Fachagentur Nachwachsende RohstoffeEin Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Automatische Überwachung der Prozessstabilität in Biogasreaktoren mittels CO2-Partialdruck innerhalb der Reaktorflüssigkeit - Akronym: pCO2_stabil

Anschrift
Universität Ulm - Fakultät für Naturwissenschaften - Institut für Systematische Botanik und Ökologie (Biologie V)
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
Projektleitung
Prof. Dr. Marian Kazda
Tel: +49 731 50-23300
E-Mail schreiben
FKZ
2219NR054
Anfang
01.01.2020
Ende
28.02.2023
Ergebnisverwendung
Das Vorhaben war in vier Arbeitspakete gegliedert. Im AP1 fand eine Überprüfung der Zusammenhänge zwischen pCO2 und den Prozessparametern unter mesophilen und thermophilen Bedingungen sowie mit geringer und hoher Stickstofflast in vier kontinuierlichen Laborfermentern statt. Die Substrate wurden zuerst kontinuierlich später dann stoßweise bzw. im Wochenmodus zugeführt. Die pCO2-Werte in der Fermentermaische stiegen je nach Versuchsphase und Raumbelastung auf 100-300 hPa an. Schnelle und starke Anstiege wurden vor allem bei der Erhöhung einer Raumbelastung aufgezeichnet. Die weitere Überprüfung wurde in Langzeit-Praxistests (AP2) in insgesamt 14 Biogasanlagen vorgenommen. Es zeigte sich eine steile Zunahme des CO2 Partialdrucks in der Fermentermaische mit der Überschreitung bestimmter Raumbelastung wie auch ein Zusammenhang zwischen der Stromproduktion und den pCO2 Werten der Maische. AP3 verglich die am Markt verfügbaren pCO2-Messsysteme hinsichtlich ihrer Eignung für ein Langzeitmonitoring in den Biogasanlagen. Anhand der Kriterien hat sich die Nutzung der optischen Sensoren von Presens GmbH als die beste Möglichkeit für den Einsatz in der Biogaspraxis gezeigt. In einer detaillierten Wirtschaftlichkeitsanalyse im AP4 wurden die Kosten für die Bauteile, Herstellung, den Einbau sowie die laufenden Kosten berücksichtigt. Die pCO2 Messwerte zeigen eine unmittelbare Reaktion auf Änderungen in der Substratzufuhr, Prozessinstabilität, Hemmung etc., was die prozessbiologisch verursachten Ausfallzeiten verringert. Schließlich wurden die Zukunftsperspektiven der Echtzeitüberwachung des Biogasprozesses unter Berücksichtigung des Strommarktes erarbeitet. Somit wurde im Rahmen des Vorhabens eine wertvolle Messmethode entwickelt und im Praxiseinsatz erprobt, welche eine Echtzeitüberwachung des Biogasprozesses ermöglicht.
Aufgabenbeschreibung
Die Stabilität des anaeroben Abbaus der organischen Substanz ist eine Voraussetzung für einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb von Biogasanlagen. Mit fortschreitender Flexibilisierung der Biogaserzeugung wird durch die ungleichmäßige Substratzufuhr der Bedarf an einer zeitnahen Kenntnis der biologischen Prozessstabilität weiter zunehmen. Dabei soll die verwendete Messmethodik hohe Anforderungen an Robustheit, Kosten, Aussagekraft, Übertragbarkeit und eine Echtzeiterfassung erfüllen und soll kostengünstig für die breite Biogaspraxis umsetzbar sein. Aus langjährigen Anwendungen der Messung von CO2-Partialdruck (pCO2) in der Reaktorflüssigkeit in der Arbeitsgruppe des Antragstellers wurde eine neue Messmethodik zur Überwachung der Prozessstabilität entwickelt. Die direkte Messung von CO2-Partialdruck im flüssigen Fermenterinhalt erlaubt eine störungsfreie Beurteilung der Prozessstabilität ohne Entnahmen des Reaktorinhaltes. Das Vorhaben soll diesen Messansatz umfassend überprüfen und Kennzahlen für einen biologisch stabilen Betrieb von Biogasanlagen erarbeiten. Das Vorhaben verfolgt mit weiterführenden Arbeiten folgende Ziele: (1) Überprüfung der Zusammenhänge zwischen pCO2 und FOS/TAC, Säurespektrum, etc. unter mesophilen und thermophilen Bedingungen, (2) Anwendung in Langzeit-Praxistests insbesondere in flexibel geführten Biogasanlagen, (3) Vergleich der marktüblichen pCO2-Messsysteme hinsichtlich ihrer Eignung für die Praxis-Messumgebung, (4) Wirtschaftlichkeitsbeurteilung und (5) Anpassung für einen breiten Praxiseinsatz und zur online Überwachung der Prozessstabilität sowie (6) Erarbeitung von pCO2-Grenzwerten, die zur Anlagenüberwachung und einer automatisierten Substratzufuhr verwendet werden können. Im Rahmen des Vorhabens soll das Messsystem einen Technologiereifegrad 8 erreichen, wobei die Weiterentwicklung in ein eigenständiges an die Erfordernisse einer Biogasanlage abgestimmtes Produkt als schnell umsetzbar gilt.

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