Projektbeispiel: Biogas OptiMus – optimierte Biogasproduktion durch Mustererkennung

von Dipl.-Ing. Thilo Martens, Dr. rer. nat. Andreas Gratz

Für eine flexible Energieerzeugung aus Biogas ist dessen Speicherung notwendig, was bisher vor allem durch die Aufbereitung zu Biomethan und dessen Einspeisung in das Erdgasnetz erfolgt. Die Speicherung von Rohbiogas am Ort der Anlage erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen derzeit nur im kleinen Rahmen und bei wenigen Anlagen. Daher ist die Produktion des Rohbiogases selbst zu flexibilisieren. Dies ist das Ziel des Forschungsprojektes „Biogas OptiMus – optimierte Biogasproduktion durch Mustererkennung“ unter Leitung der Projektgruppe RMV des Fraunhofer IWU.

Der Umbau der deutschen Energieversorgung von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energiequellen wird eine der größten Aufgaben der heutigen und kommenden Generationen sein. Die Herausforderung dabei ist es, die Volatilität der erneuerbaren Energieerzeugung auszugleichen. Diese tritt insbesondere bei Windkraft- und Photovoltaikanlagen durch die unmittelbare Abhängigkeit von Wind und Sonne in Erscheinung. Eine Möglichkeit zur Begegnung dieser Herausforderung stellt die Bereitstellung von schnell reagierenden Gaskraftwerken dar. Die Gasproduktion von Biogas hierfür kann weitgehend unabhängig von der Wetterlage und der Tageszeit erfolgen. Zudem ermöglicht eine Energieerzeugung über Nachwachsende Rohstoffe, die in der Landwirtschaft produziert werden können, Unabhängigkeit von Gas-, Öl- oder Kohleimport. Durch einen geschlossenen Kohlenstoffdioxidkreislauf wird überdies ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet, da kein fossiles CO2 freigesetzt wird.

Biogas ist eine seit vielen Jahrhunderten genutzte Energiequelle, wie Belege aus der Antike zeigen. Trotzdem ist das Prozessverständnis der Rohbiogasproduktion noch nicht auf einem Niveau angelangt, wie es für eine vollständige Flexibilisierung notwendig wäre. Daher werden fast alle der knapp 8.000 Biogasanlagen in Deutschland mit einer konservativen, konstanten Zufütterung an Substrat betrieben. Das hat den Nachteil, dass bei Wartungen oder Ausfall der Gasaufbereitungsanlagen, welche zur Einspeisung des Gases notwendig sind, das Gas ungenutzt abgefackelt werden muss oder bei einer Änderung der Marktnachfrage nicht die erforderliche Menge Biogas produziert werden kann.

Zwei Faktoren sind ausschlaggebend dafür, dass bisher nur wenig in den Prozess eingegriffen wird. Einerseits ist nicht die Sensorik für alle notwenigen Prozessparameter am Markt verfügbar. Andererseits weisen die vorhandenen mathematischen Modelle zur Beschreibung der Gärungsprozesse nicht die erforderliche Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit auf. Insbesondere die Kenntnis über Zusammensetzung und Verhalten der Mischkulturen von Mikroorganismen (Archaeen, Bakterien und Eukaryoten) ist von großer Bedeutung, da diese für die eigentliche Produktion von Rohbiogas aus organischer Masse (Substrat und Biomasse) im Bioreaktor verantwortlich ist. Jedoch können die Biozönose oder die Eigenschaften des Substrates nicht oder nur sehr aufwändig online bestimmt werden.

Die Modelle und deren Derivate, die zur Simulation der Biogasgewinnung eingesetzt werden, sind in ihrer Vielzahl kaum zu überschauen, da in der Vergangenheit für jeden Anwendungsfall eine eigene Abwandlung entwickelt wurde. Grundlage ist dabei in den meisten Fällen das „Anaerobic Digestion Model Number 1“ (ADM1) aus dem Jahre 2002.

Projektziele

Die Ziele des Forschungsprojektes „Biogas OptiMus“ gliedern sich in zwei Bereiche. Zum einen soll die Beschreibung der Rohbiogasproduktionsprozesse in einem Modell verbessert werden. Zum anderen steht die indirekte, simulative Bestimmung der bisher nicht messbaren Prozessparameter im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Arbeiten. Beides stellt eine wesentliche Voraussetzung dafür dar, dass die Produktion von Rohbiogas flexibel an die Nachfrage des Marktes angepasst werden kann.

Modell

Grundlage für aktuelle Simulationsmodelle der Biogasbildung ist in der überwiegenden Anzahl der Fälle das ADM1. Aufgrund der komplexen Implementierung des ADM1 wurden Weiterentwicklungen nicht wieder in das ursprüngliche Modell integriert, weshalb ein Großteil des bereits vorhandenen Wissens nicht in seiner Gänze zur Verfügung steht. Dadurch können zum heutigen Stand jeweils nur Teile der Abläufe im Rohbiogasproduktionsprozess modellhaft abgebildet werden. Deshalb wird im Rahmen des Projektes „Biogas OptiMus“ die Fragmentierung der Modelllandschaft aufgehoben und ein neues, holistisches Modell mit allen bisher in der Literatur beschriebenen Eigenschaften des Produktionsprozesses erstellt. Um diese Aufgabe flexibel und modular durchführen zu können, wird auf die bisherige Implementierung in der Mathematikumgebung MATLAB/Simulink® verzichtet und stattdessen auf die Modellierungssprache der Systembiologie SBML (System Biology Markup Language) zurückgegriffen. Das resultierende SBML-Modell wird nach seiner Fertigstellung in der dafür vorgesehenen „BioModels Database“ des „EMBL-European Bioinformatics Institute“ veröffentlicht.

Die Defragmentierung der Modellvielfalt ist dabei nur ein Teilziel des Projektes „Biogas OptiMus“. Eine weitere Aufgabe besteht darin, mit den Methoden der Mustererkennung Prozessinterdependenzen zu erkennen. In der Vergangenheit wurde in verschiedenen Biogasanlagen bereits eine große Sammlung an Messdaten von Biogasprozessen generiert, was eine gute Ausgangslage für dieses Ziel darstellt. In Ermangelung an einer Möglichkeit zur Weiterverarbeitung für die direkte Prozessregelung sind die Daten von den Biogasproduzenten bisher jedoch mehr als Monitoring-Werkzeug und weniger zur Regelung der Prozesse verwendet worden. Nach Abschluss der Erforschung von Zusammenhängen in der Biogasproduktion anhand der Mustererkennung, wird die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse mit dem entwickelten SBML-Modell validiert.

Prozessparameter

Zur Erweiterung der experimentellen Datenlage bezüglich der Prozessparameter wird im Rahmen des Projektes an der Biogasanlage Schwandorf des Projektpartners Bayernwerk Natur GmbH und der E.ON Bioerdgas GmbH in Bayern eine neue Messeinrichtung verbaut. Dabei handelt es sich um einen Sensor, der den Bicarbonatgehalt als Frühindikator bestimmt.

Im Technikum der MicrobEnergy GmbH in Schwandorf können im Rahmen des Forschungsprojekts „Biogas OptiMus“ Einzelversuche durchgeführt und die Kinetiken der mikrobiologischen Stoffwechselprozesse bestimmt werden, welche eine wichtige Grundlage für die Modellierung darstellen. Ein Vorteil der Zusammenarbeit mit dem Technikum ist, dass Prozesse bewusst an ihre Grenzen gefahren werden können, ohne wirtschaftliches Risiko durch Versuche auf einer Großanlage einzugehen.

Zur Bestimmung der nicht messbaren oder nicht erfassten Parameter stellt die Methode der Mustererkennung ein geeignetes Werkzeug aus der Reihe von bestehenden Data-Mining Methoden dar. Für deren Einsatz gibt es verschiedene Möglichkeiten: So kann beispielsweise aufgrund der vorhandenen mehrjährigen Messwerte auf Qualität und Zusammensetzung der Substrate geschlossen werden. Weiterhin können bei der Parametrierung des Modells Maßnahmen mithilfe der Mustererkennung abgeleitet werden. Für den Einsatz der Mustererkennung im Forschungsprojekt „Biogas OptiMus“ ist der Projektpartner ITK Engineering AG verantwortlich.

Darüber hinaus ist es analog zur der in der Literatur beschriebenen Methode der Softwaresensoren möglich, über das Prozessmodell einen Abgleich von Simulation und Messwerten durchzuführen, um so die Bestimmung von nicht messbaren Modellparametern vorzunehmen.

Transferleistung

Um eine Verbreitung der Ergebnisse des Forschungsprojektes „Biogas OptiMus“ sicherzustellen, ist das Ziel nicht nur die Bildung eines Regelungsalgorithmus, sondern auch die Erstellung eines Regelkataloges für Betreiber kleinerer Anlagen. Biogasproduktionsstätten, welche nicht über die Sensorik und Steuerungstechnologien verfügen, haben so die Möglichkeit, die Erkenntnisse des Projektes in einer weniger stark technisierten Variante anzuwenden.

Die Ergebnisse werden darüber hinaus auf einschlägigen Fachmessen und Konferenzen einem breitem Publikum präsentiert.

Projektdaten und Förderung

Seit dem 1. Oktober 2012 wird das Projekt »Biogas OptiMus – Optimierte Biogasproduktion durch Mustererkennung« vom Bayerischen Wirtschaftsministerium über eine Laufzeit von drei Jahren gefördert. Als Projektträger fungiert die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, Außenstelle München.

Das Projektkonsortium bedankt sich für die wohlwollende und großzügige Förderung durch das Bayerische Wirtschaftsministerium. Projektträger ist die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, Außenstelle München.

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