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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Biogasanlage und eine entsprechend eingerichtete Biogasanlage.
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Biogasanlagen
im Sinne dieser Erfindung sind Vorrichtungen zur biologischen Behandlung
von im wesentlichen festen oder schlammigen organischen Material
(Ausgangsmaterial), insbesondere biologischem Abfall einschließlich Obst-,
Gemüse-
und Gartenabfall, organische Fraktionen von Hausmüll (RDF
oder feuchte Fraktion), Häcksel
von Seitenstreifen, Schnittabfall u.ä., Mist, Gülle, Silage und insbesondere
Grassilage, Mais, Getreide und Speisereste, Häcksel von Rüben (Pressschnitzel und Melasse),
Biertreber, Getreide-, Kartoffel- und/oder
Obstschlempe, Nebenprodukte der Stärkeerzeugung, Nebenprodukte
der Obstverarbeitung (Trester), Organische Reststoffe aus Kommunen
und Schlachtrückstände. Die
Ausgangsmaterialien werden in einem Fermenter fermentiert, wobei
ein brennbares Gas (Biogas) anfällt,
insbesondere ein methanhaltiges Gas. Die Gewinnung des Biogases
ist eines der Ziele des Betriebs einer Biogasanlage.
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Problematisch
beim Betrieb einer Biogasanlage ist, dass das Ausgangsmaterial eine
häufig
wechselnde Zusammensetzung besitzt. Insbesondere ändert sich
im Laufe eines Jahres die Art, Zusammensetzung und Konsistenz von
zur Verfügung
stehendem biologischen Abfall. Diese Veränderungen können sehr kurzfristig erfolgen,
wie dies beispielsweise bei Gülle
häufig
zu beobachten ist. Die Menge und Qualität, insbesondere der Brennwert,
von Biogas in einer Biogasanlage wiederum ist abhängig von
den bei der Fermentation ablaufenden biochemischen Vorgängen, die
wiederum sehr stark von der Zusammensetzung und Konsistenz der Ausgangsmaterialien
sowie weiteren Fermentationsparametern wie Sauerstoffeintrag, Temperatur,
Wassergehalt und Durchmischung (und dabei beispielsweise von der
Rührzeitverhältnis und/oder
Rührzeitperiodendauer)
abhängt.
Der Einfluss der Zusammensetzung und Konsistenz der Ausgangsmaterialien
sowie der Fermentationsparameter auf die Menge und Qualität des Biogases
ist aufgrund der Komplexität
der biochemischen Vorgänge
bei der Fermentation nur sehr schwer vorhersagbar. Mitunter kommt
es zu ohne erkennbare Veränderung
der Zusammensetzung und Konsistenz der Ausgangsmaterialien und der
Fermentationsparameter einem "Umkippen" der Biogasanlage,
so dass ohne erkennbaren Grund die Menge und Qualität des Biogases stark
nachlässt.
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Es
ist deshalb versucht worden, durch eine Probenahme des Fermenterinhaltes
während
der Fermentation die Fermentationsbedingungen genauer zu untersuchen. Üblicherweise
werden dazu Proben des Fermenterinhaltes entnommen, an ein biochemisches
Labor eingeschickt und dort untersucht. Der Transport der Proben
zum Labor und die Untersuchungen benötigen eine lange Zeit, üblich sind
mehrere Tage. Innerhalb dieser Zeit kann die Biogasanlage jedoch
bereits umkippen, so dass das Analyseergebnis wertlos wird. Zudem sind
diese Untersuchungen häufig
teuer.
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Es
ist deshalb in der Vergangenheit versucht worden, wichtige, den
Zustand des Fermenterinhaltes beschreibende Größen während des laufenden Betriebs
in kurzer Zeit, möglichst
innerhalb von weniger als 1 h ("on-line"), zu ermitteln.
So beschreibt beispielsweise die
DE 198 51 397 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erfassung des anaeroben Abbaues von Schlämmen, Bioabfällen und
Abwässern,
bei dem on-line Temperatur, Redoxpotential, pH-Wert und Gasproduktion
analysiert werden. Nicht beschrieben ist, wie die Analysen vorgenommen
werden, und wie der Betrieb der Biogasanlage in Abhängigkeit
von den gemessenen Größen gesteuert
werden soll. Die
DE
20 2004 000 273 U1 wiederum beschreibt ein Messsystem zur Überwachung
der Methanbildung in Biogasreaktoren, bei dem Methan aus einem flüssigen Fermenterinhalt
durch einen Membran diffundiert, mit einem Trägergasstrom aus dem Fermenter
heraustransportiert und von einem Gasmessgerät quantifiziert wird. Nachteilig
hieran ist jedoch, dass auf diese Weise nur das Ergebnis der Fermentation
beurteilt wird, aber kaum Rückschlüsse auf
den Einfluss der Zusammensetzung und Konsistenz der Ausgangsmaterialien
und der Fermentationsparameter auf die Menge und Qualität des Biogases
möglich
sind. Ferner wird die Verwendung einer Membran als nachteilig angesehen,
da sie in Biogasanlagen erheblich mechanisch beansprucht wird und
dementsprechend leicht beschädigt
werden kann, und zudem ihre Durchlässigkeit für Methan beispielsweise durch
Besiedlung mit Mikroorganismen im Verlauf einer Fermentation schwanken
kann. Die
DE 10
2004 037 798 A1 wiederum zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Vergärung
von Biomasse, bei der online einzig der pH-Wert des Fermenterinhaltes,
die Biogasbildungsrate und die Methankonzentration im Biogas gemessen
und anhand dieser Messwerte eine Steuerung der Fermentation vorgenommen
werden soll. Eine bestimmte Art der pH-Messung wird nicht angegeben;
ferner fehlt ein Hinweis darauf, wie die Messwerte im Einzelnen
in die Steuerung der Vorrichtung eingehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zum Steuern
einer Biogasanlage und eine entsprechende Biogasanlage selbst anzugeben,
wobei das Verfahren eine Biogasherstellung mit möglichst hoher Menge und Qualität an Biogas
auch bei wechselnder Zusammensetzung der Ausgangsstoffe ermöglichen
sollte. Das Verfahren sollte zudem eine rasche Steuerung des Fermentationsvorgangs
ermöglichen und
nur möglichst
einfache, zuverlässige
und robuste Messvorrichtungen benötigen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Steuern einer Biogasanlage mit einem Fermenter zum
Umwandeln eines oder mehrerer Ausgangsstoffe zu Biogas, umfassend
die Schritte
- a) Einstellen einer oder mehrerer
der Betriebsgrößen
– Zufuhrrate
an umzuwandelndem bzw. umzuwandelnden Ausgangsstoff(en), Wasser
und optional Rezirkulat und
– Zuführungsdauer der Ausgangsstoffe,
– Temperatur
des Fermenterinhalts,
– Rührzeitverhältnis und
– Rührzeitperiodendauer
auf jeweils vorgewählte
Werte,
- b) Bestimmen eines oder mehrerer Parameter des Fermenterinhaltes
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus pH-Wert, Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis, Menge
in Wasser gelösten
Schwefelwasserstoffs, Essigsäure-Äquivalenten,
Essigsäure,
Propionsäure,
Buttersäure,
Rohproteingehalt, Rohfasergehalt, Ammonium-Stickstoff-Verhältnis (d.h.
die Gesamtmenge an Ammonium des nicht-gasförmigen Fermenterinhalts dividiert
durch die Gesamtmenge Stickstoff des nicht-gasförmigen Fermenterinhalts) und
Gesamtstickstoff jeweils durch Nahinfrarot-Messung des Fermenterinhaltes
und/oder Gassensor-Messung des gasförmigen Fermenterinhalts,
- c) Bestimmen eines oder mehrerer Parameter des Biogases ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Biogasertrag, Methan-Gehalt, Schwefelwasserstoff-Gehalt
und Sauerstoff-Gehalt,
- d) für
jeden Parameter Bestimmen eines gewichteten Gütemaßes anhand eines gewichteten
Mittelwertes des in Schritt b) und c) bestimmten Parameters mit
jeweils vorgewählter
Gewichtung,
- e) Anhand des gewichteten Gütemaßes Optimieren
der in Schritt a) eingestellten Betriebsgrößen in einem Simplex-Verfahren,
und
- f) Wiederholen des Verfahrens, wobei in Schritt a) die in Schritt
e) optimierten Betriebsgrößen eingestellt werden.
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Es
hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein Simplex-Verfahren auf
Grundlage der genannten Betriebsgrößen, der Parameter des Fermenterinhaltes
und des Biogases besonders robust und geeignet zum Steuern einer
Fermentation zur Biogasherstellung ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auf einfache Weise in der Lage, auch auf kurzfristige Änderungen
der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe zu reagieren und ein "Umkippen" der Biogasanlage
zu verhindern. Die genannten Betriebsgrößen und Parameter lassen sich
mit herkömmlichen
Messgeräten
leicht und zuverlässig
online messen, so dass eine online-Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich
ist.
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Im
Sinne dieser Erfindung ist ein Fermenterinhalt der gesamte feste,
flüssige
oder gasförmige
Inhalt einer Biogasanlage, der zur Biogasherstellung in den Fermenter
der Biogasanlage eingebracht und dort gegebenenfalls umgewandelt
wird. Insbesondere das eingangs genannte Ausgangsmaterial und dessen
Umwandlungsprodukte sind bevorzugter Fermenterinhalt.
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Die
Qualität
eines Biogases im Sinne dieser Erfindung ist um so höher, je
größer der
Methangehalt des Biogases ist und je kleiner der Schwefelwasserstoffgehalt
des Biogases ist. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
wird der Wasseranteil des Biogases nach Austritt aus dem Fermenter
verringert, vorzugsweise auf einen Wassergehalt von 2–7 Vol.-%.
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Das
Gütemaß wird dabei
vorzugsweise nach einer der folgenden Formeln bestimmt, wobei y
der jeweilige Parameter (Mittelwert) ist, ymax ein vorgewählter Höchstwert
des Parameters ist, ymin ein vorgewählter Mindestwert des Parameters
ist und s ein vorgewählter
Exponent ist:
- a) der jeweilige Parameter soll
einen Mindestwert erreichen und einen Höchstwert nicht überschreiten: diese Formel wird vorzugsweise
angewendet zum Berechnen des gewichteten Gütemaßes der Parameter wassergelöste H2S-Konzentration, Essigsäure-Äquivalente, Propionsäure-Konzentration,
Buttersäure-Konzentration,
und H2S-Konzentration im Biogas;
- b) der jeweilige Parameter soll einen Höchstwert erreichen und einen
Mindestwert nicht unterschreiten: diese Formel wird vorzugsweise
angewendet zum Berechnen des gewichteten Gütemaßes des Parametes CH4-Gehalt des Biogases;
- c) der jeweilige Parameter soll einen Optimalwert erreichen
und einen Mindestwert nicht unterschreiten und einen Höchstwert
nicht überschreiten: diese Formel wird vorzugsweise
angewendet zum Berechnen des gewichteten Gütemaßes der Parameter pH-Wert,
C/N-Verhältnis,
Essigsäure-Konzentration,
Rohproteingehalt, Ammonium-Stickstoff-Verhältnis, Gesamtstickstoffgehalt
und Biogasertrag.
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Die
Parameter des Fermenterinhaltes, insbesondere pH-Wert, C/N-Verhältnis, wassergelöste H2S-Konzentration (in mg/l), Essigsäure-Äquivalente
(in g/kg), Essigsäure-Konzentration (in
g/kg), Propionsäure-Konzentration
(in g/kg), Buttersäure-Konzentration (in
g/kg), Rohproteingehalt (in %), Ammonium-Stickstoff-Verhältnis (in
%) und Gesamt-Stickstoffgehalt (in Gew.-%), werden mit Hilfe eines
Nahinfrarot-Messgerätes und/oder,
soweit ein Parameter eines Gases zu bestimmen ist, insbesondere
der Biogasertrag (in m3/t), der CH4-Gehalt (in Vol.-%) des Gases und der H2S-Gehalt
(in ppm) des Gases, mit einer jeweils geeigneten Gassonde bestimmt.
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Da
sich die Parameter des Fermenterinhaltes und des Biogases nur langsam ändern, werden
in bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren
die jeweiligen Parameter des Fermenterinhaltes und des Biogases über einen
vorgewählten
Zeitraum zwei- oder mehrmals gemessen, als Parameter des Fermenterinhalts
bzw. des Biogases wird dann der Mittelwert der jeweiligen Messwerte
verwendet. Bevorzugt werden die Parameter jeweils über einen
Zeitraum von 8 bis 48 Stunden, besonders bevorzugt über einen
Zeitraum von 24 Stunden gemittelt.
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Besonders
bevorzugt werden die Größen ymin,
ymax, yopt und s sowie das Gewicht des Gütemaßes wie folgt gewählt: Tabelle 1: Bevorzugte Berechnugnsgrößen
| Parameter | Einheit | Formel | y(min) | y(opt) | y(max) | Exponent | Gewichtung (nicht normiert) |
| s | G |
| pH-Wert | – | c) | 6,2 | 7,5 | 8,8 | 0,25 | 70 |
| C/N-Verhältnis | – | c) | 3 | 10 | 50 | 0,25 | 40 |
| H2S (in Wasser gelöst) | mg/l | a) | 0,5 | | 3 | 0,25 | 35 |
| Essigsäure-Äquivalenz | g/kg | a) | 0,2 | | 0,25 | 0,25 | 70 |
| Essigsäure | g/kg | c) | 0,5 | 1,5 | 3 | 1 | 75 |
| Propionsäure | g/kg | a) | 0,05 | | 0,12 | 1 | 75 |
| Buttersäure | g/kg | a) | 0,02 | | 0,05 | 1 | 75 |
| Rohproteingehalt | % | c) | 1 | 2,2 | 3,5 | 0,25 | 45 |
| NH4-N | % | c) | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,25 | 50 |
| N-Gesamt | % | c) | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,25 | 35 |
| Biogasertrag | m3/t | c) | 5000 | 6500 | 8000 | 1 | 90 |
| CH4 | % | b) | 52 | | 70 | 1 | 100 |
| H2S | ppm | a) | 150 | | 400 | 1 | 55 |
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In
besonders bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in Schritt e) anstelle des Optimierens der Betriebsgrößen eine
Kombination an 5 Betriebsgrößen wieder
gewählt,
die bei mehr Durchführungen
des Schrittes e) berücksichtigt
wurde, als die Zahl der in Schritt a) eingestellten Betriebsgrößen beträgt. Auf
diese Weise kann verhindert werden, dass eine Kombination an Betriebsgrößen dauerhaft in
die Optimierung eingeht, deren Gütemaß teilweise
das Ergebnis eines Messfehlers oder Ausreißers ist.
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Die
Gewichtung der Parameter in Schritt d) beträgt vorzugsweise
20 bis
80 für
den pH-Wert, bevorzugt 70,
20 bis 80 für das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis, bevorzugt
40,
30 bis 70 für
die Menge in Wasser gelösten
Schwefelwasserstoffs, bevorzugt 35,
50 bis 90 für die Menge
in Wasser gelöster
Essigsäure-Äquivalente,
bevorzugt 70,
50 bis 100 für
die Menge in Wasser gelöster
Essigsäure,
bevorzugt 75,
50 bis 100 für
die Menge in Wasser gelöster
Propionsäure,
bevorzugt 75,
50 bis 100 für
die Menge in Wasser gelöster
Buttersäure,
bevorzugt 75,
30 bis 60 für
den Rohproteingehalt, bevorzugt 45,
20 bis 50 für den Rohfasergehalt,
bevorzugt 35,
20 bis 75 für
das Ammonium-Stickstoff-Verhältnis,
bevorzugt 50,
30 bis 60 für
den Gesamtstickstoff, bevorzugt 35,
70 bis 100 für den Biogasertrag,
bevorzugt 90,
80 bis 100 für
den Methan-Gehalt des Biogases, bevorzugt 100,
40 bis 80 für den Schwefelwasserstoff-Gehalt
des Biogases, bevorzugt 55, und
30 bis 75 für den Sauerstoff-Gehalt des
Biogases, bevorzugt 55.
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Mit
diesen Parametergewichtungen kann die beste Stabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei plötzlicher Änderung
der Qualität
oder Zusammensetzung der Aus gangssubstanzen erreicht werden, ohne dass
es zu einem "Umkippen" der Biogasherstellung
oder zu einer deutlichen Verschlechterung der Menge oder Qualität des Biogases
kommt.
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Die
Gewichtungen der Gütemaße können zusätzlich normiert
werden, vorzugsweise auf Werte zwischen 0 und 1, besonders bevorzugt
anhand der Formel
wobei i ein Index der im
Rahmen des Verfahrens bestimmten Gütemaße ist, g
i die
normierte Gewichtung des jeweiligen Gütemaßes i ist, und G
i die
Gewichtung des Gütemaßes vor
der Normierung ist.
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Dementsprechend
wird auch eine Biogasanlage angegeben, umfassend einen Fermenter
zum Umsetzen von Ausgangsstoffen zu Biogas, eine Ausgangsstoffzufuhr
für jeweils
einen oder mehrere Ausgangsstoffe, eine Wasserzufuhr, eine Rezirkulatzufuhr,
eine Temperierungseinrichtung, einen Rührer, ein Nahinfrarot-Messgerät und eine
mit dem Nahinfrarot-Messgerät
verbundene Steuerung, wobei die Steuerung eingerichtet ist zum Vorwählen der
Zufuhrrate an umzuwandelndem bzw. umzuwandelnden Ausgangsstoff(en),
Wasser und Rezirkulat, der Zuführungsdauer
der Ausgangsstoffe, der Betriebstemperatur der Biogasanlage, des
Rührzeitverhältnis und
der Rührzeitperiodendauer
durch Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Biogasanlage
ermöglicht
es, die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwirklichen.
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Ein
in der erfindungsgemäßen Biogasanlage
einsetzbares Nahinfrarot-Messgerät
ist beispielsweise beschrieben in der
DE 10 2004 010 217 A1 ,
deren Offenbarungsgehalt in soweit Bestandteil dieser Anmeldung ist.
Die genannte Offenlegungsschrift offenbart jedoch nicht, wie mit
Hilfe der Messdaten des Nahinfrarot-Messgerätes eine Steuerung einer Biogasanlage
gestaltet werden könnte.
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Zweckmäßig ist
es, das Nahinfrarot-Messgerät
entweder am Fermenter selbst oder an einer Probenahme-Durchflussstrecke
anzuordnen, wie in der
DE
10 2004 010 217 A1 beschrieben.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Biogasanlage
ist die Steuerung eingerichtet zum selbsttätigen Einstellen der Zufuhrrate
an umzuwandelndem bzw. umzuwandelnden Ausgangsstoff(en), Wasser
und Rezirkulat, der Zuführungsdauer
der Ausgangsstoffe, der Betriebstemperatur der Biogasanlage, des
Rührzeitverhältnis und/oder
der Rührzeitperiodendauer.
Das selbständige
Einstellen geschieht durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Erfindungsgemäß wird zudem
eine Steuerung für
eine Biogasanlage angegeben, wobei die Steuerung umfasst: eine Anzahl
Eingabekanäle
für die
Betriebsgröße oder
Betriebsgrößen, eine
Anzahl Eingabekanäle für den oder
die Parameter des Fermenterinhalts, Verarbeitungsmittel zum Durchführen der
Schritte a) bis e) nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, und Ausgabekanäle zum Signalisieren
der in Schritt e) optimierten Betriebsgrößen. Eine solche Steuerung
ermöglicht
auf besonders einfache Weise, die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu verwirklichen.
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In
bevorzugten erfindungsgemäßen Steuerungen
sind die Eingabekanäle
eingerichtet zum Empfangen von für
den jeweiligen Eingabekanal spezifischen Messsignalen. Alternativ
dazu kann einer, mehrere oder alle Eingabekanäle auch eingerichtet sein zur
manuellen Dateneingabe.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele und Figuren näher beschrieben,
ohne dass diese den Schutzbereich der Patentansprüche einschränken sollen.
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Beispiel 1: Bestimmen gewichteter Gütemaße
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Die
oben in Tabelle 1 angegebenen nicht normierten Gewichtungen der
Gütemaße wurden
auf Werte zwischen 0 und 100% normiert. Unter Zugrundelegung der
weiteren in Tabelle 1 angegebenen Rechengrößen und Einsetzen von jeweiligen
Messwer ten y in die in Tabelle 1 angegebene jeweilige Formel a),
b) oder c) wurden folgende gewichtete Gütemaße erhalten: Tabelle
2: Beispielberechnung gewichteter Gütemaße
| Parameter | Gewichtung (normiert)
g | Messwert
y | Gütemaß
d | Gütemaß (gewichtet)
g·d |
| pH-Wert | 9% | 7,7 | 0,959 | 0,082 |
| C/N-Verhältnis | 5% | 5 | 0,731 | 0,036 |
| H2S (in Wasser gelöst) | 4% | 0,8 | 0,969 | 0,042 |
| Essigsäure-Äquivalenz | 9% | 0,33 | 0,000 | 0,000 |
| Essigsäure | 9% | 0,12 | 0,000 | 0,000 |
| Propionsäure | 9% | 0,02 | 1,000 | 0,092 |
| Buttersäure | 9% | 0 | 1,000 | 0,092 |
| Rohproteingehalt | 6% | 1,8 | 0,904 | 0,050 |
| NH4-N | 6% | 0,16 | 0,880 | 0,054 |
| N-Gesamt | 4% | 0,29 | 0,974 | 0,042 |
| Biogasertrag | 11% | 4200 | 0,000 | 0,000 |
| CH4 | 12% | 59,1 | 0,394 | 0,048 |
| H2S | 7% | 167 | 0,932 | 0,063 |
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Beispiel 2: Beschreibung des Simplex-Algorithmus
für eine
Biogasanlagensteuerung
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Der
Simplex-Algorithmus als solcher ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise
beschrieben in Bronstein, Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik,
24. Auflage, Verlag Harri Deutsch, 1989, 701–717.
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Für die Steuerung
einer Biogasanlage wird zunächst
eine verallgemeinerte Zielgröße gebildet.
Diese ist erfindungsgemäß gewählt als
gewichteter Mittelwert aus Biogasertrag, CH
4-,
H
2S- und O
2- Konzentration
im erzeugten Biogas. Die Gewichtungen nimmt der Fachmann anhand
der von ihm jeweils angestrebten Biogas-Qualität vor. Beispielsweise kann
in wenig dicht besiedelten Gebieten die Gewichtung der H
2S-Konzentration
im Biogas gering sein, wenn die Geruchsentwicklung nur von untergeordneter
Bedeutung ist. Die verallgemeinerte Zielgröße v errechnet sich somit aus:
wobei m die Anzahl der in
die Berechnung der verallgemeinerten Zielgröße eingehenden Messgrößen d
i ist und g
i die
Gewichtung des jeweiligen Messgröße d
i ist.
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Die
so gebildete verallgemeinerte Zielgröße nimmt Werte zwischen 0 und
1 an und wird durch den Simplex-Algorithmus maximiert. Dadurch findet
eine simultane Optimierung aller Zielgrößen unter Berücksichtigung
ihrer jeweiligen Gewichtung statt.
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Ferner
werden die Betriebsgrößen und
die Parameter des Fermenterinhalts im Simplex-Algorithmus berücksichtigt.
Die Betriebsgrößen und
Parameter sind in den Tabellen 3 und 4 aufgezählt. Tabelle
3: berücksichtigte
Betriebsgrößen
| Betriebsgröße | Einheit | Minimum | Maximum | Schrittweite | Startwert |
| Gülle | t/d | 10 | 20 | 1 | 14 |
| Mais | t/d | 10 | 28 | 2 | 20 |
| Getreide | t/d | 0 | 5 | 0,5 | 2 |
| Wasser | t/d | 0 | 10 | 1 | 4 |
| Rezikulat | t/d | 0 | 80 | 5 | 51 |
Tabelle
4: berücksichtigte
Parameter des Fermenterinhalts:
| Parameter | Einheit | Minimum | Maximum | Schrittweite | Startwert |
| Portionierung | Min. | 10 | 720 | 10 | 60 |
| Temperatur | 00 | 34 | 50 | 0,5 | 37,6 |
| Rührzeitverhältnis (Rührzeit/Gesamtzeit) | % | 0 | 100 | 5 | 18 |
| Rührzeitperiodendauer | Min. | 0 | 200 | 5 | 60 |
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Zunächst wird
ein Startsimplex gebildet, indem die Biogasanlage mit einer vorgewählten Einstellung der
Betriebsgrößen und
Parameter des Fermenterinhalts betrieben und die verallgemeinerte
Zielgröße daraus ermittelt
wird. Ein typischer Startsimplex ist in Tabelle 5 wiedergegeben.
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Der
Startsimplex zeigt, dass die Betriebsgrößen und Parameter des Fermenterinhaltes
in Versuch 6 den schlechtesten Wert der verallgemeinerten Zielgröße ergeben
haben. Anhand des Simplex-Verfahrens wird nunmehr zum Ersatz dieser
Kombination von Betriebsgrößen und
Parameter eine neue Kombination berechnet, anhand der Formeln:
XiS = 2·XiZ – Xia (8)wobei
X
ij der Wert der Betriebsgröße bzw.
des Parameters i im Versuch j bezeichnet, N die Anzahl der Arbeitspunkte
des Simplex bezeichnet, X
iZ den arithmetischen
Mittelwert aus den Betriebsgrößen und
Parametern aller Versuche im Simplex, außer dem des Versuches, der
als der schlechteste beurteilt wurde, bezeichnet, und X
iS den
an X
iZ gespiegelten Wert und damit den anstelle
der bisherigen schlechtesten Kombination neu einzustellenden Kombination
(Simplex) bezeichnet.
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Somit
ergibt sich für
den ersten Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens folgender Simplex
gemäß Tabelle
6:
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Diese
Schritte werden wiederholt. Das erfindungsgemäße Verfahren nähert sich
so stets den optimalen Betriebsbedingungen der Biogasanlage an.
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Dabei
wird eine Kombination der Betriebsgrößen und Parameter des Fermenterinhaltes,
die bei k Durchläufen
des Verfahrens berücksichtigt
wurde, noch einmal erneut eingestellt, um zu überprüfen, ob erneut die zuvor ermittelte
verallgemeinerte Zielgröße erhalten
werden kann. "k" bedeutet dabei die
Anzahl and im Simplex-Algorithmus berücksichtigten Betriebsgrößen und
Parameter des Fermenterinhaltes. Sollte der Wert der verallgemeinerten
Zielgröße bestätigt werden
können,
so wird diese Kombination auch in den nächsten k + 1 Durchläufen berücksichtigt,
soweit sie nicht unterdessen durch eine bessere Kombination ersetzt
wurde.
