Institutsbericht 2008-2009 - Institut für Siedlungswasserbau ...

Simulation and nonlinear control of anaerobic
digestion
Biogas aus der Vergärung von organischen Abfällen
und nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) kann einen
wesentlichen Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer
Energie liefern. Aus Biogas lassen sich sowohl Strom
und Wärme als auch Treibstoffe herstellen. Für die Vergärung
kommen viele verschiedene Substrate in Frage.
Sie ermöglichen flexible Lösungen bei einer dezentralen
Energieversorgung und bei der Verwertung bzw.
Entsorgung flüssiger und fester organischer Abfälle.
Für Betreiber von Vergärungsanlagen ist der Prozess
aufgrund dessen Empfindlichkeit gegenüber wechselnden
organischen Reaktorbelastungen häufig problematisch
bzw. schwierig zu handhaben. In Fällen
einer Überbelastung, neigt der anaerobe Prozess zu
einer schnellen Versauerung, welche schließlich zum
völligen Erliegen der Vergärungsprozesse führen kann.
Eine gezielte Prozesssteuerung könnte zu einer besseren
Stabilität der Prozesse im Reaktor beitragen. Mit
Hilfe einer solchen Prozesssteuerung lassen sich die
Konzentrationen von organischen Säuren innerhalb
gewisser Sicherheitsgrenzen stabil halten und damit
eine kontinuierliche und anhaltende Methanproduktion
gewährleisten.
Im Rahmen der Doktorarbeit wurde eine nichtlineare
Regelungsstrategie für Vergärungsanlagen entwickelt
und getestet. Zum Einsatz kam ein zuverlässiges „virtuelles
Labor“ bzw. ein sogenannter „Simulator“. Die
Arbeit verlief in zwei wesentlichen Schritten:
Im ersten Schritt erfolgte die Implementierung und Kalibrierung
eines nichtlinearen Modells für die anaerobe
Behandlung. Damit konnte die Fähigkeit zur Simulation
des dynamischen Verhaltens eines realen Systems getestet
werden. Das Modell der Wahl ist das detaillierte
Anaerobic Digestion Model Nr.1 (IWA); es wurde mit
Hilfe der Software Matlab© implementiert und für die
Simulation anhand dreier realer Vergärungsverfahren
kalibriert: einem Bioabfallreaktor, einer Co-Fermentationsanlage
von Schlämmen und Küchenabfällen sowie
ein Faulturm für Klärschlämme. Für die anaerobe Behandlung
von Klärschlämmen im Faulturm wurde ein
detailliertes Verfahren zur Abschätzung der relevanten
Parameter umgesetzt.
Im zweiten Schritt erfolgte die Entwicklung der Regelungsstrategie,
durch folgende Phasen:
• Implementierung einer Simulationsplattform für
einen Co-Vergärungsreaktor für landwirtschaftliche
Substrate (Gülle und Maissilage). Das Mischungsverhältnis
zwischen Flüssigem und festem Substrat
Lehrstuhl für Abfallwirtschaft und Abluft
Simulationsmodell der Vergärung
Vergleich zwischen experimentellen und berechnenden
Parametern
•
•
wird in der Implementierung berücksichtig, so dass
die Rührfähigkeit im Reaktor gewährleistet ist.
Entwurf des Regelungssystems durch die feedback
linearisation Methode: diese Methode berücksichtigt
die Nichtlinearität des Systems und kontrolliert
die Säurekonzentration mittels Regulierung der
Zulaufdurchflussrate. Darüber hinaus erhöht ein
adaptativer Mechanismus die Flexibilität des Reglers.
Test des Systems mit Hilfe des virtuellen Labors
bei realistischen Störungen der Inputkonzentrationen.
Das Steuerungssystem verhindert schnell
und effektiv solche Schwankungen des Reaktors.
Die Arbeit erbrachte folgende Ergebnisse:
• Prozessmodellierung kann ein effektives Instrument
zur Prozesssteuerung und -optimierung sein,
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