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Aktuelle Projekte

InOBio – Innovative messtechnisch gestützte Optimierung der Durchmischung in Biogasfermentern

Ansprechpartner: Prof. Dr. Matthias Gaderer, gaderer[at]tum.de

Projektbearbeitung: Bernhard Huber, b.huber[at]tum.de

In Deutschland sind aktuell etwa 9000 Biogasanlagen installiert, welche einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung aus Biomasse liefern. Im Wesentlichen bestehen diese aus einem Fermenter und einem Gasmotor. Ungefähr 90% der Anlagen in Deutschland werden durch mechanische Rührer durchmischt. Die Durchmischung des Inhaltes im Fermenter ist ein sehr wichtiger Parameter für die Gaserzeugung und macht den Hauptteil des Eigenenergiebedarfs in einer Biogasanlage aus (Weiland 2010).

Die Durchmischung ist notwendig, um frisch eingebrachtes Substrat in Kontakt mit den Mikroorganismen zu bringen, die Freisetzung des Produktgases zu erleichtern, die Methankonzentration in der Fermenterbrühe gering zu halten und Sink- und/oder Schwimmschichten bei faserhaltigen Substraten zu vermeiden.

Da meist keine messtechnischen Informationen über den Mischungszustand im Fermenter vorliegen, wir vorbeugend oftmals dauerhaft gerührt. Dadurch ist der Strombedarf für die Rührung deutlich höher als nötig. Bis zu 8% des im Biogas-BHKW erzeugten Stroms werden für die Rührung verbraucht (Scheftelowitz et al. 2015), was etwa 75% des Eigenenergiebedarfs der Biogasanlage ausmacht.

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Sensorsystems, mit dem die Gefahr der Schwimmschichtbildung in Biogasfermentern erkannt und der zur Vermeidung von Schwimmschichten erforderliche Rühraufwand minimiert werden kann. Dazu werden physikalische Größen wie Kraft, Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur an realen Anlagen erfasst, mit Strömungssimulationsmodellen verglichen und statistische Algorithmen entwickelt, die an Hand von Messdaten aus der Vergangenheit sowie aktuellen Zusatzinformationen eine Grundlage für die Optimierung des Rührbetriebes liefern. Dies kann in weiterer Folge als Information für den Anlagenbetreiber dienen oder für ein Regelungssystem verwendet werden.

Wir bedanken uns herzlich bei unserem Projektpartner ib complan GbR und der Förderung des Projektes durch das BMWi im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand – ZIM“.

KoFEBio - Methodik zur kontinuierlichen Überwachung der Funktion von Elektrofilteranlagen bei Biomassefeuerungen durch Erfassung von Betriebsparametern

 

 

KoFEBio – Methodik zur kontinuierlichen Überwachung der Funktion von Elektrofilteranlagen bei Biomassefeuerungen durch Erfassung von Betriebsparametern

Ansprechpartner Prof. Dr. Matthias Gaderer, gaderer@tum.de
Projektbearbeitung: Bastian Alt, bastian.alt@tum.de

Die Biomasse ist im Wärmesektor der wichtigste erneuerbare Energieträger. Etwa 13 % der Wärme werden in Deutschland mit Erneuerbaren bereitgestellt. Die biogenen Brennstoffe stellen mit 10 % den mit großem Abstand größten Anteil dar. Die Biomasse ist für den Wärmesektor damit von sehr großer Bedeutung. Bei der thermischen Biomassenutzung geht es jedoch nicht nur um die Reduktion von CO2-Emissionen, sondern auch um lokale Schadstoffbelastungen durch beispielsweise Staubpartikel im Abgas der Feuerungsanlagen. Derzeit werden zur aktiven Abscheidung von Partikeln (sogenannte Sekundärmaßnahmen zu Abgasreinigung) überwiegend elektrostatische Filter eingesetzt.

Im Rahmen neuer Vorgaben auf EU-Ebene (Medium Combustion Plant – MCP- Directive 2015/2193) sind für Anlagen über 1 MW Feuerungswärmeleistung verstärkte Kontroll-maßnahmen gefordert. In Deutschland sind damit die Vorgaben im Rahmen der derzeitige TA Luft bzw. die Anlagen im Rahmen der 4. BImSchV betroffen. Dabei handelt es sich bei Biomasse meistens um Heizwerke oder Heizkraftwerke.

Für die Abscheide- und Abgasreinigungsanlagen wird zukünftig für alle Anlagen ab dieser Leistungsklasse eine Überwachung des effektiven kontinuierlichen Betriebs gefordert. Kontinuierliche Staubmessungen im gereinigten Abgas wären dafür eine geeignete technische Möglichkeit. Die verfügbaren kontinuierlichen Staub-Messverfahren sind jedoch in der Regel – insbesondere für kleinere Anlagen – viel zu kostenintensiv und manche Messverfahren sind bei Elektrofiltern aus technischen Gründen nicht einsetzbar.

Im Rahmen des Projektes wird daher an einer Methodik gearbeitet, die es speziell bei Elektrofiltern ermöglichen wird, sehr kostengünstig auf Basis von vorhandenen Strom und Spannungswerten der Anlagen den effektiven kontinuierlichen Betrieb (der Abgasreinigungs-anlagen zu überwachen. Die Methode eignet sich auch sehr gut für kleinere Anlagen, wie sie beispielsweise in Deutschland im Rahmen der 1. BImSchV eingesetzt werden. Das Ziel ist die dabei die Einhaltung der gültigen Grenzwerte während des Betriebes der Feuerung.

Mit der Methode kann die sehr aussagekräftige Kennzahl der Filterverfügbarkeit abgeleitet werden, die einen völlig neuen und sehr effizienter Bewertungsmaßstab in zukünftigen Regelwerken (z.B. BImSchV) erlaubt. Die Filterverfügbarkeit ist das Verhältnis von effektiver Filterlaufzeit zu Feuerungsbetrieb ermittelt im praktischen Realbetrieb, d.h. unter Berücksichtigung aller realen und anlagenindividuellen Randbedingungen, die gerade bei der Verfeuerung von Biomasse sehr komplex und unterschiedlich ausfallen. Diese effiziente Überwachung kann außerdem hochkomplexe und sehr aufwändige Prüfverfahren auf Abscheide-Prüfständen ersetzen, mit denen der Realzustand zwar simulieren werden soll, dieser aber niemals zufriedenstellend abgebildet werden kann. Somit wird den Behörden, der Politik und der gesamten Biomassebranche ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das sehr effektiv und pragmatisch das Vertrauen in die Technik stärkt und die Anwendung der Biomasse im Wärmesektor forciert.

Wir bedanken uns sehr herzlich für die Unterstützung und Förderung des Projektes durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe.

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Projekt ||Smartflower|| ™

Smartflower ™ - Foto: © Regenerative Energiesysteme, TUM

Smartflower ™ – Foto: © Regenerative Energiesysteme

Bei unserer Solarblume „smartflower“ handelt sich um eine 2-achsig nachgeführte Kompakt-Photovoltaikanlage. Die Nachführung der PV-Blätter erfolgt automatisch und zeitgesteuert. Abends fährt sie ihre Blätter ein und morgens aus und bürstet dabei automatisch Staub oder Schnee von der Oberfläche ab. Bei starkem Wind fährt sich die Anlage aus Sicherheitsgründen ebenfalls ein.

Durch die permanente Ausrichtung der PV-Blütenblätter zur Sonne erreicht sie mit 2,3 kWp selbst in unseren Breitengraden einen Jahresertrag von gut 5.000 kWh/a, was etwa 2170 Vollbenutzungsstunden entspricht. Eine fest ausgerichtete PV-Anlage erreicht nur etwa 1000 Vollbenutzungsstunden. Damit ergibt sich je m² PV-Kollektorfläche etwas mehr als der doppelte Ertrag im Vergleich zu einer fest installierten Anlage.

Die Anlage weist etwa 12 m² monokristalline Zellfläche mit 190 Wp pro m² auf. Der erzeugte Strom wird direkt in die Versorgung des Wissenschaftszentrums eingespeist und hilft uns somit auch, nachhaltiger zu arbeiten und zu forschen. Die Betriebs- und Ertragsdaten dieses regenerativen Energiesystems werden in Zukunft in weitere Forschungsprojekte mit einfließen.

Hersteller: smartflower energy technology GmbH

Hydrothermale Carbonisierung von Klärschlamm

res-projekt-htcIn kommunalem Klärschlamm liegt die Wertkomponente Phosphor mit einer Konzentration von etwa 10 % vor. Im Hinblick auf eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft und der zukünftig verpflichtenden Phosphorrückgewinnung sind hierzu technologische Lösungswege zu schaffen. Die hydrothermale Carbonisierung mit Phosphorfreisetzung und anschließender Rückfällung stellt eine entsprechende Verfahrensvariante dar.

Das Hydrothermale Carbonisierung (HTC) von Klärschlamm ist die thermische Behandlung unter Druck in flüssiger, wässriger Umgebung. Die Hauptprodukte sind ein heizwertreicherer und besser entwässerbares carbonisiertes Festprodukt (HTC-Kohle) und Prozesswasser. Die unterschiedlichen Phosphorverbindungen werden während der HTC-Behandlung diversen Migrations- und Konversionsprozessen unterzogen, sodass sich die Eigenschaften von Phosphor vor und nach der HTC essentiell voneinander unterscheiden. Die Eigenschaften des Klärschlamms und die Verfahrensbedingungen der HTC haben massiven Einfluss auf die Phosphor-Bindungsformen, was sich auf dessen Rückgewinnbarkeit auswirkt. Um die HTC von Klärschlamm mit einer Phosphorrückgewinnung kombinieren zu können, müssen die Abhängigkeiten bei der Phosphorfreisetzung über die gesamte Verfahrenskette bekannt sein. Dazu wird in diesem Projekt der Gesamtprozess labortechnisch wiedergegeben und systematisch die Einflussgrößen von den eingesetzten Materialien und Verfahren bis hin zu den erzeugten Produkten variiert und analysiert.

Kontakt

Professur Regenerative Energiesysteme

Schulgasse 16
94315 Straubing

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Matthias Gaderer

Tel.: +49 (0) 9421 187-100
Fax: +49 (0) 9421 187-111
E-Mail: gaderer@tum.de

Sekretariat

Anna Kemmerer

Tel.: +49 (0) 9421 187-101
Fax: +49 (0) 9421 187-111
E-Mail: anna.kemmerer@tum.de