prozessüberwachung und Probennahmestrategien zur Absicherung des Betriebes. Im Projekt FlexFeed soll daher untersucht werden, inwiefern ein flexibles Füttermanagement die Nachhaltigkeit von Biogasanlagen und eine bedarfsgerechte Gaserzeugung unterstützen kann, und ob die Mechanismenerkennung als Methodik zu einem stabilen und risikoärmeren Betrieb unter Wechsellastbedingungen beitragen kann. Dazu wird in einem Modell eine Parameteranpassung bei verschiedenen Betriebszuständen durchgeführt. Die Mechanismenerkennung identifiziert dann im Betrieb den Parametersatz, der den aktuellen Zustand am besten beschreiben kann. Dadurch wird der Prozesszustand bewertet und kann mit einer entsprechenden Regelung verknüpft werden. Der große Vorteil liegt darin, dass vereinfachte Relationen zwischen Messparametern für die Überwachung herangezogen und zustandsabhängig gewichtet werden können. Bisher werden die Signale einzeln betrachtet, was zu einem Informationsverlust führt. Im Projekt werden Lanzen-basierte Probennahmesysteme aus einem Vorgängerprojekt sowie neue Sensorik an Prozess-kritischen Orten in der Flüssigphase eingesetzt und deren Bedeutung auf die vorgestellte Methodik quantitativ evaluiert
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Biogas
03KB101A

In Zusammenarbeit zwischen den Partnern Universität Hohenheim, TU Berlin und SOTAsolutions werden Lastechsel an der Forschungsbiogasanlage „Unterer Lindenhof“ durchgeführt und die Auswirkungen untersucht. Die Langzeitversuche an der Versuchsanlage werden durch den verstärkten Einsatz von Sensorik begleitet. Dazu wird an verschiedenen Stellen und verschiedenen Tiefen in der Flüssigphase gemessen. Im zweiten Projektteil werden Modell-basierte Vorschläge zur Fahrweise erarbeitet. Dazu werden Parameter für unterschiedliche Anpassungszeiträume und Störfälle angepasst und daraus der aktuelle Zustand mit der Methodik der Mechanismenerkennung erfasst. Zudem werden aufgrund des dann gültigen Modells und der entsprechenden Teilsensitivitäten Probennahmeintervalle festgelegt, um das Prozessrisiko zu minimieren.

03KB101B

In Zusammenarbeit zwischen den Partnern Universität Hohenheim, TU Berlin und SOTAsolutions werden Lastechsel an der Forschungsbiogasanlage „Unterer Lindenhof“ durchgeführt und die Auswirkungen untersucht. Im Projektteil der Universität Hohenheim werden in einem ersten Schritt die räumliche Verteilung der Intermediate des Biogasprozesses im Fermenter in Abhängigkeit der Substratzusammensetzung, Substratqualität, Fütterungshäufigkeit, Substrataufbereitung, Substratabbaus sowie des Rührwerkseinsatzes untersucht. Hierzu soll ein Lanzen basiertes Probennahmesystem eingesetzt werden und mit Hilfe von biologischen Tracern kritische Bereiche identifiziert werden. Des Weiteren werden Strömungsgeschwindigkeiten in räumlicher Auflösung sowie die Viskosität des Substrates über Rohrviskosimeter erfasst und mit einem Mischgütemodell verglichen. Im zweiten Arbeitsschritt werden die Inhaltsstoffe der Inputsubstrate für den Biogasprozess mit Hilfe der Nahinfrarotspektroskopie online bestimmt. In Laborversuchen wird die Leistungsfähigkeit eines Messsensors basierend auf dem Prinzip der akustischen Wellenleitung zur Bestimmung der biologischen Prozessparameter untersucht. Im dritten Arbeitsschritt wird an der Forschungsbiogasanlage durch gezielte Fütterungsoptimierung eine bedarfsgerechte Gasproduktion dargestellt und darüber hinaus kritische Betriebszustände generiert. Diese kritischen Zustände sollen mit Hilfe der entwickelten Sensorik erfasst und daraus eine resultierende Regelungsstrategie abgeleitet werden. Die entwickelten Modelle zur bedarfsgerechten Gasproduktion sollen in diesem Schritt auf ihre Güte und Anwendbarkeit geprüft werden.

03KB101C

In Zusammenarbeit zwischen den Partnern Universität Hohenheim, TU Berlin und SOTAsolutions werden Lastechsel an der Forschungsbiogasanlage „Unterer Lindenhof“ durchgeführt und die Auswirkungen untersucht. Im Projektteil der Firma SOTAsolutions GmbH werden die durch die Partner aufgenommenen Daten zur Erstellung selbstlernender Prognoseverfahren eingesetzt. Auf Basis dieser Vorhersagen wird die Anlagenführung angepasst, um optimale Fütterungsintervalle zu bestimmen. In das Fütterungsmanagement werden sowohl Betrachtungen der Prozessstabilität als auch der wirtschaftlichen Betriebsführung mit einbezogen. Die Simulation des Gasentstehungsprozesses wird realisiert durch die Verwendung multipler Black- und Whitebox Verfahren.

Publikationen (Auswahl):
- Bockisch, A.; Junne, S.; Neubauer, P. (2020): In-situ investigation of multiple physico-chemical parameters in the liquid phase of digesters with mobile sensor devices. In: Liebetrau, J., Pfeiffer, D. (Hrg.). Collection of Methods for Biogas – Methods to determine parameters for analysis purposes and parameters that describe processes in the biogas sector. Series »Biomassenergy use«. 07, 2. 405-411. ISBN 978-3-946629-47-4. 10.48480/z641-5235
- Junne, J.; Nägele, H-J.; Kress, P.; Bockisch, A.; Arzate , J-A.;
Lemoine, A.; Neubauer, P.; Oechsner, H. (2019): Flexibilisierte Fütterung in Biogasprozessen mit Modell-basierter Prozesserkennung im Praxismaßstab. In: Tagungsband 8. Statuskonferenz Energetische Biomassenutzung, 68-69. https://www.energetische-biomassenutzung.de/de/node/100
- Junne, J.; Lemoine, A.; Neubauer, P.; Cruz Bournazou, N. M. (2015): Von Blackbox zu Whitebox Modellierung: Konzepte für eine Modell-basierte Überwachung von Biogasanlagen. In: Arnold, G. (ed.) Energy EcoSystems 2014: Konferenzbeiträge und Beiträge der Fachgespräche »Energiesysteme der Zukunft«. Leipziger Beiträge zur Informatik. InfAI. ISBN: 9783941608368; 3941608363
Publikationen (Peer-Review):
- Arzate, J.a. et al . (2017): Anaerobic Digestion Model (AM2) for the Description of Biogas Processes at Dynamic Feedstock Loading Rates. In: Chemie Ingenieur Technik, 89 (5). 10.1002/cite.201600176
- Kress, P; Nägele, H-J.; Oechsner, H.; Ruile, S. (2018) Effect of agitation time on nutrient distribution in full-scale CSTR biogas digesters. In: Special Issue on Recent Advances in Anaerobic Digestion, Samir Khanal, Hans Oechsner, Mohammad Taherzadeh, Rongsheng Roger Ruan and Irini Angelidaki (Eds), Bioresource Technology 247, 1-6. 10.1016/j.biortech.2017.09.054

Partner 03KB101A

Fakultät III - Prozesswissenschaften - Institut für Biotechnologie

Pin IconAckerstraße 71-76, 13355 Berlin

Projektleitung:
Prof. Dr. Peter Neubauer
Phone Icon +49 (0)30314-72269 +49 (0) 30 314 72527
Mail Icon peter.neubauer@tu-berlin.de

Weitere Ansprechperson:

Dr.-Ing. Stefan Junne +49-30 314 72527 stefan.junne@tu-berlin.de Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz-Bournazou +49 (0) 30 314 72527 nicolas.cruz@mailbox.tu-berlin.de

Partner 03KB101B

Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie

Pin IconGarbenstraße 9, 70599 Stuttgart

Projektleitung:
Dr. Hans Oechsner
Phone Icon +49 (0) 711 459-22683
Mail Icon oechsner@uni-hohenheim.de

Weitere Ansprechperson:

Philipp Kress +49 (0) 711 459-22494 philipp.kress@uni-hohenheim.de Dr. Hans-Joachim Nägele +49 (0) 711 459-22505 hajo.naegele@uni-hohenheim.de

Partner 03KB101C

SOTA SOLUTIONS GmbH

Pin IconAm Studio 2, 12489 Berlin

Projektleitung:
Dipl.-Ing. Kolja Bailly
Phone Icon +49 (0) 30 6392 599-0
Mail Icon kolja.bailly@sota-solutions.de