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Die Verstromung von Biogas bietet eine Möglichkeit, durch eine angepasste Produktion Schwankungen im Angebot von Wind- und Solarstrom auszugleichen. Forschungsbiogasanlage des Deutsches Biomasseforschungszentrums.
© DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH
Stromproduktion aus Biogas
Projektinfo 07/2018

Aufbau eines Rührkessel-Fermenters mit integriertem pneumatisch vorgespanntem zweischaligem Membranspeicherdach. Das verfügbare Gasvolumen befindet sich unter dem Gurthaltesystem (3) und der Gasspeicherinnenmembran (2).
© DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH

Auswirkungen von Druck- und Temperaturschwankungen auf die verfügbare Gasspeicherkapazität. Bei einer Temperatur von 30 °C im Gasspeicher (gestrichelte Linie) lässt sich 23% mehr Biogas speichern als bei der Variante 60 °C (Volllinie). Dies verdeutlicht, wie wichtig eine vorausschauende Gasspeicherbilanzierung ist, denn häufig werden Biogasanlagen falsch betrieben bei 80 bis 90% Gasspeicherfüllstand.
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Betrieb von Biogasanlagen an Strombedarf anpassen

Im Stromnetz der Zukunft mit einem hohen Anteil an Windund Solarenergie wird es erforderlich, Angebotsschwankungen auszugleichen. Hierzu kann eine bedarfsgerechte Erzeugung von Strom aus Biogas beitragen. Forscher entwickeln neue Systeme und Software für Biogasanlagen, mit denen eine solche flexible Fahrweise möglich wird. Sie überwachen und regeln damit die Biogasproduktion und Verstromung exakt. Ziel ist, diese Prozesse optimal aufeinander abzustimmen und Speicherkapazitäten optimal auszuschöpfen. Einer der vielen Einflussfaktoren, die hier wirken, ist die Witterung: Das Gas dehnt sich aus, die Speicherkapazität sinkt an einem heißen, sonnigen Sommertag um bis zu 20 Prozent.

Im Forschungsprojekt „ManBio“ arbeiteten Forscher vom Deutschen Biomasseforschungszentrum DBFZ und vom Projektpartner Awite Bioenergie daran, Systeme technisch zu verbessern, mit denen der Füllstand des Speichers gemessen werden kann. Diese integrierten sie in das Prozessleitsystem der Biogasanlage. Im ersten Schritt sammelten sie umfangreiche Daten zum technischen Stand von Gasspeicher- und Füllstands-Messsystemen. Zusätzlich erfassten sie Prozessdaten wie Gasproduktionsrate, Gasverbrauch, Temperatur und Luftdruck. Diese Daten nutzten sie dazu, das Verhalten der Prozesskette von Gasproduktion, Gasspeicher-Kapazitäten, Speicherfüllstand und Verbrauchsrate besser vorhersagen zu können.

Auf dieser Grundlage entwickelten die Forscher ein Modell des Speichers und daraus ein Prognosemodell für den Füllstand bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen. Dieses kann aktuelle Wetterdaten und Gasspeicher-Innentemperaturen nutzen. Für die exaktere Messung des Füllstands modifizierten sie ein Seilzugverfahren und setzten parallel dazu zwei hydrostatische Druckmessverfahren ein. Diese Neuerung testeten sie an der Forschungsbiogasanlage des DBFZ und einer weiteren Biogasanlage, die der Praxispartner betreute.

Für die Forschungsarbeit zur Verbesserung des Gasmanagements in Biogasanlagen erhielt Mathias Stur, Projektleiter am DBFZ, im Jahr 2017 den Biogas-Innovationspreis der Deutschen Landwirtschaft.

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Gasverluste minimieren

Die Forscher untersuchten, wie der Speicherfüllstand exakter gemessen werden kann. Mit Hilfe der Untersuchungsergebnisse konnten sie Empfehlungen zur besseren Ausnutzung der Netto-Gasspeicherkapazität erarbeiten. Damit wurde es möglich, die Energiebereitstellung im angeschlossenen BHKW zeitlich präziser zu steuern. Eine neue, modellgestützte Prognose des Gasspeicher-Füllstands ermöglicht eine flexiblere Produktion und hilft, nachfrageorientierte Fütterungs- und Entnahmestrategien zu entwickeln.

Es ist vorgesehen, die weiterentwickelten Systeme an möglichst vielen bestehenden Biogasanlagen mit unterschiedlichen Gasspeichersystemen anzupassen und einzusetzen. Damit lassen sich Gasverluste und damit auch die betriebsbedingten Treibhausgas-Emissionen minimieren.

Wichtig für die optimale Ausnutzung des erzeugten Biogases ist: Der Speicher darf nicht zu voll werden. Wenn der Druck zu hoch wird, entsteht ein Überdruckereignis; dann löst die Über-/Unterdrucksicherung (ÜUDS) aus. und Methan wird direkt in die Atmosphäre abgegeben. Um dies zu verhindern, muss überschüssiges Gas über eine Fackel verbrannt werden, die automatisch ab einem bestimmten Füllstand des Gasspeichers zugeschaltet wird. Deshalb ist es wichtig, eine ausreichende Pufferkapazität des Speichers zu erhalten. Günstig ist es, ihn bei einem Füllstand von bis zu 50% zu betreiben; denn auch wenn das angeschlossene BHKW geplant oder ungeplant stillsteht, muss noch Restkapazität verfügbar sein.

Die Witterung hat bei integrierten, pneumatisch vorgespannten, zweischaligen Membrangasspeichern einen starken Einfluss, besonders bei einem hohen Füllstand. Im Verlauf eines sonnigen Sommertages dehnt sich das Gas stark aus; die Netto-Gasspeicherkapazität sinkt um etwa 20%, wenn die Temperatur im Innenraum des Speichers um etwa 30 K ansteigt. Die außenliegende, hellgraue Schutzmembran des Gasspeicherdaches der Forschungsbiogasanlage erreichte Oberflächentemperaturen bis etwa 68 °C, daraus resultierten die starken Temperatur- und Druckanstiege im Inneren des Speichers.

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Adressen

Projektleitung, Analyse von Gasspeichersystemen und Einflussgrößen
DBFZ

Praxiserprobung Gasmengenerfassung und Anlagensteuerung
AWITE Bioenergie GmbH

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Projektsteckbrief des Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“

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