Modellbasierte Analysen zur Gestaltung und Betriebsführung von Biogasanlagen

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse des Betriebsverhaltens von Biogasanlagen auf Basis des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). Dabei werden drei verschiedene Konzepte zur Flexibilisierung von Biogasanlagen untersucht, die dazu beitragen können Schwankungen in der Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen auszugleichen. Im ersten Konzept wird die Biogasanlage konstant in einem Arbeitspunkt betrieben, das erzeugte Biogas vor Ort gespeichert und bei Bedarf in einem Blockheizkraftwerk genutzt. Zur Auswahl dafür geeigneter Betriebspunkte wird in der vorliegenden Arbeit eine einheitliche Darstellung des Betriebsverhaltens von Biogasanlagen vorgeschlagen. Anhand dessen werden verschiedene Reaktorkonzepte verglichen und auch die grundsätzlichen Einflüsse der Reaktionsführung aufgezeigt. Eine zweite Form der Flexibilisierung von Biogasanlagen ist der dynamische Betrieb zur bedarfsgerechten Gaserzeugung. In diesem Kontext wird in der vorliegenden Arbeit untersucht, wie eine unerwünschte Überlastung der Biogasanlage vermieden werden kann. Zu diesem Zweck wird das dynamische Übergangsverhalten bei Lastwechseln anhand verschiedener Messgrößen analysiert. Ziel dabei ist eine frühzeitige Detektion der Überlastung und so die rechtzeitige Einleitung von entsprechenden Gegenmaßnahmen. Das dritte Konzept umfasst die Aufwertung von Biogas zu Biomethan, welches in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Eine Verfahrensvariante dessen ist die direkte Einspeisung von Wasserstoff in Biogasanlagen und die Methanerzeugung durch ohnehin vorhandene Mikroorganismen. In der vorliegenden Arbeit wird sowohl das stationäre Verhalten derartiger Reaktoren in Abhängigkeit des erreichbaren Stoffübergangs des Wasserstoffs als auch das dynamische Übergangsverhalten nach Lastwechseln untersucht. Dabei wird ein Regelungskonzept vorgeschlagen, mit dem die Anforderungen an die biologische Methanisierung ohne Störung des regulären anaeroben Abbaus gewährleistet werden kann. In der vorliegenden Arbeit, werden mithilfe des mathematischen Modells grundlegende Mechanismen und Wechselwirkungen der Prozesse in Biogasanlagen aufgezeigt. Dies liefert hilfreiche Hinweise für experimentell arbeitende Gruppen bei der Deutung ihrer Befunde und auch für die Durchführung zukünftiger Experimente. Des weiteren werden wichtige Diagramme vorgeschlagen, die ausgehend von punktuell verfügbarem Expertenwissen das Betriebsverhalten der Reaktoren wiedergeben.