DE102010056541A1

DE102010056541A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Fermentationsanlage zur Gewinnung von Biogas

Info

Publication number: DE102010056541A1
Application number: DE102010056541A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Verfahren bzw. Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung einer Biogas-Fermentationsanlage, dadurch gekennzeichnet daß mindestens die Bildungsrate des Biogases gemessen wird, und das gebildete Biogas automatisiert kontrolliert aufgefangen und der Speicherung, Aufbereitung oder Verwertung zugeführt wird, und Daten automatisiert via Datenfernübertragung an mindestens einen Datenempfänger übertragen werden, und Daten via Datenfernübertragung von mindestens einem Datensender automatisch empfangen und verarbeitet werden, und die Arbeitsschritte automatisiert ausgeführt werden, so daß die Steuerung der Fermentationsanlage keinerlei Personalaufwand benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Fermentationsanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung einer Fermentationsanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 4.
Bekannte Biogasanlagen arbeiten nach dem Durchlauf-Prinzip und sind darauf ausgerichtet, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel leicht vergärbares Material zu vergären und anschließend die schwer vergärbaren Anteile der Biomasse wieder auszuschleussen.
Die bekannten dafür verwendeten Steuerungen arbeiten wie folgt: Zur Überwachung der Anlage werden ein oder mehrere Prozeßparameter (z. B. Temperatur, pH-Wert, Wasserstoffpartialdruck, Trockenmassegehalt) stichprobenartig oder kontinuierlich gemessen, und daraus auf den aktuellen Verlauf des Fermentationsprozesses geschlossen. Wird eine Fehlfunktion erkannt, bzw. liegen einer oder mehrere Parameter nicht innerhalb des gewünschten Bereiches, so wird durch Zugabe von Chemikalien oder Biomassen mit bekannter Wirkung auf den Fermentationsprozeß der Verlauf der Fermentation beeinflußt. Das einzubringende Material kann sowohl vor Beschickung des Fermenters mit Biomasse dieser zugeführt, als auch während des Fermentationsprozesses nachträglich in den Fermenter eingebracht werden. Auch ausgegorene oder teilweise ausgegorene Restbiomasse wird verwendet.
Die DE 10 2008 014 635 B4 offenbart ein Steuerungsverfahren, bei dem die gebildete Biogasmenge kontinuierlich oder quasikontinuierlich gemessen wird, und in Abhängigkeit von der Biogasbildungsrate Steuersubstrate zugegeben werden, die den Fermentationsprozeß drosseln, um eine möglichst gleichmäßige Biogasbildung zu erreichen.
Die DE 10 2004 061 455 A1 offenbart ein Steuerungsverfahren, bei dem mindestens der Wasserstoffpartialdruck gemessen wird, und die Steuerung der Fermentation in Abhängigkeit von diesem durch Beimischung ausgewählter Rohstoffe erfolgt. Hinweise an einen Benutzer werden lediglich per Display ausgegeben. Ein eventuell manuell eingreifender Anlagenbetreuer muß also persönlich vor Ort anwesend sein.
Die EP 1 762 607 A1 offenbart ein Biogasanlagen-Regelungsverfahren, bei dem mindestens ein Prozeßparameter als Regelgröße überwacht wird, und die Regelung durch Zudosieren mindestens einer Regel-Biomasse, deren Einfluß auf den Fermentationsprozeß bekannt ist, erfolgt.
Die EP 621 336 B1 offenbart eine Steuerung einer Biogasanlage, bei der die zuzuführenden Biomassen eingangs des Fermenters mit weitgehend fermentierten Abfällen vom Ausgang des Fermenters gemischt werden, wobei die Steuerung durch die mengenmäßig variable Zudosierung der weitgehend fermentierten Biomassen erfolgt, die in Abhängigkeit des gemessenen Trockensubstanzgehalts und pH-Wertes erfolgt. Der Fermenter selbst wird im Pfropfstrombetrieb betrieben. Die Biomassen werden ausgeschleust und weiter prozessiert.
Die bekannten Steuerungen sind kostenaufwendig und bedürfen ständiger personeller Überwachung, ebenso wie die zugehörigen Anlagen selbst. Keine der bekannten Anlagensteuerungen erlaubt die Fernsteuerung der Fermentationsanlage.
Aus der DE 10 2007 036 049 A1 ist ein Anlagentyp bekannt, der bei minmalem Arbeits-, Steuerungs- und Regelungsaufwand die massebezogen maximal mögliche Ausbeute an Biogas gewinnt. Bei diesem Anlagentyp kann zur Beschleunigung der Umsetzung Regelung bzw. Steuerung gemäß bekannter Vorgehensweisen durchgeführt werden. Dieser Anlagentyp ist jedoch darauf ausgelegt, daß der Fermentationsprozeß weitestgehend ohne Regelungs- und Steuerungsaufwand, und insbesondere weitestmöglich ohne Personalaufwand ablaufen kann. Daher können derartige Anlagen abseits ausgebauter Versorgungswege nahe am Entstehungsort der zu verwendenden Biomassen errichtet werden. Dadurch ist es erforderlich, das Sammeln und ggf. Verwenden des Biogases automatisiert durchzuführen, so daß möglichst keine manuellen Abläufe durchgeführt werden müssen. Die Steuerung einer derartigen Fermentationsanlage muß also auch die Produktgewinnung beinhalten und aus der Ferne bedienbar sein.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren, bzw. eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, womit die Steuerung bzw. Überwachung einer Fermenationsanlage ohne Personalaufwand und aus der Ferne möglich ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten bzw. durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 4 angegebenen Bestandteilen gelöst.
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Biogasanlage sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung einer solchen Fermentationsanlage, wobei diese Vorrichtung eine elektronische Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Verarbeitung von Meßdaten beinhaltet.
1 zeigt beispielhaft und schematisch die Ablaufbeschreibung einer erfindungsgemäßen Fermentationssteuerung, wobei der Umfang der Erfindung nicht durch die Angaben in 1 beschränkt ist. Insbesondere ist die Reihenfolge und Anzahl der einzelnen Arbeitsschritte beliebig änderbar, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Unter „Daten” im erfindungsgemäßen Sinne werden alle aufgenommenen Sensorsignale in digitalisierter Form verstanden, also z. B. Betriebsparameter/Umgebungsbedingungen, sowie daraus abgeleitete/berechnete Kennwerte und digitalisierte Steuerbefehle, die die elektronische Einrichtung verarbeiten kann.
Der Ablauf der Anlagenüberwachung/-Steuerung wird nachfolgend anhand des in 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben. Darin symbolisieren durchgezogene Pfeile Abfolgen von Arbeitsschritten und unterbrochene Pfeile Datenflüsse. Darüber hinaus gilt die nachfolgende Bezugszeichenliste.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsschritt Nr. 1 – Meßwert-/Datenaufnahme
2: Arbeitsschritt Nr. 2 – Bewertung/Prüfung der Daten/Meßwerte
3: Arbeitsschritt Nr. 3 – Ansteuerung von Pump- und Absperrvorrichtung
4: Arbeitsschritt Nr. 4 – Verarbeitung der Daten/Meßwerte
5: Arbeitsschritt Nr. 5 – Datenempfang und -verarbeitung
6: Arbeitsschritt Nr. 6 – Ruhemodus
S: Datenspeicher
D: Datensender und/oder Datenempfänger
F: Fermentationsbehälter
A: Absperrvorrichtung
P: Pumpvorrichtung
V: Vorrichtung zur Verwertung und/oder Speicherung des Biogases
a: Datenfluß Umgebungsparameter
b: Datenfluß Fermenterparameter
c: Datenfluß Steuerungsparameter für Absperrvorrichtung
d: Datenfluß Steuerungsparameter für Pumpvorrichtung
e: Datenfluß zu Datenspeicher
f: Datenfluß zu Datenempfänger/Überwachungseinrichtung
g: Datenfluß von Datensender/Überwachungseinrichtung

Die Steuerung erfolgt durch zyklisches Abarbeiten einzelner Arbeitsschritte. Ein Überwachungs-/Steuerungszyklus beginnt zum Beispiel in Arbeitsschritt 1 mit der Messung aller relevanten Umgebungsparameter a und Anlagenparameter b, darunter auch dem Füllstand an Produkt im Fermentationsbehälter. Anschließend werden die gemessenen Parameter in Arbeitsschritt 2 einer Prüfung/Bewertung/Auswertung unterzogen. Falls der Füllstand einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wird das Biogas in Arbeitsschritt 3 abgepumpt und der Verwertung oder einem Speicherbehälter V zugeführt, und zwar so lange, bis ein vorgegebener Mindest-Füllstand im Fermenter erreicht ist, oder der Fermenter kein Biogas mehr enthält. Die dazu erforderliche Ansteuerung der Absperrvorrichtung A sowie der Pumpvorrichtung P wird durch die Pfeile c und d symbolisiert. Wenn bei der Prüfung in Arbeitsschritt 2 festgestellt wird, daß keine ausreichende Produktmenge im Fermenter vorhanden ist, wird direkt mit dem Arbeitsschritt 4 fortgefahren. In Arbeitsschritt 4 werden alle aktuellen Daten (Meßwerte, Betriebsparameter, Umgebungsbedingungen, Menge des eventuell aufgefangenen Biogases) im Datenspeicher S abgespeichert, was durch Pfeil e symbolisiert wird, und/oder per Datenfernübertragung zur Überwachungsstelle D für die Anlage geschickt, was durch Pfeil f symbolisiert wird. Anschließend werden im Arbeitsschritt 5 Steuerbefehle von der Überwachungsstelle D empfangen und automatisiert ausgeführt, was durch den strichlierten Pfeil g symbolisiert wird. Nach Abarbeiten aller Steuerbefehle geht das Programm in einen Ruhemodus 6 über, bis der nächste Überwachungszyklus mit der Messung aller Parameter in Arbeitsschritt 1 wieder beginnt. Der Übergang vom Ruhemodus 6 in den Arbeitsschritt 1, also der erneute Eintritt in einen Steuerungs-/Überwachungszyklus, kann sowohl nach einem vorab festgelegten Zeitintervall erfolgen, als auch durch Überschreiten eines festgelegten Grenzwertes irgendeines der aufgenommenen Parameter. Das Wiedereintreten in den Steuerungs-/Überwachungszyklus, beginnend mit Abarbeiten von Arbeitsschritt 1, kann auch von den Werten mehrerer Parameter abhängen. In den letzten beiden Fälle überwacht das Programm auch im Ruhemodus 6 mindestens einen Parameter. Der Ruhemodus 6 kann auch daraus bestehen, daß das gesamte System stromlos wird; das Wiedereintreten in den Arbeitsmodus erfolgt dann dadurch, daß das System wieder unter Strom gesetzt wird. Dieses Szenario kann z. B. dadurch verwirklicht werden, daß das System direkt an eine photovoltaische Stromversorgung angeschlossen ist, die nur dann ausreichend Elektrizität für den Betrieb liefert, wenn die Lichtverhältnisse entsprechend günstig sind.
Anstelle der Messung der entwickelten Gasmenge können natürlich beliebige andere Meßgrößen verwendet werden, um eine Anlage erfindungsgemäß aus der Ferne zu steuern bzw. zu überwachen.
Neben der Überwachung von Biogasanlagen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Überwachung/Steuerung beliebiger anderer Fermentationsprozesse verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung oder ihrer Äquivalente zu verlassen, zum Beispiel für die Überwachung der alkoholischen Gärung über die Messung der Kohlendioxid-Entwicklung.
Neben Fermentationsanlagen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung/das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Überwachung von chemischen Anlagen oder anderen autark arbeitenden Systemen verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung oder ihrer Äquivalente zu verlassen, z. B. autarke Photovoltaik-Inselanlagen, Anlagen zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung u. a. m.
Weitere Änderungen und Ergänzungen der beschriebenen Ausführungsform, zu welchen der Fachmann aufgrund des Studiums der vorstehenden Beschreibung und ohne erfinderisches Zutun angeregt wird, fallen ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008014635 B4 [0004]
DE 102004061455 A1 [0005]
EP 1762607 A1 [0006]
EP 621336 B1 [0007]
DE 102007036049 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Steuerung und Überwachung einer Biogas-Fermentationsanlage, dadurch gekennzeichnet daß – mindestens die Bildungsrate des Biogases gemessen wird, und das gebildete Biogas automatisiert kontrolliert aufgefangen und der Speicherung, Aufbereitung oder Verwertung zugeführt wird, – und/oder Daten automatisiert via Datenfernübertragung an mindestens einen Datenempfänger übertragen werden, – und/oder Daten via Datenfernübertragung von mindestens einem Datensender automatisch empfangen und verarbeitet werden, – und/oder Arbeitsschritte automatisiert ausgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Arbeitszyklus besteht, der wiederholt durchlaufen wird, und der die Arbeitsschritte – Messung von Betriebsparametern, – Messung von Umgebungsbedingungen, – Auffangen des Produktes und/oder Verwerten des Produktes und/oder Speichern des Produktes, – Übertragung von Daten an mindestens einen Datenempfänger, – Empfangen von Daten von mindestens einem Datensender und – Verarbeitung empfangener und/oder gemessener Daten enthält, wobei die Reihenfolge der Arbeitsschritte nicht festgelegt ist, und die Ausführung einzelner Arbeitsschritte innerhalb eines Arbeitszyklus in Abhängigkeit von bekannten Daten sowohl ausgelassen als auch mehrfach wiederholt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Datenempfänger und/oder der Datensender eine Vorrichtung ist, die ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale elektronische Steuereinheit mit mindestens einem Sensor und mindestens einer Fördereinrichtung sowie mindestens einer Absperrvorrichtung verbunden ist, sowie mindestens einem Sende- und/oder mindestens einem Empfangsmodul, oder mindestens einem kombinierten Sende-/Empfangsmodul, so daß Daten übertragen und/oder empfangen und/oder verarbeitet werden können, und das Auffangen und Weiterleiten des Biogases automatisiert und kontrolliert erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die zentrale Steuereinheit ein Computer ist, der mit den erforderlichen Datenzu- und Ableitungen sowie Datenverarbeitungsmodulen versehen ist, um die erfindungsgemäßen Daten aufzunehmen, und/oder entgegenzunehmen und/oder zu verarbeiten und/oder zu versenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die zentrale Steuereinheit ein Mikroprozessor ist, der zusammen mit der notwendigen elektronischen Verschaltung und entsprechenden Programmierung in der Lage ist, die erfindungsgemäßen Daten aufzunehmen, und/oder entgegenzunehmen und/oder zu verarbeiten und/oder zu versenden.