Der Ausbau von erneuerbaren Energien hat seit 2000, durch die Einführung des Erneuerbaren Energien Gesetzes, auch im Bereich Biomasse zu einem stetigen Ausbau von Biogasanlagen geführt. Seit ca. 2014 stagniert der Ausbau, aufgrund einer Neuauflage des EEGs, in dem einige Subventionierungen wegfallen. Aus diesem Grund liegt der Fokus momentan u.a. auf der Optimierung von Biogasanlagen und der Minimierung von Störungen (Über- oder Unterfütterung, Temperaturschwankungen, Rührwerksausfall, etc.).
Eines dieser Störfaktoren ist der Mangel von Spurenelementen, der häufig beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen auftritt. Häufig führt dieser Mangel zu einem niedrigen pH-Wert, einem hohem FOS/TAC Verhältnis sowie einer reduzierten Methanausbeute. Bleibt solch ein Mangel unentdeckt, kann es zu einem vollständigen Prozessabsturz innerhalb der Biogasanlage kommen.
Die mathematische Beschreibung von anaeroben Prozessen erfolgt bereits seit ca. 40 Jahren und bildet den Biogasprozess mittlerweile sehr gut ab, sodass auf einige Störfaktoren rückgeschlossen werden kann. Durch eine Vielzahl existierender Modelle hat die IWA Task Group ein allgemeingültiges Modell zum anaeroben Abbau entwickelt, das Anaerobic Digestion Model No. 1 (Batstone et al. 2002). Aufbauend auf dem ADM1 sind weitere Modell-erweiterungen entwickelt worden. Eine Übersicht über diese Modelle ist in (Donoso-Bravo et al. 2011) zu finden. Bisher gibt es allerdings noch keinen Modellansatz zur Beschreibung der Spurenelemente innerhalb des ADM1 bzw. dessen Erweiterungen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Spurenelemente auf den Biogasprozess, insbesondere im Falle einer Mangelsituation. Dabei gab es zwei Hauptziele. Das erste Hauptziel der vorliegenden Arbeit war eine mathematische Beschreibung der Umwandlungsprozesse von Spurenelemente sowie deren unterschiedliche Bindungsformen bereitzustellen. Diese Beschreibung sollte als Modellerweiterung an ein vorhandenes Modell zum anaeroben Abbau angebunden werden. Mit Hilfe dieses Modells sollte sowohl der Konzentrationsverlauf als auch die durch die Spurenelemente verursachten Auswirkungen auf den Biogasprozess abgebildet werden. Das zweite Hauptziel war die Validierung des Modells durch parallel durchgeführte Laborversuche an Reaktoren zur Untersuchung des Spurenelementmangels.
Mit Hilfe der Laborversuche sind die Auswirkungen eines Spurenelementmangels nachgewiesen worden. Dabei zeigte sich nach ca. 3 Monaten Laufzeit ein reduzierter pH-Wert, ein ansteigendes FOS/TAC Verhältnis sowie eine verzögerte Biogasproduktion. Ein vollständig stabiler Prozess hat sich erst durch die Zugabe aller Spurenelemente wieder eingestellt. Gleichzeitig hat die erneute Zugabe der Spurenelemente in die Testreihen nach dem Mangel zu einer starken Schaumbildung geführt.
Die mathematische Beschreibung der Umwandlungsprozesse von Spurenelemente erfolgt als eigenständiges Modell und kann an beliebige Modellansätze integriert werden. In der Arbeit ist dafür das ADM1da ausgewählt worden, um eine Beschreibung der anaeroben Prozesse zu integrieren. Gleichzeitig beinhaltet das ADM1da die Beschreibung von Mischsubstraten, sodass mit dem entwickelten Modellansatz zu jedem Substrat die spezifische Spurenelementkonzentration angegeben werden kann.
Das neu entwickelte Modell beinhaltet drei wesentliche Schritte: (1) den Abbau des Substrates, indem die Spurenelemente gebunden sind, (2) die Freisetzung der Spurenelemente in den Gärschlamm und (3) die Umwandlung der einzelnen Spurenelement-Bindungsformen untereinander. Dabei sind in dem Modellansatz vier Fraktionen bezüglich der Spurenelemente integriert: (a) freie (bioverfügbare) bzw. leicht gebundene Ionen, (b) adsorbierte Ionen, (c) in Biomasse gebundene SE und (d) ausgefällte SE. Die Beschreibung einzelner Reaktionen sowie die Umwandlungen innerhalb der verschiedenen Fraktionen erfolgt über die Petersen-Matrix.:Danksagung I
Inhaltsverzeichnis II
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XI
1 Einleitung 1
2 Kenntnisstand 4
2.1 Allgemeiner Aufbau Biogasanlagen 4
2.2 Grundlagen des anaeroben Abbaus 6
2.2.1 Biologische und chemische Prozesse 7
2.2.2 Einflussfaktoren 10
2.3 Spurenelemente 14
2.3.1 Bedarf und Folgen auf den Gärprozess 14
2.3.2 Bioverfügbarkeit von Spurenelementen 16
2.3.3 Quellen – Substrate und Zuschlagstoffe 17
2.4 Anaerobmodelle 18
2.4.1 Allgemein 18
2.4.2 ADM1 – mathematische Beschreibung der wichtigsten Prozesse 20
2.4.3 Weiterentwicklungen des ADM1 Modells 22
2.4.4 Verbesserungsmöglichkeiten am ADM1 Modell 24
2.4.5 Modellierung der Spurenelemente 26
3 Wissenschaftliche und experimentelle Methodik 29
3.1 Versuchsanlage 29
3.2 Versuchsdurchführung 31
3.3 Analysemethoden/Messtechnik 35
4 Auswertung und Diskussion der Laborversuche 38
4.1 Substratzugabe 38
4.2 Kontrollreihe 39
4.3 Testreihen mit Mangel an Spurenelementen 45
4.4 Spurenelementkonzentration innerhalb der Reaktoren 60
4.5 Test auf Signifikanz 64
5 Modellierung des Biogasprozesses unter Berücksichtigung der Spurenelemente 70
5.1 Mathematische Beschreibung des entwickelten Modellansatzes 70
5.2 Anknüpfung an das ADM1da 77
5.3 Programmtechnische Umsetzung/Implementierung 79
5.4 Anwendung des Modells anhand einer Biogasanlage 80
5.4.1 Simulation der Biogasanlage 80
5.4.2 Monovergärung von Maissilage 84
5.4.3 Substratmix zur Vermeidung eines Mangels 88
5.5 Anwendung des Modells anhand des Laborreaktors 93
5.5.1 Vergleich der Simulations- und Messdaten der Kontrollreihe 96
5.5.2 Vergleich der Simulations- und Messdaten der Testreihe 103
6 Zusammenfassung 122
7 Literaturverzeichnis 129
8 Anhang 138
8.1 Laborergebnisse Testreihe 138
8.1.1 Biogasmenge 139
8.2 Boxplot 140
8.2.1 Mangelphase 140
8.2.2 Rückführphase 141
8.3 Massenbilanzen 141
8.4 Vergleich Simulation/Messdaten – Kontrollreihe 142
8.4.1 pH-Wert 142
8.4.2 Biogasmenge 143
8.4.3 Methangehalt 143
8.5 Vergleich Simulation/Messung Testreihe 144
8.5.1 Spurenelemente 144
8.5.2 pH-Wert 146
8.5.3 FOS/TAC Verhältnis 147
8.5.4 Biogasmenge 148
8.5.5 Methangehalt 149
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:31869 |
| Date | 06 October 2018 |
| Creators | Muth, Karen |
| Contributors | Dornack, Christina, Heilmann, Andrea, Scholwin, Frank, Technische Universität Dresden |
| Publisher | Eigenverlag des Forums für Abfall- und Kreislaufwirtschaft |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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