Bislang existieren keine unter Praxisbedingungen einsetzbaren Messmethoden für eine verzögerungsfreie Bestimmung der für die Prozessführung wichtigen Zustandsgrößen in Biogasanlagen. Die Arbeit „Anwendung des erweiterten KALMAN-Filters zur Zustandsbeobachtung in Biogasanlagen“ hat zum Ziel, den Stand der Technik in der Biogaserzeugung dahingehend weiter zu entwickeln, dass mittels einer softwarebasierten Systemlösung die für eine fundierte Einschätzung des Prozesszustands einer Biogasanlage benötigten Zustandsgrößen sowohl im Fermenter als auch im Zulauf bestimmt werden können. Das praktische Interesse besteht insbesondere darin, dass die Bestimmung unter Verwendung von standardmäßig an Biogasanlagen verfügbaren Messsystemen sowie unter den anlagentechnischen Randbedingungen erfolgen kann. Grundlage für eine Systemlösung zur Zustandsbeobachtung in Biogasanlagen ist ein mathematisches Modell, das die relevanten Teilprozesse der Methangärung abbildet und stellvertretend für das Realstoffsystem mit mathematischen Methoden der Prozesszustands- und Parameterschätzung untersucht werden kann. Die entsprechend des Stands der Technik verfügbaren Prozessmodelle zur Beschreibung anaerober biologischer Abbauprozesse ermöglichen die Berechnung der Prozesszustandsgrößen der anaeroben Flüssigphase, sofern die Zusammensetzung des zugeführten Substrats bekannt ist. Diese ist jedoch in technischen Anlagen zur Biogaserzeugung in der Regel unbekannt, da die eingesetzten Substrate den nachwachsenden Rohstoffen sowie den biologischen Rest- und Abfallstoffen zuzuordnen sind, die herkunftsbedingt eine wechselnde Zusammensetzung und Verfügbarkeit aufweisen. Praxistaugliche, verzögerungsfreie Messmethoden für die Substratcharakterisierung stehen derzeit ebenfalls nicht zur Verfügung, so dass diese Modelle bislang nur eingeschränkte praktische Anwendbarkeit aufweisen. Zielstellung der Arbeit ist die Entwicklung einer Systemlösung, die es auf der Grundlage der mathematischen Beschreibung des Prozesses ermöglicht, die Prozesseingangsgrößen (Substratmenge und Substratzusammensetzung) und die Prozesszustandsgrößen (anaerobe Milieubedingungen) aus den Prozessmessgrößen (Gasmenge und Gaszusammensetzung) zu berechnen. Dabei sind unter praktischen Bedingungen auftretende Informationsverluste in den Messdaten infolge Biogasentschwefelung, Gaszwischenspeicherung und Leistungssteuerung des BHKW zu berücksichtigen, die zu keiner Beeinträchtigung der Anwendbarkeit führen dürfen. Mit Messwerten, die im Rahmen von zwei Versuchsreihen am Realstoffsystem bestimmt worden sind, wurde der Prozess der Methangärung für zwei spezielle Anwendungsfälle simuliert und einer Bewertung in Bezug auf die Qualität der Zustandsbeobachtung unterzogen. Die berechneten Verläufe ergaben eine hinreichend genaue Übereinstimmung mit den Verläufen der analytisch bestimmten Prozesszustands- und Prozesseingangsgrößen. Darauf aufbauend können dann Systeme zur Bewertung des Prozesszustands und zur Prozessregelung eingesetzt und zur Optimierung der Prozessführung in Biogasanlagen angewendet werden. / Suitable control of anaerobic digestion for biogas production requires well-founded knowledge about the process states. Standard measurement categories in small and medium scaled biogas plants contain gas analysis (amount and composition) and pH measurement. The actual process and input states of the liquid phase are usually unknown. This work presents a methodology for estimation of the unknown states based on standard measurement equipment. The system solution consists of two parts, a model describing the dynamics of the process and a two-stage identification of process states and model parameters. Within the first stage quadratic differences between simulated and measured values are minimized by the least square method; second stage minimizes the covariance matrix of the estimation error using the extended Kalman filter. Application of the system solution provides an high potential to increase efficiency of biogas production process and utilization of renewable resources.

Bislang existieren keine unter Praxisbedingungen einsetzbaren Messmethoden für eine verzögerungsfreie Bestimmung der für die Prozessführung wichtigen Zustandsgrößen in Biogasanlagen. Die Arbeit „Anwendung des erweiterten KALMAN-Filters zur Zustandsbeobachtung in Biogasanlagen“ hat zum Ziel, den Stand der Technik in der Biogaserzeugung dahingehend weiter zu entwickeln, dass mittels einer softwarebasierten Systemlösung die für eine fundierte Einschätzung des Prozesszustands einer Biogasanlage benötigten Zustandsgrößen sowohl im Fermenter als auch im Zulauf bestimmt werden können. Das praktische Interesse besteht insbesondere darin, dass die Bestimmung unter Verwendung von standardmäßig an Biogasanlagen verfügbaren Messsystemen sowie unter den anlagentechnischen Randbedingungen erfolgen kann. Grundlage für eine Systemlösung zur Zustandsbeobachtung in Biogasanlagen ist ein mathematisches Modell, das die relevanten Teilprozesse der Methangärung abbildet und stellvertretend für das Realstoffsystem mit mathematischen Methoden der Prozesszustands- und Parameterschätzung untersucht werden kann. Die entsprechend des Stands der Technik verfügbaren Prozessmodelle zur Beschreibung anaerober biologischer Abbauprozesse ermöglichen die Berechnung der Prozesszustandsgrößen der anaeroben Flüssigphase, sofern die Zusammensetzung des zugeführten Substrats bekannt ist. Diese ist jedoch in technischen Anlagen zur Biogaserzeugung in der Regel unbekannt, da die eingesetzten Substrate den nachwachsenden Rohstoffen sowie den biologischen Rest- und Abfallstoffen zuzuordnen sind, die herkunftsbedingt eine wechselnde Zusammensetzung und Verfügbarkeit aufweisen. Praxistaugliche, verzögerungsfreie Messmethoden für die Substratcharakterisierung stehen derzeit ebenfalls nicht zur Verfügung, so dass diese Modelle bislang nur eingeschränkte praktische Anwendbarkeit aufweisen. Zielstellung der Arbeit ist die Entwicklung einer Systemlösung, die es auf der Grundlage der mathematischen Beschreibung des Prozesses ermöglicht, die Prozesseingangsgrößen (Substratmenge und Substratzusammensetzung) und die Prozesszustandsgrößen (anaerobe Milieubedingungen) aus den Prozessmessgrößen (Gasmenge und Gaszusammensetzung) zu berechnen. Dabei sind unter praktischen Bedingungen auftretende Informationsverluste in den Messdaten infolge Biogasentschwefelung, Gaszwischenspeicherung und Leistungssteuerung des BHKW zu berücksichtigen, die zu keiner Beeinträchtigung der Anwendbarkeit führen dürfen. Mit Messwerten, die im Rahmen von zwei Versuchsreihen am Realstoffsystem bestimmt worden sind, wurde der Prozess der Methangärung für zwei spezielle Anwendungsfälle simuliert und einer Bewertung in Bezug auf die Qualität der Zustandsbeobachtung unterzogen. Die berechneten Verläufe ergaben eine hinreichend genaue Übereinstimmung mit den Verläufen der analytisch bestimmten Prozesszustands- und Prozesseingangsgrößen. Darauf aufbauend können dann Systeme zur Bewertung des Prozesszustands und zur Prozessregelung eingesetzt und zur Optimierung der Prozessführung in Biogasanlagen angewendet werden. / Suitable control of anaerobic digestion for biogas production requires well-founded knowledge about the process states. Standard measurement categories in small and medium scaled biogas plants contain gas analysis (amount and composition) and pH measurement. The actual process and input states of the liquid phase are usually unknown. This work presents a methodology for estimation of the unknown states based on standard measurement equipment. The system solution consists of two parts, a model describing the dynamics of the process and a two-stage identification of process states and model parameters. Within the first stage quadratic differences between simulated and measured values are minimized by the least square method; second stage minimizes the covariance matrix of the estimation error using the extended Kalman filter. Application of the system solution provides an high potential to increase efficiency of biogas production process and utilization of renewable resources.

Vor dem Hintergrund der aktuellen energiepolitischen Entwicklungen und des zunehmenden Kostendruckes steigen die Anforderungen an eine präzise und zugleich praxisnahe Bilanzierung, Bewertung und Optimierung des Biogasprozesses. Dies beinhaltet sowohl die detaillierte Charakterisierung und Qualitätsbewertung der individuell eingesetzten Substrate als auch die Effizienzbewertung ihrer verfahrensspezifischen Umsetzung im Fermenter. Grundsätzlich existieren in der Wissenschaft und Praxis vielfältige Untersuchungsverfahren und Berechnungsmethoden, um die Eigenschaften der eingesetzten Substrate oder den aktuellen Prozesszustand zu charakterisieren. Eine direkte Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Verfahren auf Basis der Trockensubstanz (TS, oTS, FoTS), Futtermittel-, Elementar- oder Brennwertanalyse ist bis heute nicht gegeben. Unter Berücksichtigung der konkreten Prozessbedingungen liefern experimentelle Batchtests oder kontinuierliche Laborversuche realitätsnahe Aussagen zum Methanertrag einzelner Substrate. In der großtechnischen Anlagenpraxis haben sich dabei die allgemeinen Richtwerte für Gasausbeuten des Kuratoriums für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) etabliert, welche auf einer Vielzahl an Einzelmessungen von Batchversuchen unterschiedlicher Labore und zusätzlichen Erfahrungswerten (Expertenwissen) beruhen. Ziel des vorliegenden Leitfadens ist es, die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung des Methanbildungspotentials einzelner Substrate hinsichtlich ihrer praxisnahen Anwendung und Aussagekraft zu beschreiben. Auf Basis vereinfachter Massen- oder Energiebilanzen können die charakteristischen Kenngrößen der eingesetzten Substrate oder der anfallenden Gärreste dann zur Effizienzbewertung einer Biogasanlage verwendetet werden.