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 katabolischen, metabolischen und anabolischen 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 [Wetter].

Im Mittelpunkt des beantragten 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.

   Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele des Vorhabens

Die neue Entwicklungsmethodik soll zur Optimierung von Rührvorgängen in kontinuierlich betriebenen Biogas-Fermentern eingesetzt werden, um die wesentlichen Kriterien Mischgüte, Leistungseintrag, Homogenisierungsgrad und Wärmehaushalt zu bewerten und durch konstruktive Veränderungen an ausgesuchten Rührwerken gezielt zu optimieren. Im Wesentlichen sind vier Teilpakete geplant:

      Entwicklung WSN-Sensorik

Zur experimentellen Absicherung/Unterstützung der geplanten Messreihen soll ein WSN- (Wireless Sensor Network) gestütztes Ortungssystem entwickelt und zur Anwendung gebracht werden, mit dessen Hilfe die Oberflächenströmung im Fermenter quantitativ dokumentierbar werden soll. Die neuen Sensoren sind aufschwimmende, tischtennisballgroße, wiederaufladbare Sendereinheiten, die der Strömung mitgegeben werden, um dann laufend die aktuelle Positionen mitzuschreiben/zu senden und so direkt die Geschwindigkeitsverteilungen/Bahnkurven (im ersten Schritt an der Fermenteroberfläche) zu liefern.

Anm: Numerische Voruntersuchungen des Antragstellers weisen darauf hin, daß bei den anvisierten Fermentergeometrien (Durchmesser ca. 24m, Füllhöhe im Bereich weniger Meter) in vielen Fällen direkte Rückschlüsse von der Oberflächenströmung auf darunterliegende Ebenen möglich sind.)

Die zu entwickelnde Messtechnik muss die Positionen mehrerer im Tank schwimmender Sensoren fortlaufend aufzeichnen. Für die Lösung dieser Messaufgabe soll eine Kommunikationstechnik zum Einsatz kommen, welche zusätzlich zur Datenübertragung auch implizit eine Positionsbestimmung ermöglicht. Während der Entwicklung der Messtechnik sollen verschiedene Kommunikationstechniken auf ihre spezielle Eignung für die speziellen Bedingungen im Tank einer Biogasanlage getestet werden. Hierzu soll die Kommunikation per Ultraschall, Licht und Funkwellen getestet werden. Eine besondere Herausforderung kann die Vorgabe sein, dass keine Sensorik fest im Tankinnenraum installiert werden soll. Es ist daher möglich, dass zwei unterschiedliche Techniken für die Kommunikation im Tank und vom Tankinneren nach Außen zum Einsatz kommen. Die Empfänger werden außerhalb des Fermenters positioniert, so dass die Messung im laufenden Fermenterbetrieb bei geschlossener Decke möglich werden soll. Die Sensorik soll im Rahmen des Projektes als eigenständige neue Messtechnik etabliert, im zweiten Projektabschnitt intensiv erprobt und eingesetzt werden und auch in Originalfermentern mit Durchmessern von mehr als 20 m einsetzbar sein.

      Rheometrie/ Charakterisierung der eingesetzten Substrate

Rheometrische Charakterisierung der eingesetzten Substrate in eigens aufgebauten Viskosimetern („Vane in a Cup“-Rheometer, Rohrviskosimeter) und in einem Testfermenter im verkleinerten Maßstab, der vom Industriepartner bereitgestellt wird. In diesem Fermenter sollen Versuche mit Wasser oder Vergleichsfluiden (vereinfachte Visualisierung) sowie Originalsubstanzen durchgeführt werden.

Parallel soll in enegr Vernetzung mit dem AP „Simulationsmethodik“  versucht werden, belastbare Ersatzmodelle zur Beschreibung gemittelter Viskositäten zu erarbeiten und über Simulationsrechnungen Gesetzmäßigkeiten, Modellgesetze und Übertragbarkeitskriterien für die Rührwerksberechnung herauszuarbeiten. Henzler [Henz] empfiehlt für Bioreaktor-Fermentationslösungen mit strukturviskosen und vernachlässigbaren elastischen Eigenschaften die Anwendung der Konzepte einer repräsentativen Viskosität, die dann z.B. Maßstabs- bzw. Übertragbarkeitsgesetze (Re-Zahl, Newton-Zahl, Formfaktor) in vielen Fällen mit ausreichender Genauigkeit wiedergeben.

Die Materialmodellierung soll hierbei im ersten Schritt von einer homogenen Mischung der Komponenten ausgehen, wie sie heute im kontinuierlichen Fermenterbetrieb angestrebt wird. Die Berechnungen werden experimentell in einem großen Testfermenter abgesichert, der vom Industriepartner aufgebaut und bereitgestellt wird.

      Materialuntersuchungen/Übertragung auf Originalmaßstab

Zur Gewährleistung der praktischen Relevanz der Untersuchungen gehört die Aufnahme und Auswertung aller relevanten Betriebsparameter einer Biogasanlage. Diese umfassen neben unterschiedlichen Bauformen und Verfahrensvarianten vor allem entscheidende Prozessparameter zur Substratcharakteristik und Rührstrategie. Dazu werden die wesentlichen Betriebsparameter vor und nach einer Optimierung erfasst, um die möglichen Leistungssteigerungen anhand physikalischer, chemischer und biologischer Parameter zu verifizieren.

      Entwicklung Simulationsmethodik/Berechnungsmodelle

Ziel des Arbeitspaketes „Simulationsmethodik“ ist die Anwendung und der Eignungstest der entwickelten Materialmodelle sowie die Bereitstellung einer „Best-Practice“-Berechnungsmethodik. Es werden sinnvolle Vereinfachungen definiert, mit deren Hilfe belastbare Ergebnisse erzielbar werden und die teilweise erheblichen Rechenzeiten auf ein wirtschaftlich sinnvolles Maß reduziert werden können. Vorarbeiten des Antragstellers zeigen beispielsweise, dass eine scherverdünnende Wirkung im Substrat nur in unmittelbarer Nähe des Rührers auftritt. Nahezu im gesamten Fermenter dominiert Newton´sches Verhalten.

Sind Details in direkter Rührerumgebung geklärt, lässt sich die Gesamtströmung im Fermenter u. U. mit deutlich reduziertem Aufwand berechnen. In manchen Fällen kann die Aufteilung des Rechengebietes in eine stationäre und eine instationäre Region zielführend sein.

Anwendung der neuen Methodik für erste Optimierungsaufgaben

Die neue Entwicklungsmethodik soll in einer Grundsatzuntersuchung zur optimalen Profilgeometrie und Anordnung zunächst bei Paddelrührwerken eingesetzt werden.

Am Ende des Forschungsprojektes …

·         … stehen erste Prototypen für die neuen Sensoren zur Bahnverfolgung/Positionsbestimmung (nach der Weiterentwicklung zur Serienreife) als eigenständig nutzbares Messwerkzeug zur Verfügung. Sie können sowohl zur Entwicklung und Absicherung der parallel entwickelten numerischen Modellierungsansätze als auch (nach Weiterentwicklung zur Serienreife) vom Rührwerksentwickler oder Anlagenbetreiber zur direkten experimentellen Untersuchung der Strömungsvorgänge im Fermenter eingesetzt werden.

·         … sollen neue, CFD-basierte Berechnungsansätze bzw. Übertragbarkeits-/Modellgesetze zur vereinfachten Beschreibung der sehr komplexen Strömungsvorgänge zur Verfügung stehen, die bei wirtschaftlich vertretbaren Rechenzeiten effizient für Optimierungsaufgaben einsetzbar sind.

·         … sollen neue Erkenntnisse über die Rheologie von Biogas-Substraten vorliegen, die nicht nur aus Labormessungen generiert sind, sondern durch Validierung in realen, großtechnischen Systemen zusammen mit CFD-Simulationen und in-situ-Messungen abgesichert sind.

Die angestrebte Entwicklungsmethodik soll Rührwerksentwicklern und Anlagenbetreibern eine effiziente Optimierung ihrer Anlagen und Prozesse ermöglichen und auf diesem Weg direkt zur Senkung des Eigenstrombedarfs der Rührsysteme sowie der Optimierung der Mischgüte beitragen.

Ergebnisse und Verwertung

Die im Rahmen des Projektes neu zu entwickelnde Messtechnik stellt ein eigenständiges Projektergebnis dar. Nach erfolgreichem Projektabschluss sind weitere Zielanwendungen (großtechnische partikuläre Strömungen, Einsatz in Rührkesseln etc.) möglich. Eine Präsentation der Messtechnik in Kombination mit der Testanlage auf Fachmessen ist geplant.

Die Arbeiten zur rheologischen Charakterisierung der Substrate und zur Programmierung der Materialmodelle werden unter anderem den F&E‐Schwerpkt. „regenerative Energien“ sowie die Drittmittelfähigkeit der beteiligten Labore nachhaltig stärken.

Interessierte Unternehmen können die Entwicklungsmethodik einsetzen und die Sensorik im Anschluss an das Projekt in Kooperation mit der FH zur Serienreife weiterentwickeln. So können im Bereich der Rührwerksentwicklung bestehende wirtschaftliche Standbeine gefestigt und zusätzliche Arbeitsplätze geschaffen werden. Erfindungen werden patentiert und über Lizenzen durch die FH vermarktet.

Der Transfer in die Praxis erfolgt unter anderem über den Fachverband Biogas, die Landwirtschaftskammer NRW sowie regionale Netzwerke. Vorträge/Poster auf Tagungen, Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Bewerbungen im Rahmen des "Innovationspreises Münsterland" und weiterer Prämierungsinitiativen sind geplant. Anschlussvorhaben in den Bereichen Rührtechnik, bioenergetische Anwendungen sind geplant. Die F&E-Ergebnisse werden in Lehre einfließen.