IngenieurNachwuchs - Optimierung von Rührsystemen

Ein neues Entwicklungswerkzeug für die Optimierung von Rührsystemen in Biogas-Fermentern unter Einsatz der Wireless Sensor Networks (WSN)- Technik in Kombination mit CFD Rührsysteme in Biogas-Fermentern haben die Aufgabe, den Fermenterinhalt schonend zu rühren und wirksam zu durchmischen, für ein ausgeglichenes Konzentrationsverhältnis der beteiligten Komponenten zu sorgen und Nährstoffe und Stoffwechselprodukte für die verschiedenen mikrobiellen Prozesse zur richtigen Zeit und in ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen. Allein für das Rühren der Fermenter werden 7 - 15 % des Eigenstrombedarfes einer Biogasanlage verwendet, was mit den höchsten Strombedarf der Biogasanlagen darstellt.

Im Mittelpunkt des Forschungsprojektes steht die aus ökonomischer Sicht sehr bedeutsame Optimierung der Rührvorgänge. Ziel des Projektes ist die Erarbeitung einer neuen, CFD- gestützten Entwicklungsmethodik, deren Berechnungsergebnisse durch den Einsatz einer völlig neuen Messtechnik erstmals umfassend quantitativ überprüfbar werden sollen. Zu diesem Zweck soll ein auf die Anwendung maßgeschneidertes Wireless Sensor Networks (WSN)-System entwickelt und eingesetzt werden. Die numerische Strömungssimulation (CFD) liefert örtlich und zeitlich hochaufgelöste Prozessdaten, aus denen alle erforderlichen Informationen abgeleitet werden können. Eine gezielte strömungstechnische Optimierung von Rührsystemen, Strombrechern, Wärmetauschern und Zulaufrohren für Biogasfermenter über CFD scheiterte bisher jedoch sowohl an der sehr komplexen Materialmodellierung als auch an der erschwerten messtechnischen Zugänglichkeit der Gärsubstrate (Geschwindigkeitsverteilungen, Strömungsrichtungen, Konzentrationsverteilungen, Mischgüte) im Fermenter, die einen Abgleich von Rechenergebnissen mit der Realität bis heute nahezu unmöglich macht. Das Strömungsverhalten der vergärenden Stoffgemische kann auf dem bisherigen Stand der Technik nur sehr unzureichend beschrieben/berechnet werden, da die Stoffeigenschaften sehr komplex sind und auch räumlich sowie zeitlich variieren können. Die neue Methodik soll zur Optimierung von Rührvorgängen in kontinuierlich betriebenen Biogas-Fermenterneingesetzt werden, um die wesentlichen Kriterien Mischgüte, Leistungseintrag, Homogenisierungsgrad und Wärmehaushalt zu bewerten und durch konstruktive Veränderungen an ausgesuchten Rührwerken gezielt zu optimieren.