Praxisnahe Modellierung von Biogasanlagen. Systematische Vereinfachung des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1).

Abstract

Ziel der Arbeit ist die systematische Entwicklung vereinfachter Modellstrukturen für die dynamische Prozesssimulation von landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Um die vorhandenen stöchiometrischen, kinetischen und physikochemischen Grundlagen der verfahrenstechnischen Modelltheorie nutzen und weiterentwickeln zu können, fokussiert sich die Modellbildung auf den Einsatz gewöhnlicher Differenzialgleichungen bzw. sogenannter Light-Gray-Box Modelle. Auf Basis einer umfassenden Literaturauswertung zur Entwicklung und Anwendung charakteristischer Prozessmodelle der Vergärung sollen geeignete Modellstrukturen für eine aussagekräftige Simulation von landwirtschaftlichen Biogasanlagen identifiziert werden. Mithilfe von Bruttobilanzen sind die stöchiometrischen Abbauwege (Reaktionen) und vielfältigen Zwischenprodukte (Zustandsgrößen) der komplexen Simulationsmodelle hinsichtlich einer praxisnahen und robusten Anwendung im großtechnischen Anlagenbetrieb systematisch zu vereinfachen. Die entwickelten Modellansätze werden anhand repräsentativer Laborversuche zur Vergärung typischer Energiepflanzen, Wirtschaftsdünger und industrieller Abfallprodukte landwirtschaftlichen Ursprungs (Getreideschlempe) ausgewertet; die Modellanpassung (Parameteridentifikation) erfolgt sowohl auf Basis einer umfangreichen Monte-Carlo-Analyse im gesamten Wertebereich der einzelnen Parameter als auch mithilfe numerischer Optimierungsverfahren. In der Ergebnisdiskussion sind die stöchiometrischen Modelleigenschaften der implementierten Modellvarianten gezielt mit den etablierten Kennzahlen aus der Praxis- und Grundlagenliteratur zu vergleichen. Weiterhin werden die Simulationsergebnisse und identifizierten Modellparameter der vorliegenden Laborversuche detailliert ausgewertet. Die charakteristischen Unterschiede der einzelnen Modellvarianten und verwendeten Simulationsverfahren sind abschließend darzustellen.