Optimierung der Homogenisierung in Biogasanlagen

Analyse der Strömungszustände in Biogasreaktoren durch numerische Strömungsmechanik

Abbildung 1: Darstellung der Wirbelbildung um das Rührwerk

Biogasanlagen werden generell mit den verschiedensten Substraten gefüttert. Dazu zählen u.a. Mais, Grünschnitt, Schlachtabfälle, Gräser, Mist und Gülle. Saisonale Schwankungen beim landwirtschaftlichen Anbau bedingen eine starke Variation der Substrate über das Jahr hinweg. Durch unterschiedliche Mischungen der Substrate führt das zu einer hohen Spannbreite an Viskositäten. Gleichzeitig verändert sich die Viskosität in der Anlage durch den biologischen Abbau ständig. Trotzdem ist eine effektive Durchmischung unabdingbar, damit ein gleichmäßiger Abbau erfolgt und ein möglichst kompletter Umsatz in Methan erreicht wird. Trotz der großen Vielfalt an Substraten und den Viskositätsschwankungen erfolgt die Auslegung der Gärbehälter und Rührtechnik nur auf Basis einer mittleren Raumbelastung. Die Folge ist eine unzureichende Homogenisierung der Substrate und damit die Entstehung von Wärme- und Konzentrationsgradienten, in Form von Sink- und Schwimmschichten bzw. Totzonen. Durch die strukturviskose Natur der Substrate kommt es zudem zu einer Scherverdünnung im Bereich des Rührers und zu einer Kavernenbildung. An der Hochschule Ansbach werden daher Projekte verfolgt, die der Verbesserung Homogenisierung der Gärbehälterinhalte zum Ziel haben.

Die Durchmischung stellt insbesondere ein Problem dar, da die Strömungszustände nicht im ganzen Reaktor sichtbar sind. Ein Eingreifen in den Prozess und die Veränderung der Rührerparameter wird daher auf Basis von Erfahrungswerten bzw. lokaler Strömungszustände vorgenommen. Totzonen lassen sich dadurch nicht effektiv beseitigen, was letztlich zu einem Ausfall der Anlage durch Ansammlung von unvergorenem Substrat führt.

Einen Ausweg bietet hierbei die Simulation der Strömungsverhältnisse mittels numerischer Strömungssimulation (CFD). Während sich derzeitige Untersuchungen nur auf niedrigviskose und newtonsche Fluide beziehen, bzw. Modellsubstrate mit vorher eingestellten Viskositäten zum Einsatz kommen, werden an der Hochschule Ansbach gezielt hochviskose Fluide untersucht. Dabei werden Modelle erstellt, die durch ihre Mehrphasigkeit sehr nah an die realen Verhältnisse angelehnt sind. Mit diesen Verfahren lassen sich Vorhersagen über die sich ausbildenden Geschwindigkeitsfelder im Gärbehälter machen. Die Effektivität der Rührer lässt sich grafisch darstellen (Abbildung 1) und Änderungen am Prozess gezielt und schnell abbilden.

Ebenso lassen sich verschiedene Szenarien evaluieren, die eine Verbesserung der Homogenisierung zum Ziel haben. Auch eine gerichtete Optimierung der Rührerparameter kann vollzogen und letztlich in den Realanlagen angewandt werden. Damit steht ein Verfahren bereit, welches sich auf verschiedenste Biogasanlagen anwenden lässt.

Prof. Dr. Wolfgang Schlüter

Leitung Kompetenzzentrum Industrielle Energieeffizienz (KIEff)
Hochschule Ansbach / Fakultät Technik