innoFlex - Innovative Rührtechnik in Biogasanlagen zur energieoptimalen Substrateinmischung bei flexibler Fütterung; Teilvorhaben 1: Entwicklung neuer Rührwerksgeometrien und Auslegungsmethodik zur Optimierung der Rühr- und Mischprozesse

Rührsysteme in Biogas-Fermentern haben die Aufgabe, die Fermentersuspension schonend zu rühren, wirksam zu durchmischen und für ein ausgeglichenes Konzentrationsverhältnis der beteiligten Komponenten zu sorgen. In den rund 9.400 aktuell deutschlandweit betriebenen Anlagen wird in der Regel rein empirisch entwickelte Rührtechnik eingesetzt, wodurch sich ein erhebliches, bisher nicht nutzbares Optimierungspotential ergibt.
Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die deutliche Steigerung des Methanertrages bei gleichzeitiger Senkung des Eigen-Energiebedarfes in Biogas-Fermentern. Zielsysteme sind dabei insbesondere bestehende aber auch neue Anlagen.
Bei der Entwicklung einer Post-EEG-Strategie setzen Betreiber bestehender Anlagen zunehmend auf eine Flexibilisierung der Zufütterung. Hierbei werden vermehrt auch anfallende Rest- und Abfallstoffe sowie industrielle Abwässer eingesetzt, um wirtschaftlicher, effizienter und nachhaltiger agieren zu können sowie die Flächenkonkurrenz zu reduzieren. Vor diesem Hintergrund fokussiert sich das Projekt insbesondere auf die effiziente Vergärung stark variierender Substratzusammensetzungen. Erreicht wird dies durch dre Teilziele:
Die Entwicklung einer neuen Generation von Rührwerken mit deutlich verbessertem Suspensionsverhalten bei gleichzeitig hohem Axialschub, eine substratabhängige Antriebsregelung in Kombination mit einem Online-Prozessmonitoring sowie eine neue Auslegungsmethodik zur Projektierung neuer und Optimierung bestehender Anlagen.
Grundsatzuntersuchungen zum Impulseintrag in scherverdünnende Fluide sowie die Adaption der Tragflächentheorie herkömmlicher newtonscher Fluide auf die Rührwerksgeometrie im viskoplastischen Regime sind Bausteine einer streng algorithmischen Geometrieauslegung. Zur effizienteren und variablen Rührstrategie für den Einsatz bei sich häufig ändernden Substratzusammensetzungen wird eine neuartige Rührwerksregelung unter Einbindung robuster, alltagstauglicher   Sensorsysteme entwickelt.

Zum Erreichen der Projektziele wird der Arbeitsplan inhaltlich in drei Arbeitspakete gegliedert:
A1 Literaturrecherche, A2 Entwicklung neuer Rührwerksgeometrien, A3 Entwicklung alltagstaugliches sensorbasiertes Regelungsverfahren und Auslegungsmethodik, A4 Entwicklung und Erprobung alltagstauglicher Sensortechnik.
A0: Recherche und Einarbeitung zu sämtlichen angesprochenen Themengebieten.
A1: Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Entwicklung neuartiger Rührwerksgeometrien, welche eine besonders energieoptimale Durchmischung des Fermentersubstrates bei Nutzung nur eines Rührwerkes erreichen. Zur Reduktion des Leistungsbedarfes und Steigerung des Rührwerkswirkungsrades soll die Geometrie insbesondere langsam laufender Paddelrührwerke erstmalig streng algorithmisch an die Anforderungen im Fermentersubstrat angepasst werden. Für diese zielgerichtete Geometrieoptimierung wird ein Profilkatalog für das Fermentersubstrat aufgebaut.
A2: Parallel zur Rührwerksentwicklung wird ein analytisches Auswerteverfahren zur Beschreibung des dynamischen Strömungsverhaltens entwickelt, welches auf Basis lokaler Geschwindigkeitsmessungen Rückschlüsse auf die Gesamtströmung im Fermenter zulässt. Die gemessene Geschwindigkeit ist die Regelgröße, auf deren Basis Rührintervalle und Umdrehungsgeschwindigkeiten angepasst werden. Geplant ist ein Verfahren, das die transienten Signale definiert positionierter optischer oder fluidmechanischer Sensoren auswertet und in charakteristische Anteile zerlegt.
A3: Zu Beginn der Projektlaufzeit werden zunächst potenziell geeignete Sensorsysteme ausgewählt, beschafft, getestet und für den konkreten Anwendungsfall angepasst. Für die Erprobung der lokalen Strömungssensoren sowie der optischen Messverfahren an freier Fluidoberfläche sind zunächst Laboruntersuchungen am laboreigenen Schleppkanal sowie Laborfermenter im Maßstab 1:10 und 1:40 und eine anschließende Erprobung unter Realbedingungen geplant.

Die im Rahmen des Projektes entwickelte Sensor- und Regelungstechnik und auch die neue Auslegungsmethodik stellen eigenständige Werkzeuge dar. Die Vermarktung kann über die beiden beratenen Partner BioConstruct GmbH und Steverding Rührwerkstechnik GmbH erfolgen. Eine Präsentation in Kombination mit der Testanlage auf Fachmessen ist vorgesehen. Dabei können die genannten Partner und auch andere mögliche Kunden die Steuerung über die trilogik GmbH beziehen. So wird der wirtschaftliche Nutzen der trilogik GmbH sichergestellt, da über diesen Weg ein direkter Absatzweg eines neu zu entwickelnden Produktes erschlossen werden kann.
Nach erfolgreichem Projektabschluss entsteht ein gleichzeitiger, vielfacher Nutzen. Mit der Realisierung des Vorhabens können mögliche strömungstechnische Probleme und Schwachstellen bestehender Biogasanlagen in Deutschland auch ohne Wechsel der Rührtechnik identifiziert und regelungstechnisch kompensiert werden. Der Strömungszustand kann auf Basis der Messdaten objektiv und substratunabhängig bewertet werden, um die Rührwerksparameter wie Drehzahl und Einschaltdauer systematisch zu optimieren; so besteht in einigen Fällen selbst ohne weitere konstruktive Anpassungen deutliches Optimierungspotential.
In Kombination mit der geplanten neuen Rührtechnik ist die entwickelte Technik in der Lage, Ertrag und Umsatz der Anlagen und so den Anteil nachhaltig gewonnener Energie in Deutschland deutlich zu steigern.
Bei aktuell etwa 9.400 bestehenden Anlagen allein in Deutschland sind ein Markt und damit die Nachfrage nach technisch ausgereifter Rührtechnik vorhanden. Dies wird durch die Höhe des Strombedarfes unterstrichen, der allein zum Rühren der ersten Fermenterstufe etwa 25 % des Eigenstrombedarfes einer landwirtschaftlichen Biogasanlage beträgt.