Steuerungssoftware Biogasanlagen

Steuerungssoftware Biogasanlagen

„Die Energiewende ist beschlossene Sache. Spätestens im Jahr 2050 soll es vorbei sein mit dem Strom aus Kern- und Kohlekraft.
Sonne und Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme sollen dann mindestens 80 Prozent des Stroms liefern.“
- BR Fernsehen (Film-Reihe von Susanne Delonge)

Regenerative Energien oder auch erneuerbare Energien sind Energiequellen, die dem Menschen unendlich zur Nutzung bereit stehen und sich schnell regenerieren. Darunter zählen die Wind-, Solar- und Bioenergie.
Für unser Projekt im sechsten Semester haben wir uns mit letzterem auseinandergesetzt.


Aber wie wird eine Biogasanlage gesteuert?


Biogasanlagen sind komplexe Installationen. Durch Hardwarekomponenten wird Biomasse eingebracht und weiter verarbeitet. Währendessen findet ein Gärvorgang statt, durch den später Strom und Wärme erzeugt wird. Dabei ist die Überwachung und Kontrolle durch eine Software unerlässlich. Je nach Größe der Anlage nimmt die Menge der Informationen und die Störungsanfälligkeit zu. Um die bisherigen Softwarelösungen zugänglicher für Nutzer zu gestalten, die sich nicht hauptberuflich damit beschäftigen, entstand ein Redesign. Dieses fordert eine verständliche, übersichtliche und klare Benutzeroberfläche. Sie muss Feedback geben, damit Vorgänge eindeutig verstanden und Funktionen schnell umgesetzt werden können.

Dazu muss zunächst geklärt werden, wie der Ablauf in einer solchen Anlage vonstattengeht.
Biogasanlagen besitzen verschiedene Behälter. Die Masse (z.B. Gülle oder Ganzpflanzensilage) wird beheizt und durch spezielle Bakterien unter Sauerstoffausschluss abgebaut. Dabei produzieren die Bakterien gut zwei Drittel Methan und zusätzlich Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff.
Je höher der Methananteil, desto energiereicher ist das Biogas. Im Weiteren kann es zu Strom, Wärme, Gas und Kraftstoff umgewandelt werden. Oft werden Teile für den Eigenbedarf (Landwirtschaftlicher Betrieb, Wohnhaus, Anlage) verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Gemeinde mit Nahwärme oder/und Strom versorgt werden. Biogas kann mit oder ohne Aufbereitung weiter verkauft werden.






Komponenten einer BGA

1. Vorgrube
In der Annahmegrube wird die Masse gesammelt und homogenisiert. Das Substrat wird anschließend in den Fermenter gepumpt.


2. EBT
Je nach Größe der Anlage werden verschiedene Einbringtechniken installiert. Über eine Förderschnecke gelangt das Substrat luftdicht in den Fermenter. Ab einer bestimmten Größe kann das Füttern zusätzliche mit einem Verwiegsystem an die SPS Steuerung angeschlossen werden.


3. Pumpen / Installationsgang
Dieser Gang verbindet alle Behälter einer Anlage untereinander und bietet Pumpvorgänge per unterirdischer Verrohrung. Gesteuert wird alles per Software.


4. Fermenter
Der Fermenter ist das Herzstück einer Biogasanlage. Dies sind Gärbehälter, die optimale Bedingungen für das Wachstum von Organismen bieten. Das Substrat wird ständig durchmischt und von Mikroorganismen zersetzt.


4.1 Fermenterheizung
Innerhalb des Gärbehälters befinden sich im Schnitt um die 24 unabhängige Heizkreisläufe. Der Vorteil hier, jeder Kreislauf kann separat abgetrennt werden.


4.2. Rührwerke (Paddelrührwerk)
Wird die Masse nicht gerührt, setzt sie sich ab in eine Schwimm-, Mittel- und Sinkschicht.
Je weniger Rührung in der Mittelschicht stattfindet, desto größer ist die Gasproduktion. Langsame Paddelrührwerke, arbeiten mit ca. 18 Umdrehungen pro Minute.


5. Nachgärer
Die zweite große Station in einer BGA. Nach dem ersten Gärprozess im Fermenter wird das Gärsubstrat in den Nachgärer gepumt. Diese besitzen den gleichen Aufbau wie die Fermenter. Demnach wird die Masse weiter erwärmt und zersetzt. Der Nachgärer dient vor allem der Einhaltung der gesetzlichen Vorgabe der Mindestverweildauer von 150 Tagen in gasdichtem Raum. (Nicht bei Gewinnung aus 100% Biogas aus Gülle und Mist)


6. Endlager
Das Endlager, das gasdicht verschlossen werden kann, dient zur Nachgärung und Erfassung von noch entstehendem Biogas sowie zur Lagerung der Reststoffe bis zur Ausbringung als Dünger.
Das Endlager wird nicht mehr beheizt.


7. BHKW
Im Blockheizkraftwerk wird das entschwefelte Biogas verwertet. Die im Biogas enthaltene Energie wird zu ca. 40 % in elektrische Energie und zu ca. 40 % in thermische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird ins öffentliche Energienetz eingepeist und die Wärme kann innerhalb des Betriebes oder in der Umgebung (beispielsweise für Schwimmbäder oder Gärtnereien) eingesetzt werden.
Bei größeren BGA sind die BHKWs in einem externen schallisolierten Gebäude verbaut.






Funktionsumfang

In der Software werden zum Beispiel Zeitintervalle für Rührwerke und Pumpen festgelegt. Wenn die BGA Störungen meldet, müssen diese behoben werden. Zudem ist eine ständige Überwachung der Leistungen und des Verbrauchs unerlässlich. Ebenso werden diese dokumentiert und Sicherheitswerte definiert.

Prozess

Unser Fokus lag auf einer Software, welche von einer BGA in der Umgebung aktuell verwendet wird. Nach einer sorgfältigen Analyse, begannen wir damit die bestehende Infoarchitektur so zu ordnen, dass auch für neue Nutzer direkt ersichtlich wird, welche Funktionen und Anzeigen genutzt werden können. Anschließend folgten erste Wireframes. Gegen Ende führten wir schließlich ein User Testing durch. Die wertvollen Wünsche und Anregungen, welche sich durch das Testing ergaben, wandten wir anschließend in unserer finalen Gestaltung an.