Entwicklung einer verteilten Online-Sensorik zur Steuerung und Überwachung von BiogasanlagenDevelopment of a distributed sensor system for controlling and monitoring biogas plants

ZIM BIOGAS

Das ZIM-BMWi-Forschungsprojekt „Entwick-lung einer verteilten Online-Sensorik zur Steuerung und Überwachung von Biogasan-lagen“ soll eine Messung und Regelung des Gärprozesses in Biogasanlagen ermöglichen. Für viele Anlagenbetreiber ist der Gärprozess generell bekannt, unbekannt ist jedoch, was genau in den Fermentern passiert, z.B. ab wann die Anlage in einen kritischen Zustand fährt oder wann sie am besten arbeitet. Mithilfe von Labormessungen versucht man zur Zeit, den Anlagenzustand rechtzeitig feststellen zu können. Diese Messungen sind sehr genau, brauchen aber Zeit und können nicht alle möglichen Probleme erkennen. Innerhalb einer Biogasanlage können unter anderem Über- /Unterfütterung, Schwimm-schichten oder Sinkschichten vorkommen. Hier setzt das Forschungsprojekt an. Mithilfe der Online-Sensorik erhofft man sich einen zeitnahen und genügend genauen Überblick über den Anlagenzustand zu erhalten. Es sind zwar nur begrenzte Messungen möglich, aber man kann darüber Tendenzen des Anlagenverhaltens ermitteln. Zusätzlich kann man mit dieser Sensorik feststellen, wann das Substrat ausreichend durchmischt ist. Da in den meisten Biogasanlagen die Durchmischung mithilfe von Zeitschaltuhren durchgeführt wird, werden diese Anlagen meistens zu lange durchmischt. Dies führt zu erhöhten Energiekosten für die Anlage.

Für die Überwachung ist vorgesehen, dass mehrere Messeinrichtungen in den Fermen-tern der Biogasanlage installiert werden. Eine Messeinrichtung besteht aus einem Sensorkopf mit der Möglichkeit der senk-rechten Höhenpositionierung und Rotation, einer Reinigung und einer Kontrolleinrich-tung. Der Sensorkopf kann die Temperatur, den pH-Wert, den Leitwert und das Redox-potential des Substrates messen. Er fährt an einem Schlitten in das Substrat und führt auf unterschiedlichen Höhen Messungen durch. Durch die verschiedenen Messhöhen ist es möglich, Schwimm- oder Sinkschichten in der Anlage zu detektieren und gleichzeitig eine homogene Durchmischung zu erreichen.

The intended result of the research project „Development of a distributed sensor system for controlling and monitoring biogas plants”, supported by the ZIM-BMWI, is to enable measurement and regulation of the chemi-cal processes of biogas plants. Most plant operators have a vague knowledge about the process, but the specific behaviour inside the fermenters is unknown. This includes knowl-edge of when a plant is reaching a critical state and when it has the optimal operat-ing conditions. Determination of the state is currently attempted by using laboratory measurements. These measurements are very accurate, but the procedure requires time and does not identify all possible problems. Inside a biogas plant an excess or lack of organic material and dense layers of sub-strate, floating at the surface or resting at the bottom of the fermenter can occur. That is where this research project tries to help. The distributed sensor system shall provide an overview of the current state of the plant at any one time. The measurements are limited, but it is possible to ascertain trends in the behavior of the plant and the rate of mixing of the substrate. Normally, the mixing of the substrate is controlled by time switches which tend to run the mixers for too long, thereby causing higher energy costs.

The monitoring of the plant is supported by several measuring devices implemented in the fermenter. Each measuring device contains a sensor head which can be relocated vertically and rotated, a head cleaning and a control system. The sensor head can measure the temperature, pH-value, conductance and redox potential of the substrate. The pos-sibility of altering the vertical position of the sensor head allows measurements at different heights inside the substrate to detect the pre-viously mentioned dense layers at the surface and bottom, and also whether the substrate is homogenously mixed. Furthermore the measurement of the substrate rate of flow is possible by evaluating the transverse forces acting on the sensor heads’ rotating device. The head cleaner includes a basin with several

Kontakt/ContactProf. Dr. Carsten Wolff

E-Mail: carsten.wolff@fh-dortmund.de

Beteiligte Wissenschaftler/Mitarbeiter Involved Scientists/Staff

Prof. Dr. Carsten WolffImmanuel Först

Mathias KnirrJörn Strumberg

Jens Tekampe

KooperationspartnerCooperation partners

Universität KasselCP contech electronic GmbH

Gefördert durch/Supported byBundesministerium

für Wirtschaft und EnergieFederal Ministry for

Economic Affairs and Energy

Förderkennzeichen/Funding-IDKF2795207WD2

Zusätzlich kann man die Strömung mithilfe der einwirkenden Querkräfte auf die Dreh-einrichtung der Fahrschiene in der Anlage messen. Die Reinigungseinrichtung umfasst ein Becken und mehrere Wasserdüsen. Das Becken kann unter anderem auch für das Nachkalibrieren der Sensoren verwendet werden. Die Kontrolleinrichtung regelt den kompletten Betrieb der Messeinrichtung. Da sich die Messeinrichtung hauptsächlich im Gasraum der Anlage befindet, müssen hier alle verbauten Elemente explosionsgeschützt sein. Aus diesem Grund wird das Aufladen des Sensorkopfes über Induktion stattfinden.

Mithilfe der gemessenen Werte wird ermög-licht, genauere Informationen zu den chemi-schen Prozessen in der Anlage zu ermitteln und eine mögliche Überfütterung der Anlage rechtzeitig zu erkennen. Hierfür gibt es einige Parameter, die schneller auf mögliche Insta-bilitäten reagieren als andere. Der pH-Wert reagiert in der Regel erst, wenn eine Über-fütterung nicht mehr zu vermeiden ist. Es ist allerdings möglich, anhand der flüchtigen or-ganischen Säuren (FOS) und dem Anteil des gesamten Kohlenstoffs (TAC) den Zustand einer Anlage gut zu erfassen. Diese beiden Parameter sind jedoch nicht online messbar. Hierfür wurde eine Korrelation zwischen der Leitfähigkeit mit dem Trockensubstratanteil und dem TAC Wert, sowie eine Korrelation zwischen dem Redoxpotential, pH-Wert und dem FOS-Wert ermittelt. Hierdurch kann der Anlagenzustand gut wiedergegeben werden.

Aufgrund des aktuellen Standes der Simulati-onsmodelle kann man das Anlagenverhalten der Biogasanlage nur in einem engen Korri-dor um den normalen Arbeitspunkt herum simulieren. Sobald die Simulation in den für die Anlage instabilen Bereich gefahren wird, ermittelt das Modell unrealistische Ergebnisse, so dass kein fehlerhaftes Verhal-ten der einzelnen Parameter erkannt wird. Daher kann das Modell nicht im Sinne einer Regelung für Fütterungsvorschläge und langfristige Prognosen eingesetzt werden.

nozzles that can also be used for recalibrating the sensors. To operate the sequences of the measuring system a control system is imple-mented. Measuring devices are usually placed in the gas-filled compartment so protection against explosions is needed. One protec-tion is the recharging of the sensor head by electromagnetic induction.

The different measurements give more detailed information about the chemical processes inside the substrate and allow early detection of any excess of organic material. Some of the measured parameters react faster to possible instabilities. The pH-value reacts very slowly with the result that corrective actions would be too late. But it is possible to determine the state of the plant well, based on the volatile organic acids (FOS) and the amount of the overall carbon (TAC). These parameters are not measurable online, however. A correlation between the con-ductance, the amount of dry substrate and the overall carbon, as well as a correlation between the redox potential, the pH-value and the volatile organic acids are ascertained. In this way the state of the plant can be deter-mined quite accurately.

The current state of the simulation software is only able to model biogas plants during standard operation. When the simulation is put into an unstable state, the model gives unrealistic results, so no defective behavior of the single parameters can be detected. As a consequence it is not possible to make suggestions on feed levels or long-term fore-casts for biogas plants, purely based on the simulation model.

Abb. 1: Links: Aufbau des Sensorkopfes aus Edel-stahl. Die implementierten Sensorelektro-den bieten die Möglichkeit der Messung von Temperatur, pH-Wert, Leitwert und Redoxpotential des Substrates innerhalb eines Biogasfermenters. Mitte: Außenansicht einer Biogasanlage mit im Hintergrund zu sehenden Kuppen der Fermenter.Rechts: Rührwerk innerhalb eines Fermen-ters. Der Verbund von Rührwerken soll eine möglichst optimale Durchmischung und somit ein homogenes Substrat bewerk-stelligen.

Fig. 1: Left: The sensor head, made of stainless steel. The implemented sensor-electrodes are capa-ble of measuring the temperature, pH-value, conductance and redox potential of the substrate inside of a fermenter. Center: External view of a biogas plant with the tops of fermenters in the background. Right: A stirrer inside of a fermenter. The purpose of a compound of stirrers is to accomplish a preferably ideal mixing and therefore a homogenous substrate.