thi_forschungsbericht_2017

Institut für neue Energie-Systeme (InES)
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BIOOPT-MIX
Verbesserung der Durchmischung in Biogasfermentern durch methodische
Rührwerksoptimierung in Laborversuch, Simulation und Felderprobung
Prof. Dr.-Ing. Markus Goldbrunner
Projektleiter
Tel +49 841 9348-3420
Markus.Goldbrunner@thi.de
Matthias Sonnleitner, M.Phil.
Leiter Bereich Bioenergietechnik
Tel +49 841 9348-6490
Matthias.Sonnleitner@thi.de
Abb. 1: Versuchsaufbau Durchmischung
Abb. 2: CFD Simulation von 2 Rührern im
Fermenter
Fördermittelgeber
Das Projekt „BIOOPT-MIX“ hat das Ziel, die Durchmischung bei bestehenden
Biogasanlagen energetisch und verfahrenstechnisch signifikant zu optimieren.
Durch die Entwicklung von neuen marktfähigen Rührwerkskonzepten sollen
Wirtschaftlichkeit und Klimaschutz entscheidend verbessert werden.
Auf Basis wissenschaftlicher Untersuchungen werden neue Auslegungsund
Optimierungskonzepte für die Durchmischung von Biogasfermentern
entwickelt. Insbesondere werden verschiedene Rührwerkskonstruktionen,
Schaufelformen und Anordnungen des Rührwerks im Fermenter, aber auch
Betriebsweisen, wie Drehzahlanpassung in Abhängigkeit von Substratcharakteristiken
und alternierende Fahrweisen, untersucht. Die Fermentergeometrien,
die Rühwerkskonzepte und das rheologische Verhalten des
Substrats werden auf Labormaßstab übertragen (Scale-down) und anschließend
mittels verschiedener Methoden umfassend messtechnisch untersucht
(siehe Abb. 1). Die laserbasierte Particle Image Velocimetry (PIV) und ultraschallbasierte
Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) dienen der mehrdimensionalen
Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten im Laborbehälter. Hinzu
kommen die Aufzeichnung der Leistungsaufnahme der Laborrührerantriebe,
des Drehmomentes an der Rührerwelle und die Messung der Substrattemperatur.
Als Ersatz für reale Substrate wird ein transparentes Modellsubstrat mit
ähnlichen rheologischen Eigenschaften eingesetzt. Neben der Visualisierung
von Strömungscharakteristiken dienen die Laborversuche der Validierung der
numerischen Simulation der Durchmischungscharakteristik (siehe Abb. 2)
mittels Computational Fluid Dynamics (CFD). Das Softwaretool StarCCM+
wird genutzt, um umfangreiche Parameterstudien zur Optimierung der
Durchmischung in Gärbehältern durchzuführen. Zudem werden ausgewählte
Optimierungskonzepte an Feldanlagen erprobt (Scale-up), messtechnisch
erfasst und validiert.
Somit können schließlich allgemeingültige Auslegungsregeln zur effizienten
Gestaltung von Rührkonzepten in Neuanlagen wie auch im Betrieb
befindlicher Rührkonzepte erstellt werden. Das Projekt wird vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung gefördert.
Kooperationspartner
Improvement of the Mixing Process in Digesters
by Methodical Agitator Optimisation in Laboratory
Tests, Simulation and Field Testing
The aim of the research project “BIOOPT-MIX”, carried
out at the Institute of new Energy Systems and financially
supported by the German Federal Ministry of Education
and Research, is to optimise the mixing process in biogas
digesters to increase the overall efficiency and competitiveness
of biogas plants. On the basis of comprehensive
methodological and scientific investigation, efficient
mixing strategies for fully mixed biogas digesters with
the lowest parasitic electric energy consumption and
best mixing quality are being developed. To get detailed
knowledge of the flow dynamic inside a mixed biodigester,
experiments are carried out on a downscaled laboratory
digester. The output of the laboratory experiments
is used to calibrate computational fluid dynamics (CFD)
models, which are used for comprehensive optimisation
studies. With the results of the study, generally valid
guide lines and rules are defined for an optimised design
and operation of biodigester mixing systems.