DE102014113413B3 - Method for controlling a biogas plant and regulating device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage, wobei die Biogasanlage eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage.The invention relates to a method for controlling a biogas plant, wherein the biogas plant has a supply device for feeding a substrate into a fermenter and a gas utilization device, wherein the method comprises the following steps: setting a target value for a gas volume flow, which are made available to the gas utilization device by determining, by means of an optical measuring device, a substrate parameter of the substrate supplied to the fermenter for processing to biogas, determining an expected value for a gas volume flow that can be generated with the substrate based on the determined substrate parameter, comparing the setpoint with the expected value, and Adjusting the supply of the substrate depending on the result of the comparison. Furthermore, the invention relates to a control device for controlling a biogas plant.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage und eine Regelungseinrichtung.The invention relates to a method for controlling a biogas plant and a control device.

Hintergrundbackground

Bei der Biogaserzeugung, die auch als Fermentation bezeichnet wird, wird unter anaeroben Bedingungen Substrat zu Biogas, organischen Reststoffen und Wärme umgewandelt. Das Substrat besteht hauptsächlich aus Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten. Die Biogaserzeugung ist durch vier Teilschritte gekennzeichnet, welche von unterschiedlichen Bakterien beeinflusst sind. Die Einzelheiten der Biogaserzeugung sind bekannt.In biogas production, which is also referred to as fermentation, substrate is converted to biogas, organic residues and heat under anaerobic conditions. The substrate consists mainly of proteins, carbohydrates and fats. Biogas production is characterized by four steps, which are influenced by different bacteria. The details of biogas production are known.

Ein Steuerungs- und Regelungsverfahren für Biogasanlagen ist in dem Dokument EP 2 559 750 A1 offenbart. Es wird eine Massenbilanz der Zulauf- und Ablaufströme des Fermenters bestimmt. Die Regelgrößen (Futtermittelparameter) werden im Labor ermittelt. Zusätzlich können Parameter des Substrats mittels Nahinfrarotspektroskopie bestimmt werden.A control and regulation procedure for biogas plants is in the document EP 2 559 750 A1 disclosed. It is determined a mass balance of the inflow and outflow of the fermenter. The controlled variables (feed parameters) are determined in the laboratory. In addition, parameters of the substrate can be determined by near-infrared spectroscopy.

Das Dokument DE 10 2006 053 863 A1 offenbart eine Steuerungsmethode für eine Biogasanlage anhand von Zielgrößen. Mittels eines Simplex-Algorithmus werden die Zielgrößen optimiert.The document DE 10 2006 053 863 A1 discloses a control method for a biogas plant based on target variables. Using a simplex algorithm, the target sizes are optimized.

Der Stand der Technik hat den Nachteil, dass die Ermittlung von Regelgrößen sehr lange dauert, oft mehrere Tage. Die Regelgrößen werden nur alle paar Tage oder Wochen bestimmt. Eine Anpassung der Biogasanlage erfolgt daher zeitverzögert.The prior art has the disadvantage that the determination of controlled variables takes a long time, often several days. The controlled variables are only determined every few days or weeks. An adaptation of the biogas plant is therefore time delayed.

ZusammenfassungSummary

Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zum Regeln einer Biogasanlage zur Verfügung zu stellen.The task is to provide improved technologies for controlling a biogas plant.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie die Regelungseinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the method according to independent claim 1 and the control device according to independent claim 10. Further embodiments are the subject of the dependent claims.

Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage offenbart. Die Biogasanlage weist eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.In one aspect, a method for controlling a biogas plant is disclosed. The biogas plant has a supply device for supplying a substrate into a fermenter and a gas utilization device. The method comprises the following steps: setting a desired value for a gas volume flow, which is to be made available to the gas utilization device, determining a substrate parameter of the substrate, which is supplied to the fermenter for processing into biogas, by means of an optical measuring device, determining an expected value for a gas volume flow which can be generated with the substrate based on the determined substrate parameter, comparing the setpoint with the expected value and adjusting the supply of the substrate depending on the result of the comparison.

Nach einem weiteren Aspekt ist eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage offenbart mit einer optischen Messeinrichtung und einer Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der optischen Messeinrichtung datentechnisch gekoppelt ist. Die optische Messeinrichtung ist ausgelegt, mittels einer optischen Messung einen Substratparameter eines Substrats zu bestimmen, das einem Fermenter der Biogasanlage zugeführt wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist ausgelegt, einen Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom anhand des bestimmten Substratparameters zu ermitteln, den Erwartungswert mit einem Sollwert für den Gasvolumenstrom zu vergleichen und eine Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einzustellen.According to a further aspect, a control device for controlling a biogas plant is disclosed with an optical measuring device and a data processing device, which is coupled with the optical measuring device for data technology. The optical measuring device is designed to determine by means of an optical measurement a substrate parameter of a substrate, which is supplied to a fermenter of the biogas plant. The data processing device is designed to determine an expected value for a gas volume flow on the basis of the determined substrate parameter, to compare the expected value with a desired value for the gas volume flow and to adjust a supply of the substrate as a function of the result of the comparison.

Die optische Messeinrichtung kann ausgelegt sein, den Substratparameter on-line, also in Echtzeit, zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Anpassung der Substratzufuhr ebenfalls in Echtzeit und eine bedarfsgesteuerte Fütterung der Anlage. Mittels der optischen Messeinrichtung können ein oder mehrere Substratparameter bestimmt werden. The optical measuring device can be designed to determine the substrate parameter on-line, ie in real time. This allows an adjustment of the substrate supply also in real time and an on-demand feeding of the system. By means of the optical measuring device, one or more substrate parameters can be determined.

Bei der Zufuhr des Substrats können die Menge und / oder die Zusammensetzung des Substrats eingestellt werden. Das Substrat kann Getreide, Maissilage, Gülle (z.B. Rindergülle, Schweinegülle) und Kosubstrat aufweisen. Einige substratspezifische Parameter sind im Folgenden benannt: Die Frischmasse FM ist die Substratmasse in seiner Ausgangsform. Diese enthält vor allem Rohwasser und Trockenmasse. Die Trockensubstanz TS enthält alle energiehaltigen Bestandteile des Substrates. Die Trockensubstanz enthält einen verbrennbaren und einen nicht verbrennbaren Anteil. Als Rohasche (XA) wird der Anteil bezeichnet, welcher nicht-verbrennbar ist. Die organische Trockensubstanz (oTS) ist die Differenz zwischen der Trockensubstanz und der Rohasche (oTS = TS – XA). Des Weiteren kann das Substrat Rohprotein (XP), Rohfett (XL), Rohfaser (XF), Rohlignin und Stärke (XS) enthalten. Upon the supply of the substrate, the amount and / or the composition of the substrate can be adjusted. The substrate may comprise cereals, maize silage, manure (e.g., cattle manure, pig manure) and cosubstrate. Some substrate-specific parameters are named below: The fresh mass FM is the substrate mass in its original form. This contains mainly raw water and dry matter. The dry substance TS contains all energy-containing constituents of the substrate. The dry substance contains a combustible and a non-combustible portion. Crude ash (XA) is the proportion which is non-combustible. The organic dry matter (oTS) is the difference between the dry matter and the crude ash (oTS = TS - XA). Furthermore, the substrate may contain crude protein (XP), crude fat (XL), crude fiber (XF), raw char and starch (XS).

Es kann vorgesehen sein, dass ein aus dem Fermenter abgeführter Anteil des Substrats dem Fermenter als Rezirkulat erneut zugeführt wird, wobei weiterhin ein Rezirkulatparameter des Rezirkulats mittels der optischen Messeinrichtung bestimmt wird und der Erwartungswert für den Gasvolumenstrom unter Berücksichtigung des Rezirkulatsparameters ermittelt wird.It can be provided that a portion of the substrate removed from the fermenter is recirculated to the fermenter as recirculation, wherein furthermore a recirculation parameter of the recirculate is determined by means of the optical measuring device and the expected value for the gas volume flow is determined taking into account the recirculation parameter.

Die Zufuhreinrichtung kann eine Anmischeinrichtung aufweisen, beispielsweise einen Kreis-Dissolver. Ein erster optischer Sensor der optischen Messeinrichtung kann in einer der Anmischeinrichtung vorgelagerten Leitung angeordnet sein. Mittels des ersten optischen Sensors kann der Substratparameter und, wenn vorhanden, der Rezirkulatparameter bestimmt werden. The supply device may have a mixing device, for example a circular dissolver. A first optical sensor of the optical measuring device can be arranged in a line upstream of the mixing device. The substrate parameter and, if present, the recirculation parameter can be determined by means of the first optical sensor.

Es kann vorgesehen sein, dass als Substratparameter und / oder als Rezirkulatparameter ein Parameter aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: fermentierbare organische Trockensubstanz, Rohfaser, Rohprotein, Rohlignin und stickstoffreiche Extraktstoffe.It can be provided that a parameter from the following group is determined as substrate parameter and / or as recirculation parameter: fermentable organic dry substance, crude fiber, crude protein, crude lignin and nitrogen-rich extract substances.

Die Zufuhreinrichtung kann eine Fördereinrichtung aufweist, beispielsweise eine Steigschnecke. In der Fördereinrichtung kann ein zweiter optischer Sensor der optischen Messeinrichtung angeordnet sein. Mittels des zweiten optischen Sensors kann ein Mischungsparameter des Substrats bestimmt wird. Ausgehend von dem Mischungsparameter kann das Mischungsverhältnis des zugeführten Substrats optimiert werden.The supply device may have a conveying device, for example a climbing screw. A second optical sensor of the optical measuring device can be arranged in the conveying device. By means of the second optical sensor, a mixing parameter of the substrate can be determined. Based on the mixing parameter, the mixing ratio of the supplied substrate can be optimized.

Die optische Messeinrichtung kann als Nahinfrarotspektroskopie(NIRS)-Messeinrichtung gebildet sein. Nahinfrarotspektroskopie ist eine physikalische Analysentechnik auf Basis der Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts. Die Nahinfrarotspektroskopie basiert wie andere Schwingungsspektroskopien auf der Anregung von Molekülschwingungen durch elektromagnetische Strahlung im (nahen) Infrarotbereich. Bei der NIRS findet die Detektion im nahen Infrarot (760–2500 nm bzw. ca. 13.000–4.000 cm–1) statt. In diesem Bereich befinden sich Oberton- bzw. Kombinationsschwingungen der Molekülgrundschwingung aus dem mittleren Infrarot. Die Oberton- und Kombinationsbanden werden bei der Analyse von Proben nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen werden vorher Datensätze mit bekanntem Gehalt bzw. bekannten Konzentrationen des interessierenden Stoffes erstellt (Kalibrierung).The optical measuring device can be formed as a near-infrared spectroscopy (NIRS) measuring device. Near-infrared spectroscopy is a physical analysis technique based on short-wavelength infrared spectroscopy. Near infrared spectroscopy, like other vibrational spectroscopy, is based on the excitation of molecular vibrations by electromagnetic radiation in the (near) infrared range. In NIRS, detection takes place in the near infrared (760-2500 nm or ca. 13,000-4,000 cm -1 ). In this range are overtone or combination vibrations of the molecular fundamental vibration from the middle infrared. The overtone and combination bands are not directly interpreted during the analysis of samples, but evaluated using statistical methods. For quantitative determinations, previously data sets with known content or known concentrations of the substance of interest are prepared (calibration).

Für den Erwartungswert kann ein Energiegehalt, ein Biogasbildungspotenzial und / oder ein Methanbildungspotenzial bestimmt werden.For the expected value, an energy content, a biogas formation potential and / or a methane formation potential can be determined.

Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Substrat kontinuierlich zugeführt wird und die Zufuhr des Substrats kontinuierlich eingestellt wird.According to one embodiment it can be provided that the substrate is supplied continuously and the supply of the substrate is adjusted continuously.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mittels der optischen Messeinrichtung ein Prozessparameter bestimmt wird, der einen Fortschritt der Fermentation des Substrats wiedergibt. Der Prozessparameter kann das Verhältnis zwischen den flüchtigen organischen Säuren (FOS) und dem totalen anorganischem Kohlenstoff (TOC) sein. Hiermit ist eine zusätzliche Prozesskontrolle der Fermentation ermöglicht. Konstante FOS/TAC-Werte weisen auf eine gute Biogasbildung hin.According to a further embodiment it can be provided that by means of the optical measuring device a process parameter is determined, which represents an advance of the fermentation of the substrate. The process parameter may be the ratio between the volatile organic acids (FOS) and the total inorganic carbon (TOC). This allows an additional process control of the fermentation. Constant FOS / TAC values indicate good biogas production.

Der Betrieb der Biogasanlage mittels des Regelungssystems ist sehr wartungsarm. Es sind keine langwierigen Erfahrungen des Anlagenbetreibers mehr notwendig, da der Gasertrag nicht mehr von Hand berechnet werden muss, sondern durch das Verfahren und Regelungssystem selbstständig ermittelt wird. Weiterhin ist ein Silagewechsel viel leichter adaptierbar, da die Fütterung beispielsweise nach dem FoTS-Gehalts der Substratgemische fungiert. Sollte ein Silagewechsel stattfinden, ändert sich die Fütterungsperiode automatisch. The operation of the biogas plant by means of the control system is very low maintenance. There is no longer any lengthy experience of the plant operator necessary because the gas yield no longer needs to be calculated by hand, but is determined independently by the process and control system. Furthermore, a silage change is much easier adaptable, since the feeding acts, for example, on the FoTS content of the substrate mixtures. If a silage change takes place, the feeding period changes automatically.

Die vorgenannten Merkmale des Verfahrens können in analoger Weise auf die Regelungseinrichtung übertragen werden.The aforementioned features of the method can be transferred to the control device in an analogous manner.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following, embodiments will be explained in more detail with reference to figures of a drawing. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer NIRS Messung, 1 a schematic representation of a NIRS measurement,

2 eine Ausführungsform eines NIRS-Messsystems, 2 an embodiment of a NIRS measuring system,

3 eine Energiebilanz im Fermenter, 3 an energy balance in the fermenter,

4 ein Fermentermodell für Matlab/Simulink, 4 a fermenter model for Matlab / Simulink,

5 ein Switchmodell zum Umschalten der Gasertragsberechnungen, 5 a switch model for switching the gas yield calculations,

6 eine Energiebilanz und Anbindung an den OPC-Server, 6 an energy balance and connection to the OPC server,

7 ein Modell zur Energiebedarfsberechnung eines Fütterungszyklus, 7 a model for the energy requirement calculation of a feeding cycle,

8 ein Modell zur Berechnung des Energieertrages von Gülle, 8th a model for calculating the energy yield of liquid manure,

9 ein Modell zur Energiebedarfsberechnung des BHKW, der Fackel und des Gärrestspeichers und 9 a model for the energy demand calculation of the CHP, the torch and the digestate storage and

10 ein Modell zur Berechnung der Anzahl an Zyklen nach der Energiebilanz. 10 a model for calculating the number of cycles after the energy balance.

Die Biogasanlage teilt sich in drei Betriebseinheiten auf. Die erste Betriebseinheit umfasst Annahme, Pufferung und Substratzufuhr. Die zweite Betriebseinheit umfasst den Fermenter und den Gärrestspeicher. Die dritte Betriebseinheit umfasst das BHKW, die Fackel, die Fernwärmeanbindung und die Stromeinspeisung. The biogas plant is divided into three operating units. The first operational unit includes acceptance, buffering and substrate delivery. The second operating unit comprises the fermenter and the digestate storage. The third operating unit includes the CHP, the torch, the district heating connection and the power supply.

Erste Betriebseinheit: Annahme, Pufferung und SubstratzufuhrFirst operating unit: acceptance, buffering and substrate feed

In der ersten Betriebseinheit werden die zu vergärenden Stoffe (Schweine- oder Rindergülle, Getreide, Mais, Rezirkulat und Wasser) angenommen. Die Gülle wird aus dem Annahmebehälter eingebracht. Im Annahmebehälter ist eine Befüll- und Entnahmemöglichkeit für Gülle montiert. Die jeweilige Pumpmenge an Gülle wird unter Festlegung des Mischungsverhältnisses bestimmt. Über die trocken aufgestellte Pumpe wird die Gülle aus dem Annahmebehälter dem Anmischbehälter (Kreis-Dissolver) zugeführt, der auf Wiegezellen steht. Der Kreis-Dissolver ist entscheidend für eine effektive Anmischung des Substrates. In the first operating unit, the substances to be fermented (pig or cattle slurry, cereals, corn, recirculate and water) are assumed. The manure is introduced from the receiving container. In the receiving container, a filling and withdrawal option for manure is mounted. The respective amount of liquid manure is determined by determining the mixing ratio. About the dry-set pump, the manure from the receiving container to the mixing container (circular dissolver) is supplied, which is on load cells. The circular dissolver is crucial for effective mixing of the substrate.

Bei Erreichen der errechneten Menge wird der Pumpvorgang gestoppt. Die Annahme der Maissilage erfolgt über die in dem Betriebsgebäude befindliche Feststoffannahme mit Schubboden, Reizwalzen und Querförderschnecke. Über eine Stopfschnecke wird die Maissilage in den Kreis-Dissolver geführt. Als Überfüllschutz wird ein Drehflügelwächter eingesetzt.When the calculated amount is reached, the pumping process is stopped. The acceptance of the maize silage takes place via the solids intake in the building with push floor, mechanical rollers and cross auger. The corn silage is fed into the circular dissolver via a plug screw. As overfill protection, a rotary wing monitor is used.

Ist der Aufgabebereich überfüllt, werden alle Antriebe des Aufgabeförderers abgeschaltet. Erst nach Unterschreiten des Grenzfüllstandes werden zuvor abgeschaltete Antriebe wieder zugeschaltet. Erforderliche Faulsuspension wird dem Rezirkulationsschacht mit der Pumpe entnommen und dem Mischbehälter zugeführt. (Silage-)Wasser wird mittels der Tauchmotorpumpe aus dem Silagesaftschaft entnommen. Sollte dieser leer sein, wird Wasser aus dem Brunnen mittels der Tauchmotorpumpe dem Kreis-Dissolver zugeführt. Aus dem Getreidesilo wird mithilfe einer geschlossenen Förderspirale über die Hammermühle dem Mehlvorlagebehälter Mehl zugeführt. Das Mehl wird dann aus der Mehlvorlage über die Förderschnecke dem Kreis-Dissolver zugeführt. Nach dem Einbringen des letzten Materials wird das gesamte Gärsubstrat in dem Kreis-Dissolver homogenisiert. Die vollständige Homogenisierung des Gemisches dauert ca. 2 Minuten. Die Dauer der Homogenisierung ist über das Prozessleitsystem einstellbar. Ist der Rührvorgang beendet, wird das Gärsubstrat mittels der Exzenterpumpe in den Fermenter überführt.If the task area is overfilled, all drives of the task conveyor are switched off. Only after falling below the limit level previously shut down drives are switched on again. Required sludge suspension is removed from the recirculation shaft with the pump and fed to the mixing vessel. (Silage) water is removed from the Silagesaftschaft by means of the submersible motor pump. If this is empty, water from the well is fed by means of the submersible pump to the circular dissolver. From the grain silo, flour is added to the flour storage container by means of a closed conveyor spiral via the hammer mill. The flour is then fed from the flour feed via the screw conveyor to the circular dissolver. After the last material has been introduced, the entire fermentation substrate is homogenized in the circular dissolver. The complete homogenization of the mixture takes about 2 minutes. The duration of the homogenization can be set via the process control system. When the stirring process has ended, the fermentation substrate is transferred into the fermenter by means of the eccentric pump.

Kreis-DissolverKreis-Dissolver

Für die Anmischung und den Aufschluss der Substrate in der Biogasanlage dient der Kreis-Dissolver (KD), beispielsweise der Firma Envitec AG.For the mixing and digestion of the substrates in the biogas plant is the circular dissolver (KD), for example, the company Envitec AG.

Der Kreis-Dissolver ist ein 3 m3 großer Behälter, in dem ein Schneidmesser sowie ein auf der gleichen Welle befestigter Rührerflügel durch einen 75 kW Motor angetrieben wird. Die Drehzahl bei der maximalen Leistung des Motors liegt bei ca. 1000 l/min. Während der Mischung innerhalb des Kreis-Dissolvers tritt ein sogenannter Doughnut-Effekt (ähnlich wie in einer Küchenmaschine) auf, welcher eine schnelle Untermischung des Maises und des Getreides ermöglicht.The Circular Dissolver is a 3 m 3 container in which a cutting blade and a stirrer blade mounted on the same shaft are driven by a 75 kW motor. The speed at the maximum power of the engine is about 1000 l / min. During the mixing within the circular dissolver occurs a so-called donut effect (similar to a food processor), which allows rapid mixing of the corn and the cereal.

Die Feststoffe werden nach unten gezogen und von dem Schneidmesser aufgeschlagen und aufgeschlossen. Durch den Aufschluss der Substrate sollen die Mikrobakterien die Substrate besser desintegrieren. Zusätzlich wird das Substrat durch den Aufschluss homogenisiert. Durch den Kreis-Dissolver ist eine Substrateinsparung durch höhere Gasausbeuten ermöglicht. Weiterhin wird Rührwerksleistung im Fermenter eingespart und durch die höhere Fermenterauslastung kommt es zu kürzeren Verweilzeiten. Der Kreis-Dissolver startet bei einem minimalen Füllgewicht von 1800 kg und hat ein maximales Füllgewicht von 3200 kg. Die optimale Füllhöhe während der Fütterung liegt bei einem Freibord von ca. 380 mm nach dem Vermischen der Substrate und einer Mischzeit von ca. 2 Minuten. Der Rührerflügel sollte vollständig bedeckt sein, da sonst keine vollständige Einmischung des Maises erfolgt. Der Abstand vom Anfang der Welle bis zum Rührerflügel des Kreis-Dissolvers ist daher von großer Bedeutung. Der Abstand beträgt beispielsweise 62,5 cm. The solids are pulled down and hit open by the cutting blade and digested. By digesting the substrates, the microbacteria should better disintegrate the substrates. In addition, the substrate is homogenized by the digestion. The circular dissolver enables a substrate saving by higher gas yields. Furthermore, agitator power is saved in the fermenter and the higher fermenter utilization leads to shorter residence times. The circular dissolver starts with a minimum filling weight of 1800 kg and has a maximum filling weight of 3200 kg. The optimum filling level during feeding is around 380 mm after mixing the substrates and a mixing time of approx. 2 minutes. The stirrer blade should be completely covered, as otherwise no complete mixing of the corn takes place. The distance from the beginning of the shaft to the stirrer blade of the circular dissolver is therefore of great importance. The distance is for example 62.5 cm.

Es ist eine Anpassung des Restgewichtes nach dem Auspumpen des Substrates auf 250 kg notwendig, um eine vollständige Einmischung der Substrate zu erreichen. Die vorschriftsgemäße Befüllung des Kreis-Dissolvers ist von großer Bedeutung, da es zum kompletten Ausfall der Anlage kommen kann, falls der Mais nicht vollständig eingerührt wird. Ursache dafür ist, dass sich der Mais aufstapelt und in der Steigschnecke komprimiert wird. Die Schnecke kann sich nicht mehr weiter drehen und nach kurzer Zeit wird der Motorschutz der Steigschnecke aktiviert. Ändert sich der Trockensubstanzgehalt vom Mais, muss sein Massenanteil innerhalb des KD angepasst werden, damit der TS-Gehalt des frisch angerührten Substrates nicht über 13.5% kg TS steigt (Sicherung der Pumpfähigkeit).It is necessary to adjust the residual weight after pumping the substrate to 250 kg in order to achieve complete mixing of the substrates. The correct filling of the circular dissolver is of great importance, as it can lead to complete failure of the system, if the corn is not completely stirred. The reason for this is that the maize piled up and compressed in the ascending screw. The screw can not turn any further and after a short time the motor protection of the ascending screw is activated. If the dry matter content of corn changes, its mass fraction within the KD must be adjusted so that the TS content of the freshly mixed substrate does not rise above 13.5% kg TS (ensuring pumpability).

Zweite Betriebseinheit: Fermentation und Gärrestlager Second operating unit: fermentation and digestate storage

Die Fermentation ist ausgeführt als volldurchmischter Durchlaufreaktor im mesophilen Tempertaturbereich zwischen 40°C und 42°C. Hierfür ist der Fermenter vorgesehen. Die Substratzufuhr erfolgt über eine Substratleitung, die oberhalb des Flüssigkeitsniveaus im Fermenter endet. Die Zufuhr ist abhängig von der Steuerung des Pumpvorgangs. Der Fermenter enthält drei höhenverstellbare Rührwerke. Das Gärvolumen des Fermenters beträgt 1990m3. Der Fermenter verfügt weiterhin über einen 350m3 großen Gasspeicher. Der Gasdruck innerhalb des Gasspeichers wird kontinuierlich gemessen. Die Temperatur des Fermenters wird mithilfe der Fermenterheizung konstant gehalten. Zur internen Entschwefelung wird Luft durch ein Luftgebläse dem Fermenter zugeführt. Am Probenahmehahn des Fermenters ist eine pH-Wert-Sonde installiert. Sie ist Teil des Regelungssystems. Entsprechend der zugeführten Substratmengen (Volumen) wird ein korrespondierendes Volumen an Gärresten über eine in der Gärflüssigkeit eingetauchte Überlaufleitung in den Gärrestspeicher geleitet. Für das Anmischen des Gärsubstrates im Anmischbehälter wird eine Faulsuspension aus dem Rezi-Schacht benötigt. Die Gärrestpumpe beschickt den Gärrestspeicher. Über eine Biogaspendelleitung ist der Gärrestspeicher mit dem Fermenter verbunden. Auch der Gärrestspeicher verfügt über eine Gasdruckmessung. Die Befüllung des Rezi-Schachtes erfolgt über eine separate Überleitung mit Tauchung in den Fermenter. Die Faulsuspension wird dem Kreis-Dissolver über die Substratpumpe zugeführt. Der Rezi-Schacht, mit einen Füllvolumen von ca. 1,5m3 ist ausgeführt als PEHD-Behälter mit Dämmung und Aluminiumblechverkleidung.The fermentation is carried out as a fully mixed continuous flow reactor in the mesophilic temperature range between 40 ° C and 42 ° C. For this purpose, the fermenter is provided. The substrate is supplied via a substrate line which ends above the liquid level in the fermenter. The supply depends on the control of the pumping process. The fermenter contains three height-adjustable stirrers. The fermentation volume of the fermenter is 1990m 3 . The fermenter also has a 350m 3 gas storage. The gas pressure within the gas reservoir is continuously measured. The temperature of the fermenter is kept constant by means of the fermenter heater. For internal desulphurisation, air is fed to the fermenter through an air blower. A pH probe is installed at the sampling tap of the fermenter. It is part of the regulatory system. According to the supplied amounts of substrate (volume) a corresponding volume of digestate is passed through a submerged in the fermentation liquid overflow line in the digestate storage. For the mixing of the fermentation substrate in the mixing tank a fouling suspension from the Rezi-shaft is needed. The digestate pump feeds the digestate storage. Via a biogas displacement line, the digestate storage tank is connected to the fermenter. The digestate storage also has a gas pressure measurement. The Rezi shaft is filled via a separate transfer with dipping into the fermenter. The digestion suspension is fed to the circular dissolver via the substrate pump. The Rezi shaft, with a filling volume of approx. 1.5m 3, is designed as a PEHD container with insulation and aluminum sheet cladding.

Dritte Betriebseinheit: BHKWThird operating unit: CHP

Die Betriebseinheit BHKW enthält eine Gasanalyse, beispielsweise von Awite. Die Gasanalyse bestimmt die Volumengehalte an CH4, H2S und O2 des Biogases. Nach der Gasanalyse wird das Biogas in einen Gasverdichter verdichtet und zur Fackel oder zum BHKW geführt. Zur Bilanzierung der Biogasstoffströme ist ein Ultraschall-Volumenstrommessgerät (FIC Fackel) installiert, beispielsweise der Firma E+H, zur Bestimmung des Gasverbrauchs der Fackel in der Biogasleitung zur Fackel.The operating unit CHP contains a gas analysis, for example from Awite. The gas analysis determines the volume contents of CH 4 , H 2 S and O 2 of the biogas. After the gas analysis, the biogas is compressed in a gas compressor and led to the torch or CHP. To balance the biogas streams an ultrasonic volume flow meter (FIC torch) is installed, for example, the company E + H, to determine the gas consumption of the torch in the biogas line to the torch.

Die Fackel hat eine Leistung von 1600 kW. Das BHKW (beispielsweise der Firma Jenbacher) hat eine Leistung von 625 kW und verfügt über eine Leistungsmessung und einen Kilowattzähler. Das im BHKW verbrannte Abgas wird einem Thermoreaktor zur Nachverbrennung zugeführt. Die elektrische Leistung des BHKW wird über einen Generator ins Netz eingespeist. Die Wärme des BHKW wird über einen Wärmetauscher zum Fernwärmenetz und zur Fermenterheizung geführt. Die nicht verwendete Wärme geht über einen Tischkühler.The torch has a power of 1600 kW. The CHP (for example, the company Jenbacher) has a power of 625 kW and has a power measurement and a kilowatt counter. The exhaust gas burned in the CHP is fed to a thermoreactor for afterburning. The electric power of the CHP is fed into the grid via a generator. The heat of the CHP is passed through a heat exchanger to the district heating network and fermenter heating. The unused heat goes over a table cooler.

Optische MesseinrichtungOptical measuring device

Als optische Messeinrichtung kann beispielsweise ein TENIRS-Messsystem der Firma m-u-t Agri Solution GmbH (m-u-t) verwendet werden. m-u-t verfügt über einen großen Datenpool von Referenzdaten, die genauere und stabile Kalibrierungsmodelle ermöglichen. Die Datenbank enthält u. a Daten über Mais- und Grassilage (NaWaRo's), Gülle und Fermenterinhalte (wie z.B. FOS/TAC, TS und oTS). Das NIR-Spektrometer hat ein Wellenlängenspektrum von 1000 nm bis 1700 nm. Eine Zentraleinheit ist mit zwei Messköpfen mit Saphir-Messfenstern verbunden, die mit faser-optischen Kabeln mit dem NIR-Spektrometer verbunden werden. Das NIR-Spektrometer hat eine Auflösung von ca. 16 nm. Das NIRS-System ist an das Prozessleitsystem mittels Profibus angebunden. Das Messsystem wird für die Werte von TS, oTS und FoTS für die Substrate Mais, Rezirkulat, Gülle und das frische Substratgemisch kalibiriert. Zur Prozesskontrolle der Biogasanlage erfolgt eine weitere Kalibrierung des Prozessparameters FOS/TAC im Rezirkulatstrom. Zur Kalibrierung des NIRS-Messsystems werden Proben gezogen und im Labor analysiert. Es werden zusätzlich zu der Kalibration jährlich 12 Referenzproben analysiert (jeden Monat eine Probe). Das NIRS-Messsystem kann bis zu 20 Messungen pro Minute durchführen. Zu einer Probe können jeweils mehrere Einzelspektren aufgezeichnet werden. Einzige Bedingung ist die korrekte Zuordnung der Proben zu den Spektren. Die Messdaten werden in der internen Datenbank der Zentraleinheit gespeichert und können von extern abgerufen werden. Zur Konfiguration des NIRS-Systems werden unter anderem die Parameter integration time, averaging count, cycle time, network interface setting und channel selection angepasst. Das TENIRS-System führt selbständig Weißreferenzen (WR), sowie Dunkelreferenzen (DR) durch.For example, a TENIRS measuring system from m-u-t Agri Solution GmbH (m-u-t) can be used as an optical measuring device. m-u-t has a large data pool of reference data that allows for more accurate and stable calibration models. The database contains u. a Data on maize and grass silage (NaWaRo's), slurry and fermenter contents (such as FOS / TAC, TS and oTS). The NIR spectrometer has a wavelength range of 1000 nm to 1700 nm. A central unit is connected to two measuring heads with sapphire measurement windows, which are connected to the NIR spectrometer using fiber optic cables. The NIR spectrometer has a resolution of approx. 16 nm. The NIRS system is connected to the process control system via Profibus. The measuring system is calibrated for the values of TS, oTS and FoTS for the substrates corn, recirculate, manure and the fresh substrate mixture. For the process control of the biogas plant, a further calibration of the process parameter FOS / TAC in the recirculation stream takes place. To calibrate the NIRS measuring system, samples are taken and analyzed in the laboratory. In addition to the calibration, 12 reference samples are analyzed each year (one sample each month). The NIRS measuring system can perform up to 20 measurements per minute. For each sample several individual spectra can be recorded. The only condition is the correct assignment of the samples to the spectra. The measured data are stored in the internal database of the central unit and can be called up externally. For the configuration of the NIRS system the parameters integration time, averaging count, cycle time, network interface setting and channel selection are adjusted. The TENIRS system independently performs white references (WR) and dark references (DR).

Zur Aufnahme der NIR-Spektren in den Flüssigkeiten (Gülle, Rezirkulat und Substratgemisch) und der Maissilage wird ein TENIRS-System installiert. Das TENIRS-System besteht aus zwei NIR-Messköpfen, die über Glasfaserkabel mit der Zentraleinheit verbunden sind. In der Zentraleinheit befindet sich das Spektrometer. Der erste Messkopf dient der Echtzeit-Analyse der Futtermittelparameter des angemaischten Substratgemisches, der Gülle als auch zur Vermessung des Rezirkulates. Die Analyse des Rezirkulates dient weiterhin zur Kontrolle der Prozessstabilität des Fermenters über die Prozessparameter FOS, TAC. Der zweite Messkopf wird in der Steigschnecke zum Kreis-Dissolver installiert und dient der Optimierung der Mischungszusammensetzung innerhalb des Kreis-Dissolvers durch NIRS-Analyse der Futtermittelparameter der Maissilage (Feststoff). Die Datenübertragung der Messdaten aus der Zentraleinheit erfolgt über eine Profibusanbindung an das Prozessleitsystem. Zur Kalibrierung des NIRS-Messsystems werden zusätzlich zwei Probenahmen installiert. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des NIRS-Messsystems näher beschrieben.A TENIRS system is installed to record the NIR spectra in the liquids (manure, recirculate and substrate mix) and corn silage. The TENIRS system consists of two NIR probes connected to the central unit via fiber optic cables. The central unit contains the spectrometer. The first measuring head is used for the real-time analysis of the feed parameters of the mixed substrate mixture, the liquid manure and for the measurement of the recirculated material. The analysis of the recirculate also serves to control the process stability of the fermenter via the process parameters FOS, TAC. The second measuring head is installed in the ascending screw to the circular dissolver and serves to optimize the mixture composition within the circular dissolver NIRS analysis of the maize silage feed parameters (solid). The data transmission of the measured data from the central unit takes place via a Profibus connection to the process control system. To calibrate the NIRS measuring system, two additional sampling samples will be installed. The individual components of the NIRS measuring system are described in more detail below.

Zentraleinheit: Die Zentraleinheit wird in dem Anmischkeller der Biogasanlage in guter Reichweite (Abstand max. 15 m) zu den NIR-Messköpfen angebracht. Die Zentraleinheit enthält das Spektrometer und muss daher von Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden. Die Zentraleinheit ist daher in einem zusätzlichen Schutzschrank (600mm × 600mm × 400mm mit durchsichtigem Frontglas) eingebaut und an der Wand montiert. Nach der Installation der Zentraleinheit sind die Ethernetverbindung, Profibusanbindung und Stromversorgung anzubinden.Central unit: The central unit is mounted in the mixing cellar of the biogas plant in good reach (distance up to 15 m) to the NIR measuring heads. The central unit contains the spectrometer and must therefore be protected from dirt and moisture. The central unit is therefore installed in an additional protective cabinet (600mm × 600mm × 400mm with transparent front glass) and mounted on the wall. After installation of the central unit, the Ethernet connection, Profibus connection and power supply must be connected.

NIR-Messkopf-Rezirkulat, Gülle und Substrat: Der erste NIR-Messkopf wird nach der Substratpumpe (druckseitig) und vor dem T-Stück Richtung Kreis-Dissolver bzw. Fermenter in horizontaler Stellung in der Rezirkulat- bzw. Substratleitung installiert. Die Flanschverbindung des ersten NIR-Messkopfes ist speziell gefertigt und mit einem Extruder angeschweißt worden.NIR measuring head recirculation, manure and substrate: The first NIR measuring head is installed after the substrate pump (on the pressure side) and in front of the T piece in the direction of the circular dissolver or fermenter in a horizontal position in the recirculation or substrate line. The flange connection of the first NIR measuring head has been specially manufactured and welded with an extruder.

Der Abstand nach dem 90° Rohrbogen bis zur Mitte des Sensors beträgt ca. 500 mm. Dies entspricht der Empfehlung von einer Strömungsberühigungslänge L vom 4- bis 5-fachen des Rohrdurchmessers D.The distance from the 90 ° elbow to the middle of the sensor is approx. 500 mm. This corresponds to the recommendation of a flow contact length L of 4 to 5 times the pipe diameter D.

Die Probenahme für den Substrat- und Rezirkulatstrom wird in einem Abstand von ca. 300 mm nach dem NIR-Sensor in Fließrichtung installiert. Für die Probenahme der Flüssigkeiten wird ein Rohrleitungssystem aus PE mit Kugelhahn installiert. Die Probenahme dient zur Entnahme von Rezirkulat, Gülle und Substrat.Sampling for the substrate and recirculated stream is installed at a distance of about 300 mm after the NIR sensor in the flow direction. For the sampling of liquids, a piping system made of PE with ball valve is installed. Sampling is used to remove the recirculated material, manure and substrate.

NIR-Messkopf – Mais: Der zweite NIR-Messkopf wird in der Steigschnecke zum Kreis-Dissolver installiert und dient der NIRS-Vermessung der Maissilage.NIR measuring head - corn: The second NIR measuring head is installed in the ascending screw to the circular dissolver and is used for NIRS measurement of corn silage.

Hier beträgt die Entfernung zwischen dem Eintrag der Querschnecke (Anfang der Steigschnecke) bis zum NIR-Sensor 1500 mm. Die zweite Probenahme für die Entnahme der Maissilage wird in einem Abstand von ca. 500 mm nach dem NIR-Sensor (in Fließrichtung) installiert und ist in rostfreiem Stahl (V4A) ausgelegt und verfügt über einen Feuerwehranschluss in DN63. Der NIR-Sensor und der Probenahmehahn sind beide in der 5 Uhr Stellung (45°) in der Steigschnecke eingebaut, um die Vermessung von Ablagerungen zu vermeiden.Here, the distance between the entry of the transverse screw (beginning of the ascending screw) to the NIR sensor is 1500 mm. The second sample for the removal of maize silage is installed at a distance of approx. 500 mm from the NIR sensor (in the direction of flow) and is designed in stainless steel (V4A) and has a fire service connection in DN63. The NIR sensor and the sampling tap are both installed in the 5 o'clock position (45 °) in the auger to avoid the measurement of deposits.

Datenübertragung und Anbindung zum Prozessleitsystem mittels Profibus: Die SPS-Programmierung des Messsystem kann mit der Programmiersprache STEP 7 erfolgen. Innerhalb der Zentraleinheit findet das Umschalten der Sensoren statt. Je nachdem, welcher Sensor gerade angesteuert wird, werden die Busmesswerte der Zentraleinheit über Profibus DP an die S7-Steuerung übertragen. Hierfür kann ein Anfragemodell für das Prozessleitsystem programmiert werden, welches an die Zentraleinheit die Vermessung des jeweiligen Stoffstroms anfordert. Daraufhin wechselt die Zentraleinheit auf den gewünschten NIR-Sensor und liefert dem Prozessleitsystem die Prozesswerte. Die Messung der Maissilage erfolgt kontinuierlich, sobald die Stopfschnecke in Betrieb ist. Die Vermessung des Rezirkulates startet bei 50% des Sollwertes an Rezirkulat bei jedem Fütterungszyklus. Hingegen findet die Vermessung des Substratgemisches erst dann statt, wenn während der Fütterung ein Gewicht von 1000 kg zuzüglich dem Restfüllgewicht erreicht wird. Das Restfüllgewicht ist dabei das Gewicht, was nach erfolgter Fütterung im Kreis-Dissolver verbleibt (meist zwischen 250 kg und 350 kg). Durch diese programmiertechnischen Maßnahmen können Messfehler durch Rückstände oder alte Substrate in der Leitung vermieden werden. Die Vermessung der Gülle analog zum Rezirkulat ist möglich, aber nicht umgesetzt, da die Zusammensetzung der Gülle im Vergleich zum Rezirkulat und dem Substratgemisch relativ konstant ist. Trotzdem ist die Probenahme der Gülle durchzuführen, damit die zusätzliche Vermessung der Gülle erfolgen kann. Die Prozesswerte werden in drei unterschiedlichen Dateibausteinen (DB) geschrieben und im Prozessleitsystem (PLS) visualisiert. Die Parameter gelten für alle Stoffanalysen (Gülle, Rezirkulat, Substrat und Mais). Die Werte des NIRS-Sensors werden während jedes Pumpvorgangs (Gülle, Rezirkulat und Substrat) nach Spülung der Rohrleitung, wie zuvor beschrieben, aufgenommen und dann ins Archiv geschrieben. Die Aktualisierung der NIRS-Parameter innerhalb des PLS erfolgt nur nach Anfrage durch das PLS und nur während der Durchführung der Messung. Nach Abschluss der Messung bleibt der Messwert innerhalb des PLS bis zur nächsten Messung konstant. Die Daten werden für ca. drei Monate im PLS gespeichert. Um neue Kalibrationsmodelle auf das System zu laden, ist das NIRS-System mittels Ethernet ans Internet angebunden.Data transmission and connection to the process control system via Profibus: The PLC programming of the measuring system can be carried out with the STEP 7 programming language. Within the central unit, the switching of the sensors takes place. Depending on which sensor is currently being controlled, the bus measured values of the central unit are transmitted via Profibus DP to the S7 controller. For this purpose, a request model for the process control system can be programmed, which requests the measurement of the respective material flow to the central unit. The central unit then changes to the desired NIR sensor and supplies the process control system with the process values. The maize silage is measured continuously as soon as the screw conveyor is in operation. The measurement of the recirculated material starts at 50% of the set value of recirculate at each feeding cycle. On the other hand, the measurement of the substrate mixture takes place only when a weight of 1000 kg plus the residual fill weight is reached during feeding. The remaining filling weight is the weight, which remains after feeding in the circular dissolver (usually between 250 kg and 350 kg). These programming measures can be used to avoid measuring errors due to residues or old substrates in the line. The measurement of manure analogous to the recirculate is possible, but not implemented, since the composition of the manure is relatively constant compared to the recirculate and the substrate mixture. Nevertheless, the slurry must be sampled so that additional manure can be measured. The process values are written in three different file blocks (DB) and visualized in the process control system (DCS). The parameters apply to all substance analyzes (liquid manure, recirculate, substrate and maize). The values of the NIRS sensor are recorded during each pumping operation (manure, recirculation and substrate) after flushing the pipeline, as described above, and then written to the archive. The updating of the NIRS parameters within the PLS is carried out only upon request by the PLS and only during the performance of the measurement. After completion of the measurement, the measured value within the DCS remains constant until the next measurement. The data is stored in the PLS for about three months. To load new calibration models onto the system, the NIRS system is connected to the Internet via Ethernet.

Kalibierung des NIRS-MesssystemsCalibration of the NIRS measuring system

Zur Erstellung der Kalibration werden zwei Methoden benötigt. Als Primärmethode dienen die Analysenwerte aus der Probenahme. Die Messungen der NIR-Spektren dienen hingegen als Sekundärmethode. Die Kalibrierung ist im Wesentlichen eine komplexe Statistikanalyse. Die statistische Auswertung erfolgt mit der Unscrambler Software von Camo. Als erster Schritt erfolgt die Sammlung der Datensätze (Futtermittelanalysen und NIR-Spektren). Anschließend erfolgt eine Datenvorbereitung (SNVD-Preprocessing) bei der die Lichtstreuung korrigiert wird und der NIR-Drift über die Wellenlänge normalisiert wird. Die Korrektur der Lichtstreuung erfolgt über eine Kombination aus SNV (Standard Normal Variante), welche die Absorptionsspektren skaliert und eine Basislinienkorrektur (Detrend). Die Modellbildung ist anschließend aus den SNVD-korrigierten Werten zu ermitteln. Dafür wird eine Schätzfunktion durch die Methode MPLS (Multiviate partial least square) ermittelt. Weiterhin erfolgt eine Ausreißerkontrolle (Local Outlier Factor). Die Unterscheidung der Substratzusammensetzung erfolgt durch eine Hauptkomponentenanalyse auch Principal Component Analysis (PCA) genannt. Die PCA ist eine Art Support Vector Maschine (SVM) und fungiert als Klassifikator. PCA ist ein Verfahren der multivariaten Statistik. Die Hauptkomponentenanalyse dient dazu, umfangreiche Datensätze zu strukturieren, zu vereinfachen und zu veranschaulichen, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen (Hauptkomponenten) genähert wird. To create the calibration two methods are needed. As primary method, the analytical values from the sampling serve. The measurements of the NIR spectra, on the other hand, serve as a secondary method. Calibration is essentially a complex statistical analysis. Statistical evaluation is done with the unscrambler software from Camo. As a first step, the collection of Data sets (feed analyzes and NIR spectra). This is followed by data preparation (SNVD preprocessing) in which the light scattering is corrected and the NIR drift is normalized over the wavelength. The correction of the light scattering takes place via a combination of SNV (Standard Normal Variant), which scales the absorption spectra and a baseline correction (Detrend). Modeling must then be determined from the SNVD-corrected values. For this purpose, an estimation function is determined by the method MPLS (Multiviate Partial Least Square). Furthermore, there is an outlier control (Local Outlier Factor). The distinction of the substrate composition is made by a principal component analysis called Principal Component Analysis (PCA). The PCA is a kind of support vector machine (SVM) and acts as a classifier. PCA is a method of multivariate statistics. Principal component analysis is used to structure, simplify, and illustrate large data sets by approximating a variety of statistical variables with a smaller number of highly meaningful linear combinations (principal components).

Für die Kalibration des Substratgemisches werden 30 Proben, für Rezirkulat 45 Proben und für Gülle 25 Proben benötigt. Die Kalibration der Maissilage basiert auf 100 Proben. Die Probenahme teilt sich in mehrere Teilschritte auf. Im Folgenden werden diese Teilschritte aufgelistet.

  • 1. Test des Betriebsstatus des Messkopfes über das Controlpanel der Zentraleinheit. Es muss ein grüner Kreis um den Tab sein. Sollte der Kreis rot sein, muss zuvor die automatische Messung des NIR-Kopfes gestartet werden. Dies erfolgt durch das Drücken des Start-Buttons über den Touchscreen.
  • 2. Genaues Timing der Probenahme.
  • 3. Bei gewünschter Probenahme muss sofort über den Bildschirm Start Sampling gedrückt werden. Danach wird das Substrat in der Drop-down-Liste ausgewählt. Sofort danach muss die Probenummer eingegeben werden. Danach vergibt das System der Probenummer einen ersten Zeitstempel.
  • 4. Dann werden die Proben gezogen.
  • 5. Nach erfolgter Probenahme ist die pH- und Temperaturmessung durchzuführen (testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät).
  • 6. Optional kann dann der pH-Wert im System eintragen werden.
  • 7. Es sollte darauf geachtet werden, dass die Messdauer des Systems nicht zu kurz ist. Angemessen ist eine Messdauer von mindestens 30 Sekunden und maximal zwei Minuten.
  • 8. Nach erfolgter Messung muss im System der Button Save Sample getippt werden. Es wird gleichzeitig ein weiterer Zeitstempel vergeben. Die Probenahme ist damit abgeschlossen.
For the calibration of the substrate mixture 30 samples are needed, for recirculation 45 samples and for manure 25 samples. The calibration of corn silage is based on 100 samples. Sampling is divided into several sub-steps. In the following, these sub-steps are listed.
  • 1. Test the operating status of the measuring head via the control panel of the central unit. There must be a green circle around the tab. If the circle is red, the automatic measurement of the NIR head must first be started. This is done by pressing the Start button on the touch screen.
  • 2. Accurate timing of sampling.
  • 3. If sampling is required, press Start Sampling immediately on the screen. Thereafter, the substrate is selected in the drop-down list. Immediately thereafter, the sample number must be entered. Thereafter, the system gives the sample number a first timestamp.
  • 4. Then the samples are drawn.
  • 5. After sampling, the pH and temperature measurement must be carried out (testo 205 single-handed pH / temperature measuring instrument).
  • 6. Optionally, the pH value can then be entered in the system.
  • 7. Care should be taken that the measurement time of the system is not too short. A measuring time of at least 30 seconds and a maximum of two minutes is appropriate.
  • 8. After successful measurement, the button Save Sample must be tapped in the system. At the same time another time stamp will be given. The sampling is completed.

Wichtig ist, dass die Referenzproben eindeutig in der Datenbank des Messsystems registriert werden (Wahl des Probenahmeprogramms mit korrekter Probenummer). Zur Kontrolle, ob das System die Probe korrekt gespeichert hat, sollte die Aktion in den Log-Eintragungen des Systems überprüft werden.It is important that the reference samples are clearly registered in the database of the measuring system (choice of sampling program with correct sample number). To check if the system has saved the sample correctly, the action should be checked in the log entries of the system.

Die während der Probenahme verwendeten Geräte und Materialien werden im Folgenden aufgelistet.The equipment and materials used during sampling are listed below.

Mais:Corn:

  • – Industriestaubsauger, OBI Cleaning Nass- und Trockensauger NTS 20, Leistung 1.400W- Industrial vacuum cleaner, OBI Cleaning wet and dry vacuum cleaner NTS 20, power 1,400W
  • – Staubsaugerschlauchverlängerung mit Feuerwehranschluss- Vacuum cleaner hose extension with fire service connection
  • – Holzstock zum Brechen des Pfropfen innerhalb des Probenahmehahns- Wooden stick for breaking the plug inside the sampling tap
  • – pH- und Temperaturmessung, testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät- pH and temperature measurement, testo 205 single-handed pH / temperature measuring device
  • – Gefrierbeutel mit Zippverschluss, Volumen von 1 l- Freezer bag with zipper, volume of 1 l
  • – Gefrierschrank, Temperatur von –18°C- Freezer, temperature of -18 ° C

Flüssigkeiten:Liquids:

  • – pH- und Temperaturmessung, testo 205-Einhand-pH-/Temperatur-Messgerät, Testo AG- pH and temperature measurement, testo 205 one-hand pH / temperature measuring instrument, Testo AG
  • – LDPE Weithalsflaschen, Volumen von 1 l, Carl Roth GmbH und Co. KG- LDPE wide-mouth bottles, volume of 1 liter, Carl Roth GmbH and Co. KG
  • – LDPE Weithalsflaschen, Volumen von 0,5 l, Carl Roth GmbH und Co. KG- LDPE wide-mouth bottles, volume of 0.5 l, Carl Roth GmbH and Co. KG
  • – handelsüblicher 20 l Kanister mit vergrößerter Auslauföffnung- Commercially available 20 l canister with enlarged outlet opening

Probenahme der Maissilage: Für die Probenahme ist ein 2 Zoll Anschluss mit Handventil in 5 Uhr-Stellung in der Steigschnecke installiert. Vor der Probenahme muss der Pfropfen inner-halb der Steigschnecke mit einem Holzstock zerbrochen werden. Danach wird über einen Feuerwehranschluss ein Industriestaubsauger mittels einer Staubsaugerschlauchverlängerung angeschlossen. Es erfolgt die Entnahme des Maises bis der Industriestaubsauger vollständig gefüllt ist. Nach der Öffnung des Staubsaugers ist die pH – und Temperaturmessung mit dem Handgerät durchzuführen. Ist die pH-Wert – und Temperaturmessung erfolgt, wird die NIRS-Messung mittels des Touchscreens der Zentraleinheit gestoppt. Als Probenmaterial wird nur die obere Schicht des Maises innerhalb des Staubsaugers verwendet, damit keine Restablagerungen analysiert werden. Der Mais wird in einen 1 l Gefrierbeutel mit Zippverschluss gegeben (ca. 4 Handvoll) und innerhalb von 10 min bei einer Temperatur von –18°C in den Gefrierschrank gelegt und eingefroren. Es sollte darauf geachtet werden, dass zuvor Restluft rausgepresst wird. Der Staubsauber ist nach der Probenahme mit Brauchwasser zu reinigen und anschließend zu trocknen. Probenahme der Flüssigkeiten: Vor der Probenahme der flüssigen Medien (Gülle, frisches Substrat und Rezirkulat) muss zuerst die Probenahmeleitung (PE) entleert werden. Dafür wird ein 20 l Kanister vollständig mit Material aus der PE-Leitung gefüllt. Danach kann die Probenahme erfolgen. Dafür wird ein 5 l Eimer mit dem Probematerial gefüllt. Bei der Probenahme von Gülle muss zusätzlich zum 20 l Kanister ein weiterer 5 l Eimer zum Auslauf verwendet werden. Die flüssigen Proben (Gülle, frisches Substrat und Rezirkulat) werden schließlich in eine 1 l LDPE Weithalsflasche gegeben. Dabei ist die Flasche leicht einzudrücken und dann vollzufüllen. Dadurch kann das Ausgasen in der Flasche erfolgen, damit das Labor weniger Probleme hat die Flasche zu öffnen. Nach der Probenahme wird der Kanister und die Eimer mit Brauchwasser gereinigt und luftgetrocknet. Sampling of corn silage: For sampling, a 2-inch connection with manual valve is installed at 5 o'clock in the ascending screw. Before sampling, the plug must be broken inside the ascending screw with a wooden stick. Thereafter, an industrial vacuum cleaner is connected via a fire service connection by means of a vacuum cleaner hose extension. It takes the removal of the corn until the industrial vacuum cleaner is completely filled. After opening the vacuum cleaner, the pH and temperature measurement should be carried out with the handset. Once the pH and temperature measurements have been taken, the NIRS measurement is stopped by means of the touch screen of the central unit. As sample material only the upper layer of maize within the vacuum cleaner is used so that no residual deposits are analyzed. The corn is placed in a 1 liter zippered freezer bag (about 4 handfuls) and placed in the freezer at a temperature of -18 ° C within 10 minutes and frozen. It should be ensured that the remaining air is pressed out beforehand. The dust cleaner is to be cleaned after the sampling with hot water and then to dry. Sampling of the liquids: Before sampling the liquid media (liquid manure, fresh substrate and recirculate), the sampling line (PE) must first be emptied. For a 20 l canister is completely filled with material from the PE line. Afterwards the sampling can take place. For this a 5 l bucket is filled with the sample material. When sampling manure, in addition to the 20 l canister, another 5 l bucket must be used to discharge. The liquid samples (manure, fresh substrate and recirculate) are finally placed in a 1 liter LDPE wide-mouth bottle. The bottle is easy to depress and then fill up. This can lead to outgassing in the bottle, so that the lab has fewer problems opening the bottle. After sampling, the canister and buckets are cleaned with hot water and air dried.

Timing und Besonderheiten der Probenahme: Wie schon erwähnt ist der Zeitpunkt der Probenahme sehr wichtig. Das Timing der Probenahme sollte wie folgt gewählt werden:

  • – Gülle: Anpassung der Fütterungsmenge auf mind. 400 kg, damit man ungefähr 1 min zur Probenahme hat. Weiterhin wird eine weitere Person zur Hilfe genommen, damit die Probenahme gleichzeitig zur Bedienung des TENIRS-Systems abläuft. Die Probenahme startet direkt nachdem der Schieber der Gülleleitung geöffnet wird und die Pumpe anfängt die Gülle zu pumpen.
  • – Rezirkulat: Die Probenahme beginnt wenige Sekunden nachdem die Schieber sich geöffnet haben und Rezirkulat gepumpt wird. Die Probenahme ist spätestens nach Erreichen des Füllgewichtes des Kreis-Dissolvers von 2000 kg zu stoppen, da kurz danach das Füllen des Kreis-Dissolvers mit Getreide beginnt.
  • – Mais: Die Probenahme des Maises startet sobald der Motor der Steigschnecke angeschaltet wird und sollte nach ca. 1 Minute beendet werden.
  • – Substrat: Die Probenahme des angemaischten Substratgemisches startet nachdem die Pumpe den Abpumpvorgang des Kreis-Dissolvers gestartet hat.
Timing and peculiarities of the sampling: As already mentioned, the time of sampling is very important. The timing of the sampling should be chosen as follows:
  • - manure: adjusting the feeding quantity to at least 400 kg, so that one has about 1 min for sampling. Furthermore, another person is taken to help, so that the sampling takes place simultaneously to operate the TENIRS system. The sampling starts immediately after the slide of the manure line is opened and the pump starts to pump the manure.
  • - Recirculation: Sampling starts a few seconds after the valves have opened and recirculate is pumped. The sampling must be stopped at the latest after reaching the filling weight of the circle dissolver of 2000 kg, because shortly after the filling of the circular dissolver with cereals begins.
  • - Corn: The sampling of the corn starts as soon as the engine of the ascending screw is switched on and should be finished after approx. 1 minute.
  • Substrate: The sampling of the mixed substrate mixture starts after the pump has started the pumping process of the circular dissolver.

Von der Maissilage sind eine Vielzahl von Parametern zu bestimmen. Die Parameter werden nicht nass-chemisch analysiert, sondern werden mithilfe einer schon vorhandenen NIRS-Kalibration bestimmt. From maize silage a variety of parameters are to be determined. The parameters are not analyzed wet-chemically, but are determined by means of an already existing NIRS calibration.

Es werden die Parameter TS, oTS, XA, Nges, Cges, NH4-NO3, FOS, TAC, Essigsäure, Propionsäure, Iso-Buttersäure, Buttersäure, Iso-Valeriansäure, Valeriansäure, Capronsäure und das Essigsäureäquivalent für alle 45 Rezirkulatproben bestimmt. Für 20 Proben werden weiterhin die Mengen- und Spurenelemente des Rezirkulates analysiert. There are the parameters TS, OTS, XA, N ges , C ges , NH 4 -NO 3 , FOS, TAC, acetic acid, propionic acid, iso-butyric acid, butyric acid, iso-valeric acid, valeric acid, caproic acid and the acetic acid equivalent for all 45 Rezirkulatproben certainly. For 20 samples, the quantity and trace elements of the recirculated matter are further analyzed.

Für die Gülle werden die Parameter TS, oTS, XA, Nges, Cges, NH4-NO3, FOS, TAC bestimmt. Die Analyse der Säure und Mengen- bzw. Spurenelemente ist für die Gülle nicht durchzuführen.The parameters TS, VS, XA, N ges, C sat, NH 4 -NO 3, FOS, TAC be determined for the slurry. The analysis of the acid and quantity or trace elements can not be carried out for the manure.

Im Gegensatz zu der Futtermittelanalytik der Maissilage werden für das angemaischte Substratgemisch nass-chemische Analysen für die Kalibration durchgeführt. Es werden die Parameter TS, XA, Nges, NH4-NO3, Cges, sowie die Parameter XP, XL, XF, NDForg, ADForg, ADLorg bestimmt und zusätzlich analog zu der Analyse des Rezirkulates und der Gülle die Parameter FOS, TAC analysiert. Die enzymlösliche organische Substanz (ELOS) wird über einen Vergleich mit den stickstofffreien Extraktstoffen (NfE) bestimmt. Dabei wird angenommen, dass ELOS um 1,04 mal größer ist als NfE.In contrast to the feed analysis of maize silage, wet chemical analyzes are carried out for the calibrated substrate mixture for the calibration. It will org, the parameters TS, XA, N tot, NH 4 -NO 3, C ges and the parameters XP, XL, XF, NDF, ADF org, ADL org determined and, in addition analogous to the analysis of the liquid manure and the Rezirkulates Parameters FOS, TAC analyzed. The enzyme-soluble organic substance (ELOS) is determined by comparison with the nitrogen-free extractives (NfE). It is assumed that ELOS is 1.04 times larger than NfE.

Stichprobenmäßig werden zusätzliche Analysen der Substrate durchgeführt. Für die flüssigen Substrate Gülle, Rezirkulat und Substratgemisch sind der TS-Gehalt und der FOS/TAC-Index zu bestimmen. Von der Maissilage ist nur der TS-Wert zu ermitteln. Zur Bestimmung des TS-Gehaltes ist das Laboranalysegerät ORImat310 zu verwenden. Der FOS/TAC-Index wird mithilfe des automatischen Titrationsgerätes TIM840 bestimmt.On a random basis, additional analyzes of the substrates are carried out. For the liquid substrates manure, recirculate and substrate mixture, the TS content and the FOS / TAC index are to be determined. Of the corn silage, only the TS value is to be determined. To determine the TS content, use the laboratory analyzer ORImat310. The FOS / TAC index is determined by means of the automatic titration unit TIM840.

In der Biogasanlage 1 werden drei unterschiedliche Betriebsregelungen implementiert. Bei der ersten Betriebsregelung nach Tageseinsatzplan (TEP) wird die Anzahl der Fütterungen pro Tag (Anmischzyklen) manuell vorgeben und daraus die Intervalldauer der Fütterungen berechnet. Die zweite Regelung füttert die Biogasanlage nach dem Biogasdruck im Fermenter. Die beiden Regelungsmethoden sind ausführlich in Kuhnla 2013 beschrieben.In the biogas plant 1, three different operating regulations are implemented. In the first operation schedule according to the daily schedule (TEP), the number of feedings per day (mixing cycles) is set manually and from this the interval duration of the feedings is calculated. The second control feeds the biogas plant to the biogas pressure in the fermenter. The two control methods are described in detail in Kuhnla 2013.

NIRS-Regelungssystem NIRS control system

Zur Optimierung der Biogasanlage wird der Fermenter der Biogasanlage bilanziert. Mithilfe des NIRS-Messsystem werden kontinuierlich und in Echtzeit die Futtermittelmesswerte der Stoffströme Rezirkulat und Substratgemisch ermittelt. Diese werden für das Regelungssystem „Energy-Balance“ verwendet. Ziel der Regelung ist die dynamische Berechnung der Anzahl der Fütterungszyklen pro Tag. Es wird davon ausgegangen, dass eine bedarfsgerechte Substratzufuhr zu einer erhöhten Gasausbeute durch die Bakterien innerhalb des Fermenters führt. Durch die energetische Bilanzierung des Fermenters wird der Substratbedarf der Bakterien ermittelt. Der Energiegehalt des Substrates und des Rezirkulates wird über die fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS) bestimmt. Die Fütterungszufuhr muss so angepasst werden, dass der Energieeintrag dem Energiebedarf des BHKW entspricht. Zur Kontrolle der Effektivität der Energy-Balance-Regelung wird die Biogasanlage nachträglich mithilfe der Volumenstrommessgeräte der Fackel (FICFackel) und des BHKW (FICBHKW) bilanziert. Es kann bei einer zu hohen Fütterungsmenge zu einer Überproduktion an Biogas kommen, die entweder verbrannt (Fackel) oder über die Überdrucksicherung verloren geht. Dies soll mittels des Regelungssystems nach Energiebilanz vermieden werden. Als Sollwert wird daher der Biogasvolumenstrom des BHKW vorgegeben (z.B. 300 m3/h). Wird die Anzahl der Fütterungen pro Tag minimiert so kann zum einem Substrat (Mais, Gülle, Getreide) eingespart werden und zum anderen der Energieverbrauch Kreis-Dissolver und Pumpen minimiert werden. Für die Energiebilanz wird nur der fermentierbare Anteil der Stoffströme (Substrat, Fermenterauslauf) verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass der restliche nicht gasbildende Anteil der Stoffströme vollständig in Bakterienmasse umgewandelt wird oder als inert betrachtet werden kann.To optimize the biogas plant, the fermenter of the biogas plant is balanced. With the aid of the NIRS measuring system, the feed measured values of the recirculated material and the substrate mixture are determined continuously and in real time. These are used for the "Energy Balance" control system. The aim of the regulation is the dynamic calculation of the number of feeding cycles per day. It is assumed that a needs-based substrate supply leads to an increased gas yield by the bacteria within the fermenter. The energetic balancing of the fermenter determines the substrate requirements of the bacteria. The energy content of the substrate and the recirculate is determined by the fermentable organic dry substance (FoTS). The feed intake must be adjusted so that the energy input corresponds to the energy requirement of the CHP. To control the effectiveness of the energy balance control, the biogas plant will be retrofitted using the Volumetric flow meters of the torch (FICFackel) and the CHP (FICBHKW) accounted for. If the feed quantity is too high, it can lead to overproduction of biogas that is either burned (torch) or lost through overpressure protection. This should be avoided by means of the control system according to energy balance. The biogas volume flow of the CHP is therefore specified as the setpoint (eg 300 m 3 / h). If the number of feedings per day is minimized, it is possible to save on a substrate (maize, liquid manure, grain) and, on the other hand, the energy consumption of circular dissolvers and pumps can be minimized. For the energy balance, only the fermentable portion of the material streams (substrate, fermenter outlet) is used. It is assumed that the remaining non-gas forming portion of the streams is completely converted to bacterial mass or can be considered inert.

Da nur der direkt fermentierbare Anteil der Stoffströme betrachtet wird, kann der Energiebedarf der Bakterien EBakterien = 0 gesetzt werden.Since only the directly fermentable portion of the material flows is considered, the energy requirement of the bacteria E bacteria = 0 can be set.

Damit ergibt sich folgende Energiebilanz um den Fermenter: ESubstratgemisch;fermentierbar = EFermenterauslauf + EBiogas This results in the following energy balance around the fermenter: E substrate mixture, fermentable = E fermenter outlet + E biogas

Der Massenstrom des Fermenterauslauf mFermenterauslauf kann mithilfe der Massenbilanz um den Fermenter ermittelt werden: mFermenterauslauf = mSubstrat – mBiogas The mass flow of the fermenter outlet in the fermenter outlet can be determined by means of the mass balance around the fermenter: m fermenter outlet = m substrate - m biogas

Zur Bestimmung des Biogasmassenstroms mBiogas wird von einer konstanten Dichte des Biogas ρBiogas = 0,00128 t/m3 ausgegangen.To determine the biogas mass flow in biogas , a constant density of the biogas ρ biogas = 0.00128 t / m 3 is assumed.

Der Sollwert dieser Regelung nach Energiebilanz ist der gewünschte Biogasvolumenstrom VBiogas;Sollwert. Mittels der Dichte an Biogas ρBiogas und dem Sollwert des Biogasvolumenstromes VBiogas;Sollwert kann der Biogasmassenstrom mBiogas berechnet werden: mBiogas = ρBiogas·VBiogas;Sollwert The setpoint of this control according to energy balance is the desired biogas volume flow V Biogas; By means of the density of biogas ρ biogas and the setpoint of the biogas volume flow V biogas; setpoint the biogas mass flow m biogas can be calculated: m biogas = ρ biogas · V biogas;

Zur Bestimmung des fermentierbaren Anteils der Stoffströme werden die kalibrierten NIRS-Messwerte verwendet. Es wird der Prozessparameter FoTS der Stoffströme Rezirkulat und Substratgemisch aus dem NIRS-Messsystems verwendet. Der Anteil der fermentierbaren organischen Trockensubstanz des NIRS-System wird im Folgenden als xFoTS bezeichnet. Zur Bilanzierung wird die FoTS-Menge des Substrates xFoTS;Substrat, sowie die FoTS-Menge des Rezirkulates xFoTS;Rezirkulat verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass die Zusammensetzung des Rezirkulates und die Zusammensetzung des Fermenterauslaufes identisch sind. Es gilt damit: xFoTS;Fermenterauslauf = xFoTS;Rezirkulat The calibrated NIRS measurements are used to determine the fermentable content of the material streams. The process parameter FoTS of the recirculated material and substrate mixture from the NIRS measuring system is used. The proportion of the fermentable organic dry matter of the NIRS system is referred to below as x FoTS . For balancing, the FoTS amount of the substrate x FoTS; substrate and the FoTS amount of the recirculated material x FoTS; recirculate are used. It is assumed that the composition of the recirculated material and the composition of the fermenter outlet are identical. It thus applies: x FoTS; fermenter outlet = x FoTS; recirculate

Im Anschluss können die fermentierbare Masse des Substratgemisches mFoTS;Substrat mFoTS;Substrat = mSubstrat·xFoTS;Rezirkulat und des Fermenterauslaufes mFoTS;Fermenterauslauf mFoTS;Fermenterauslauf = mSubstrat·xFoTS;Rezirkulat berechnet werden.Subsequently, the fermentable mass of the substrate mixture m FoTS; Substrate m FoTS; substrate = m substrate x FoTS; recirculate and the fermenter outlet m FoTS; fermenter outlet m FoTS; fermenter outlet = m substrate · x FoTS; recirculate be calculated.

Durch das NIRS-System werden kontinuierlich die Prozessparameter des Substrates und des Fermenterauslaufes ermittelt. Der regelbare Anteil dieser Bilanzierung ist die zugeführte Energie des Substratgemisches. Ziel der Regelung ist damit die Bestimmung der Dauer der Fütterungsintervalle. Um den gewünschten Biogasvolumenstrom zu erreichen, muss vorerst die in Biogas umwandelbare fermentierbare Masse eines Zyklus mFoTS;Z bestimmt werden. Dafür wird die fermentierbare Masse des Substratgemisches mFoTS;Substrat von der fermentierbaren Masse des Fermenterauslaufs mFoTS;Fermenterauslauf abgezogen: mFoTS;Z = mFoTS;Substrat – mFermenterauslauf The NIRS system continuously determines the process parameters of the substrate and the fermenter outlet. The controllable part of this balance is the added energy of the substrate mixture. The aim of the regulation is thus to determine the duration of the feeding intervals. In order to achieve the desired biogas volume flow, it is necessary first of all to determine the fermentable mass of a cycle m FoTS; Z which can be converted into biogas. For this purpose, the fermentable mass of the substrate mixture m FoTS, substrate is taken off from the fermentable mass of the fermenter outlet m FoTS, fermenter outlet : m FoTS; Z = m FoTS; substrate - m fermenter outlet

Laut Weißbach (Weißbach 2008) kann aus der Menge an fermentierbarer organischer Trockensubstanz FoTS mittels des spezifischen Biogasbildungspotentials SBYFoTS;Weissbach direkt das im Fermenter bildende Biogas bestimmt werden. Damit kann der Biogasvolumenstrom eines Fütterungszyklus VBG-FoTS;Z;normiert nach folgender Gleichung errechnet werden: VBG-FoTS;Z;normiert = mFoTS;Z·SBYFoTS;Weissbach According to Weißbach (Weißbach 2008), it is possible to directly determine the fermentation-forming biogas from the amount of fermentable organic dry matter FoTS by means of the specific biogas-forming potential SBY FoTS; Weissbach . Thus, the biogas volume flow of a feeding cycle V BG-FoTS; Z; normalized can be calculated according to the following equation: V BG-FoTS; Z; normalized = m FoTS; Z * SBY FoTS; Weissbach

Dividiert man den gewünschten Biogasvolumenstrom VBG-Sollwert mit dem soeben ermittelten Biogasvolumenstrom eines Fütterungszyklus erhält man die Anzahl der benötigten Zyklen pro Stunde. ZStunde = VBG-Sollwert/VBG-FoTS;normiert;Z Dividing the desired biogas volume flow V BG setpoint with the biogas volumetric flow rate of a feeding cycle just calculated gives the number of required cycles per hour. Z hour = V BG setpoint / V BG-FoTS; normalized; Z

Zur Umrechnung der Anzahl der Zyklen pro Stunde ZStunde in die Anzahl der Zyklen pro Tag ZTag muss mit 24 multipliziert werden: ZTag = ZStunde·24 To convert the number of cycles per hour Z hour into the number of cycles per day Z day must be multiplied by 24: Z day = Z hour · 24

Ein Tag hat 1440 Minuten. Um das gewünschte Fütterungsintervall zu bestimmen, muss die Anzahl der Minuten eines Tages durch die errechnete Zyklenanzahl je Tag ZTag geteilt werden: F = 1440/ZTag One day has 1440 minutes. To determine the desired feeding interval, the number of minutes of a day must be divided by the calculated number of cycles per day Z day : F = 1440 / Z day

Da rechnerisch Werte ermittelt werden können, die extrem hoch bzw. klein sind, werden eine obere und eine untere Schranke zur Beschränkung der Fütterungsintervalle Fmin und Fmax eingebaut. Die obere und untere Schranke können durch den Anlagenbetreiber geändert werden. Das Minimum des Fütterungsintervalles Fmin ist dabei die Gesamtdauer der Fütterung bis zum Abpumpen des Substratgemisches. Die Gesamtdauer der Fütterung ergibt sich aus der Dauer D für das Befüllen des Kreis-Dissolvers mit Gülle (ca. 30 Sekunden), Rezirkulat (ca. 2 Minuten), Getreide (ca. 30 Sekunden) und Mais (ca. 3 Minuten), sowie der Dauer für das Anmaischen des Substratgemisches (ca. 3 Minuten) und für das anschließende Abpumpen des Substratgemisches (ca. 3 Minuten): Fmin = DGülle + DRezirkulat + DGetreide + DMais + DMischen + DAbpumpen = 15 min Since it is possible to calculate values which are extremely high or small, an upper and a lower barrier are built in to limit the feeding intervals F min and F max . The upper and lower barriers can be changed by the plant operator. The minimum of the feeding interval F min is the total duration of the feeding until the substrate mixture is pumped out. The total duration of the feeding results from the duration D for filling the circular dissolver with manure (about 30 seconds), recirculate (about 2 minutes), cereals (about 30 seconds) and corn (about 3 minutes), as well as the duration for the mashing of the substrate mixture (about 3 minutes) and for the subsequent pumping out of the substrate mixture (about 3 minutes): F min = D manure + D recirculation + D grain + D corn + D mixing + D pumping = 15 min

Das Maximum eines Fütterungsintervalles Fmax sollte zwischen 40 und 50 min gewählt werden.The maximum of a feeding interval F max should be chosen between 40 and 50 min.

Prozesssimulation/Fermentermodell und OPC-ServerProcess simulation / fermenter model and OPC server

Zur dynamischen Simulation der anaeroben Fermentation der Biogasanlage wird das numerische Fermentermodell auf Basis des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) von Beermann (Beermann 2008) verwendet. Als Erweiterung des Modells ist der Inhibitionsfunktion für Propionsäure implementiert. Weiterhin wird die OLE for ProcessControll (OPC) Toolbox von Matlab/Simulink verwendet, um eine dynamische Übertragung der NIRS-Messwert des Prozessleitsystems zum Fermentermodell zu ermöglichen. For the dynamic simulation of the anaerobic fermentation of the biogas plant, the numerical fermenter model based on the Anaerobic Digestion Model no. 1 (ADM1) by Beermann (Beermann 2008). As an extension of the model, the inhibition function for propionic acid is implemented. In addition, Matlab / Simulink's OLE for ProcessControll (OPC) Toolbox is used to enable dynamic transfer of the process control NIRS measurement to the fermentor model.

Anpassungen des Fermentermodells: Für die Prozesssimulation wird das Fermentermodell von Beermann verwendet und an mehreren Stellen angepasst. Es wird ein Simulink-Modell zur Beschreibung der Propionsäure-Inhibation hinzugefügt, da in dem vorhandenen Modell die Hemmung durch Propionsäure nicht betrachtet wurde. Weiterhin ist die Importfunktion der Inputdaten des Modells über Excel durch die Echtzeitübertragung der Inputdaten über die Matlab OPC Toolbox ersetzt. Alle notwendige Stoffdaten von Gülle, Rezirkulat, Getreide und Mais werden jetzt direkt aus den Prozessleitsystem an das Simulink-Model übertragen. Dies ermöglicht eine Echtzeit-Simulation der Biogasanlage. Weiterhin wird das Modell Energiebilanz ergänzt. Dieses Modell ermittelt die Anzahl der notwendigen Zyklen an Fütterungen für die optimale Substratausbeute und den Gasertrag. Dabei kann über mehrere manuelle Switches die Gasertragsprognose gewechselt werden. Folgende Gasertragsberechnungen können ausgewählt werden: Berechnung nach Amon (Amon 2003 und Amon 2007), nach TS, nach Weißbach (Weißbach 2008) und nach Mukengele (Mukengele 2013). Der Vorteil daran ist, dass man während des Echtzeitbetriebs der Biogasanlage das am besten funktionierende Modell ermitteln kann. Im Folgenden werden einige Berechnungsmodelle des angepassten Fermentermodells vorgestellt. Das angepasste Fermentermodell wird folgend als ADM1EnergyBalance bezeichnet. Die Futtermitteldaten des NIRS-Systems werden über Profibus an das Prozessleitsystem übertragen. Die Prozessdaten werden auf einem Siemens WinCC-OPC Server gespeichert und geschrieben. Ein weiterer OPC Server dient zur Übertragung dieser Daten an das Matlab OPC Tool. Das Matlab OPC-Tool verfügt über eine Simulink Schnittstelle mithilfe deren man die Daten des OPC Server direkt in Simulink weiterverarbeiten kann. Die Matlab OPC-Toolbox in Simulink enthält drei Blöcke. Der erste Block OPC-Config dient der Kommunikationseinstellung zwischen dem MatrikonOPCServer und dem OPCClient der OPC-Toolbox von Matlab. Mit den zwei anderen Blöcken können Daten auf dem OPC Server gelesen (OPC Read) und geschrieben (OPC Write) werden. Somit können die Ergebnisse des ADM1EnergyBalance direkt ans Prozessleitsystem übertragen werden und u.a. die Anzahl der Fütterungen abhängig vom Berechnungsmodell angepasst werden. Die 6 stellt den MatrikonOPCServer, der zur die Kommunikation mit der Matlab OPC Toolbox dient, schematisch dar. In der Abbildung sind u.a. die Futtermittelwerte des NIRS-Systems, sowie die Echtzeitmesswerte der Biogasvolumenströme FIC ersichtlich.Adjustments to the fermenter model: The fermenter model from Beermann is used for process simulation and adapted at several points. A Simulink model is added to describe the propionic acid inhibition because propionic acid inhibition was not considered in the existing model. Furthermore, the import function of the input data of the model via Excel is replaced by the real-time transmission of the input data via the Matlab OPC Toolbox. All necessary material data of liquid manure, recirculate, grain and maize are now transferred directly from the process control system to the Simulink model. This enables a real-time simulation of the biogas plant. Furthermore, the model Energy Balance will be added. This model determines the number of necessary cycles of feeds for optimal substrate yield and gas yield. It can be changed over several manual switches, the gas yield forecast. The following gas yield calculations can be selected: calculation according to Amon (Amon 2003 and Amon 2007), to TS, to Weißbach (Weißbach 2008) and to Mukengele (Mukengele 2013). The advantage of this is that you can determine the best-functioning model during real-time operation of the biogas plant. In the following some calculation models of the adapted fermenter model are presented. The adapted fermenter model is referred to below as ADM1EnergyBalance. The feed data of the NIRS system are transmitted via Profibus to the process control system. The process data is stored and written on a Siemens WinCC OPC server. Another OPC server is used to transfer this data to the Matlab OPC Tool. The Matlab OPC tool has a Simulink interface that allows you to further process the data of the OPC server directly in Simulink. The Matlab OPC Toolbox in Simulink contains three blocks. The first OPC-Config block is used to set the communication between the MatrikonOPC server and the OPCClient of the Matlab OPC Toolbox. With the other two blocks, data can be read (OPC Read) and written (OPC Write) on the OPC server. Thus, the results of the ADM1EnergyBalance can be transferred directly to the process control system and, among other things, the number of feedings can be adjusted depending on the calculation model. The 6 schematically displays the MatrikonOPCServer used for communication with the Matlab OPC Toolbox. The figure shows, among other things, the feed values of the NIRS system and the real-time readings of the biogas volume flows FIC.

Das ADM1EnergyBalance besteht, wie der Name schon sagt, aus zwei Hauptmodulen. Das erste Modul besteht aus dem Fermentermodell von Beermann (Beermann 2008) und der Anbindungen der Echtzeit-Daten des PLS (4).The ADM1EnergyBalance, as the name implies, consists of two main modules. The first module consists of the fermenter model by Beermann (Beermann 2008) and the connections of the real-time data of the PLS ( 4 ).

Es werden unter anderem die Temperatur T0, das Gasvolumen VGas und die Anfangskonzentration innerhalb des Fermenters c0 des ADM1 über den OPC Server übertragen und im Modell verarbeitet. Weiterhin werden die Futtermitteldaten des NIRS-Systems direkt verwendet (grüner Simulink-Block). Das zweite Modul führt die Energiebilanz um die Biogasanlage durch. Mithilfe des OPC Toolbox werden die Futtermittelwerte des NIRS-System kontinuierlich gelesen (OPC Read) und direkt für die Energiebilanz verwendet. Im Modell der Energiebilanz wird ähnlich zum NIRS-Regelungssystem EnergyBalance der Fermenter bilanziert.Among other things, the temperature T 0 , the gas volume V gas and the initial concentration within the fermenter c 0 of the ADM1 are transmitted via the OPC server and processed in the model. Furthermore, the feed data of the NIRS system is used directly (green Simulink block). The second module carries out the energy balance around the biogas plant. With the aid of the OPC Toolbox, the feed values of the NIRS system are continuously read (OPC Read) and used directly for the energy balance. In the energy balance model, the fermenter is balanced in the same way as the Energy Balance NIRS control system.

Als Sollwert dient auch im ADM1EnergyBalance der Energiebedarfs des BHKW. Die Berechnung des Energiebedarf ist in der 9 ersichtlich.The energy demand of the CHP is also used as the setpoint in the ADM1EnergyBalance. The calculation of the energy requirement is in the 9 seen.

Zusätzlich werden die Echtzeitmessungen der Volumenstrommessgeräte (FICBHKW, FIC Fackel, FICGärrestlager) verwendet, um den realen Energiebedarf zu bestimmen. Sollte eine Überproduktion der Biogasanlage zum Anschalten der Gasfackel führen, wird automatisch durch die Energiebilanz die Anzahl der Fütterungszyklen reduziert. Die 10 zeigt das Modell zur Berechnung der Anzahl an Fütterungszyklen pro Tag ZTag bzw. das Fütterungsintervall In addition, the real-time measurements of the volumetric flow meters (FICBHKW, FIC torch, FIC residual storage) are used to determine the real energy requirement. Should an overproduction of the biogas plant lead to the gas flare being switched on, the energy balance automatically reduces the number of feeding cycles. The 10 shows the model for calculating the number of feeding cycles per day Z day or the feeding interval

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können für die Implementierung von Ausführungsbeispielen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander von Bedeutung sein.The features disclosed in the specification, the claims, and the figures may be relevant to the implementation of embodiments both individually and in any combination with one another.

Literaturverzeichnis:Bibliography:

  • Amon 2003: Amon, Th; Kryvoruchko, V; Amon, B; Moitzi, G; Lyson, D; Hackl, E; Jeremic, D; Zollitsch, W; Pötsch, E: Optimierung der Biogaserzeugung aus den Energiepflanzen Mais und Kleegras. In: Endbericht Juli (2003)Amon 2003: Amon, Th; Kryvoruchko, V; Amon, B; Moitzi, G; Lyson, D; Hackl, E; Jeremic, D; Zollitsch, W; Pötsch, E: Optimization of biogas production from energy crops maize and clover grass. In: Final Report July (2003)
  • Amon 2007: Amon, Thomas; Amon, Barbara; Kryvoruchko, Vitaliy; Zollitsch, Werner; Mayer, Karl; Gruber, Leonhard: Biogas production from maize and dairy cattle manure – influence of biomass composition on the methane yield. In: Agriculture, Ecosystems & Environment 118 (2007), Nr. 1, S. 173–182Amon 2007: Amon, Thomas; Amon, Barbara; Kryvoruchko, Vitaliy; Zollitsch, Werner; Mayer, Karl; Gruber, Leonhard: Biogas production from maize and dairy cattle manure - influence of biomass composition on the methane yield. In: Agriculture, Ecosystems & Environment 118 (2007), No. 1, pp. 173-182
  • Beermann 2008: Beermann, Jan: Entwicklung eines numerischen Modells zur Simulation der anaeroben Fermentation in Biogasanlagen auf Basis von ADM1, Universität Hannover, Diplomarbeit, April 2008Beermann 2008: Beermann, Jan: Development of a numerical model for the simulation of anaerobic fermentation in biogas plants based on ADM1, University of Hannover, diploma thesis, April 2008
  • Weißbach 2008: Weißbach, F.: Die Bewertung des Gasbildungspotenzials von nachwachsenden Rohstoffen. In: Internationale Wissenschaftstagung Biogas Science 2009 Band 3 (2008), S. 517Weißbach 2008: Weißbach, F .: The Assessment of the Gas Forming Potential of Renewable Resources. In: International Science Conference Biogas Science 2009 Volume 3 (2008), p. 517
  • Mukengele 2013: Mukengele, Mike: Energy Balance – Calculation GE. 2013Mukengele 2013: Mukengele, Mike: Energy Balance - Calculation GE. 2013
  • Kuhnla 2013: Kuhnla, Karsten: Entwicklung eines Anwenderprogrammes für die Steuerung der Biogasanlage Bitterfeld 1 auf Basis von Simatic Step 7, HS Merseburg, Dissertation, Oktober 2013Kuhnla 2013: Kuhnla, Karsten: Development of an application program for the control of the biogas plant Bitterfeld 1 based on Simatic Step 7, HS Merseburg, Dissertation, October 2013

Claims (10)

Verfahren zum Regeln einer Biogasanlage, wobei die Biogasanlage eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von einem Substrat in einen Fermenter und eine Gasverwertungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Einstellen eines Sollwerts für einen Gasvolumenstrom, welcher der Gasverwertungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, – Bestimmen eines Substratparameters des Substrats, das dem Fermenter zur Verarbeitung zu Biogas zugeführt wird, mittels einer optischen Messeinrichtung, – Ermitteln eines Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom, der mit dem Substrat erzeugt werden kann, anhand des bestimmten Substratparameters, – Vergleichen des Sollwerts mit dem Erwartungswert und – Einstellen der Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.A method of controlling a biogas plant, the biogas plant having a supply device for feeding a substrate into a fermenter and a gas utilization device, the method comprising the following steps: Setting a nominal value for a gas volume flow which is to be made available to the gas utilization device, Determining a substrate parameter of the substrate, which is supplied to the fermenter for processing into biogas, by means of an optical measuring device, Determining an expected value for a gas volume flow that can be generated with the substrate based on the determined substrate parameter, - Compare the setpoint with the expected value and Adjusting the supply of the substrate depending on the result of the comparison. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein aus dem Fermenter abgeführter Anteil des Substrats dem Fermenter als Rezirkulat erneut zugeführt wird, wobei weiterhin ein Rezirkulatparameter des Rezirkulats mittels der optischen Messeinrichtung bestimmt wird und der Erwartungswert für den Gasvolumenstrom unter Berücksichtigung des Rezirkulatsparameters ermittelt wird.A method according to claim 1, wherein a discharged from the fermenter portion of the substrate is supplied to the fermenter as recirculation, further a Rezirkulatparameter the recirculation is determined by means of the optical measuring device and the expected value for the gas flow rate is determined taking into account the Rezirkulatsparameters. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zufuhreinrichtung eine Anmischeinrichtung aufweist, wobei ein erster optischer Sensor der optischen Messeinrichtung in einer der Anmischeinrichtung vorgelagerten Leitung angeordnet ist und wobei mittels des ersten optischen Sensors der Substratparameter und, wenn vorhanden, der Rezirkulatparameter bestimmt werden.Method according to claim 1 or 2, wherein the supply device has a mixing device, wherein a first optical sensor of the optical measuring device is arranged in a line upstream of the mixing device and wherein the substrate parameter and, if present, the recirculation parameter are determined by means of the first optical sensor. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zufuhreinrichtung eine Fördereinrichtung aufweist, wobei in der Fördereinrichtung ein zweiter optischer Sensor der optischen Messeinrichtung angeordnet ist und wobei mittels des zweiten optischen Sensors ein Mischungsparameter des Substrats bestimmt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the supply means comprises a conveyor, wherein in the conveyor a second optical sensor of the optical measuring device is arranged and wherein by means of the second optical sensor, a mixing parameter of the substrate is determined. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Messeinrichtung als Nahinfrarotspektroskopie-Messeinrichtung gebildet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the optical measuring device is formed as Nahinfrarotspektroskopie-measuring device. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Substratparameter und / oder als Rezirkulatparameter ein Parameter aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: fermentierbare organische Trockensubstanz, Rohfaser, Rohprotein, Rohlignin und stickstoffreiche Extraktstoffe.Method according to one of the preceding claims, wherein a parameter from the following group is determined as a substrate parameter and / or as Rezirkulatparameter: fermentable organic dry matter, crude fiber, crude protein, Rohlignin and nitrogen-rich extractives. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Erwartungswert ein Energiegehalt, ein Biogasbildungspotenzial und / oder ein Methanbildungspotenzial bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for the expected value, an energy content, a biogas formation potential and / or a methane formation potential is determined. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat kontinuierlich zugeführt wird und die Zufuhr des Substrats kontinuierlich eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the substrate is fed continuously and the supply of the substrate is adjusted continuously. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels der optischen Messeinrichtung ein Prozessparameter bestimmt wird, der einen Fortschritt der Fermentation des Substrats wiedergibt.Method according to one of the preceding claims, wherein by means of the optical measuring device, a process parameter is determined, which represents an advance of the fermentation of the substrate. Regelungseinrichtung zum Regeln einer Biogasanlage mit – einer optischen Messeinrichtung und – einer Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der optischen Messeinrichtung datentechnisch gekoppelt ist, wobei – die optische Messeinrichtung ausgelegt ist, mittels einer optischen Messung einen Substratparameter eines Substrats zu bestimmen, das einem Fermenter der Biogasanlage zugeführt wird und – die Datenverarbeitungseinrichtung ausgelegt ist, – einen Erwartungswert für einen Gasvolumenstrom anhand des bestimmten Substratparameters zu ermitteln, – den Erwartungswert mit einem Sollwert für den Gasvolumenstrom zu vergleichen und – eine Zufuhr des Substrats in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einzustellen. Control device for controlling a biogas plant with - an optical measuring device and - a data processing device, which is coupled with the optical measuring device, wherein - the optical measuring device is designed to determine by means of an optical measurement a substrate parameter of a substrate which is fed to a fermenter of the biogas plant and - the data processing device is designed to determine an expected value for a gas volume flow on the basis of the determined substrate parameter, - compare the expected value with a nominal value for the gas volume flow and - adjust a supply of the substrate as a function of the result of the comparison.
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