RT Dissertation/Thesis
T1 Auswirkungen der flexiblen Biogasproduktion auf die Effizienz von landwirtschaftlichen Biogasanlagen
A1 Kress,Philipp
WP 2020/07/13
AB Biogasanlagen können in zukünftigen, auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystemen, einen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze leisten. Dazu ist jedoch eine lastflexible und bedarfsorientierte Stromproduktion notwendig, die erst durch eine flexible Biogasproduktion mit sehr variablem Fütterungsmanagement ermöglicht wird. Dieser lastflexible Betrieb stellt aus Sicht der Verfahrenstechnik und der Prozessbiologie eine große Herausforderung für den Betrieb von Biogasanlagen dar. Technisch setzt diese lastflexible Biogasproduktion eine vollständige Nutzung des vorhandenen Fermentervolumens voraus, was wiederum eine optimale Durchmischung der Substrate im Fermenter erfordert. Ebenso ist eine kontinuierliche, hochaufgelöste Überwachung der Zusammensetzung des produzierten Biogases notwendig, um frühzeitig beginnende Prozessstörungen oder -überlastungen erkennen zu können. 
Als einer der wichtigsten Prozesse in der Biogasproduktion ist das Rühren einzuordnen. Die eingetragene Leistung soll turbulente Strömungen erzeugen und damit eine gleichmäßige Verteilung der Nährstoffe und homogene Temperaturen im gesamten Reaktor gewährleisten sowie Sink- und Schwimmschichten vermeiden. Um diese Mischprozesse beurteilen und optimieren zu können, wurden im ersten Schritt mittels magnetisch-induktivem Messsystem Untersuchungen zu Strömungsgeschwindigkeiten im Fermenter durchgeführt und damit in Abhängigkeit des TS-Gehaltes und der Viskosität des Gärsubstrates Strömungsprofile erstellt. Bei einem TS-Gehalt im Fermenter von 9,45% betrug die mittlere gemessene Geschwindigkeit 87,5 cm/s. Diese fiel auf 0,96 cm/s bei einem TS-Gehalt von 9,95% ab. 
Für die weitere Beschreibung der Mischgüte wurden räumlich aufgelöste Nährstoffproben aus dem gesamten Fermenter gezogen. Es konnte nachgewiesen werden, dass der punktuelle Eintrag der festen Biomasse über den Feststoffeintrag zu einem lokal erhöhten TS-Gehalt und erhöhten Konzentrationen von organischen Säuren in der Nähe des Eintrages führten. Im Gegensatz zu den Laboruntersuchungen mit dem Verfahren der Prozesstomographie war jedoch keine Zone im Fermenter zu finden, an welcher Prozessstörungen vorlagen. Des Weiteren konnten, im Gegensatz zu Laboruntersuchungen, keine biologisch inaktiven Zonen im Fermenter der Forschungsbiogasanlage detektiert werden. 
In weiteren Untersuchungen wurde erstmals ein photoakustischer Sensor mit einem neuentwickelten Messsystem zur Bestimmung des Methan- und Kohlenstoffdioxidanteils des Biogases an einer Praxisbiogasanlage installiert, erprobt und optimiert. Die grundsätzliche Anwendbarkeit eines solchen Systems in Biogasanlagen konnte gezeigt werden. Die erzielte Datendichte lag deutlich über deren konventioneller Geräte bei einer sehr hohen Präzision der Messwerte. Mittels dieser innovativen Messtechnik wurde anschließend eine flexible Substratzufuhr und deren Einfluss auf die Produktgasqualität evaluiert. Dazu wurden Substrate mit unterschiedlichem Abbauverhalten und unterschiedlichen spezifischen Methanerträgen dem Fermenter zugeführt (Pferdemist, Grassilage, Maissilage). Die Beeinflussung der Biogasproduktion durch das verwendete Substrat konnte sehr gut in der Biogasqualität aufgezeigt werden. Insbesondere die Relation zwischen der relativen Veränderung der Gasmenge und -qualität ermöglichte es, frühzeitig Prozessveränderungen zu erkennen.
In den vorliegenden Studien wurde eine Grundlage geschaffen, die eine bedarfsgerechte Biogasproduktion ermöglicht: Selbst bei hohen Substratmengen, die dem Fermenter zugeführt werden, kann bei einer entsprechenden Auslegung der Rührwerke eine hohe Mischgüte im Fermenter erreicht werden, die auch lokale Prozessüberlastungen verhindert. Die Untersuchungen belegen, dass trotz sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Nährstoffversorgung der Mikroorganismen vorliegt. Die neu entwickelten Sensoren zur Bestimmung der Biogaszusammensetzung liefern Messwerte mit einer hohen Präzision und hoher zeitlicher Auflösung, so dass mögliche Prozessstörungen sehr frühzeitig erkannt werden können. Insgesamt tragen die Untersuchungen dazu bei, dass Biogasanlagen zukünftig mittels bedarfsgerechter Stromproduktion auf Basis einer lastflexiblen Fütterung dezentral die Stromnetze stabilisieren können und somit eine wichtige Systemdienstleistung in einem Energienetz erfüllen, das auf erneuerbaren Energien beruht.

K1 Biogas
K1 Energie
K1 Methan
K1 Erneuerbare Energien
K1 Bedarf
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2020/1745