Projekt 08734/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung (4): Ermittlung von Synergieeffekten bei der Kombination von Kompostierungs- und Vergärungsverfahren zur Verwertung von Bioabfällen unter Berücksichtigung der lokalen Infrastruktur

Projektdurchführung

Universität Siegen Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät Department Maschinenbau, Energietechnik Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Paul-Bonatz-Str. 9 - 11
57068 Siegen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei einer kombinierten Kompostierungs- und Vergärungsanlage sind eine große Anzahl von Komponenten der mechanischen, biologischen und thermischen Verfahrenstechnik miteinander verknüpft. Wegen der hohen Komplexität sind empirische Methoden für die theoretische Untersuchung eines gesamten Anlagenstandortes ungeeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung umweltrelevanter Fragestellungen wird deshalb erschwert. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Quantifizierung umwelt- und kostenrelevanter Synergieeffekte für unterschiedliche Systemkonfigurationen in Abhängigkeit von veränderlichen Randbedingungen. Die Zusammenhänge werden mit Hilfe der Methode der mathematischen Modellbildung und Simulation beschrieben. Es wird beispielhaft ein kombiniertes Kompostierungs- und Vergärungsverfahren betrachtet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik erstellt in der ersten Phase des Projekts mathematische Teilmodelle der Komponenten einer kombinierten Kompostierungs- und Vergärungsanlage in ihren Hauptfunktionen. Dabei kommen Algorithmen zur Anwendung, die zunächst die ITU GmbH und im späteren Projektverlauf das Fachgebiet für Abfallwirtschaft der Universität Essen zur Verfügung stellt und nach Umsetzung der Teilmodelle in Simulationsprogramme am Rechner auf Plausibilität prüft. In der zweiten Projektphase werden die Teilmodelle verfeinert, erweitert und zu einem Gesamtmodell zusammengeführt. Die Modelle werden anhand von Messdaten ausgeführter Anlagen validiert. Massen- und Energiebilanzen sowie Kosten beispielhafter Anlagen werden dynamisch am Rechner simuliert. Dabei wird unter anderem die Substitution fossiler Energieträger durch Verwendung des entstehenden Biogases bei Beachtung wirtschaftlicher Restriktionen untersucht. Der technisch-wissenschaftliche Fortschritt des Vorhabens besteht in der erarbeiteten, auf andere Verfahren übertragbaren Methodik sowie den erzielten Aussagen über die beispielhaft betrachtete Anlagenkombination.


Ergebnisse und Diskussion

Anhand der Simulationsergebnisse für mehrere beispielhafte Anlagenverbunde wird gezeigt, dass die Synergieeffekte durch die Kombination von Kompostierung und Vergärung und die umweltrelevanten Wirkungen des Anlagenverbunds in starkem Maße von den Betriebs- und Auslegungsparametern einer Anlage abhängen. Grundsätzlich zeigt sich, dass eine differenzierte Betrachtung jeder einzelnen Anlage unter ihren speziellen Randbedingungen erforderlich ist und Verallgemeinerungen nicht zulässig sind. Ein rechnergestütztes dynamisches Simulationsmodell hat sich als nützliches Werkzeug zur Beantwortung umweltrelevanter Fragestellungen bewährt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Projekts wurden im Rahmen einer von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt unterstützen Vortragsveranstaltung vorgestellt und in den Tagungsunterlagen veröffentlicht (Mertens et al. (2001)).
Der Ergebnisteil dieses Berichts ist zugleich als Dissertation erschienen (Mertens (2001)).


Fazit

Das Projekt beschäftigt sich mit der erstmaligen Anwendung der Methode der mathematischen Modellbildung und Simulation auf einen Anlagenverbund einer kombinierten Kompostierungs- und Vergärungsanlage zur Behandlung getrennt gesammelter Bioabfälle. Die Anwendung der Methode wurde damit für das hinsichtlich der Modellbildung bisher als Neuland zu bezeichnende Gebiet der biologischen Abfallbehandlung erstmals anhand eines praktischen Fallbeispiels umfassend demonstriert und dokumentiert.
Es wurde erstmals am Beispiel einer komplexen biologischen Abfallbehandlungsanlage gezeigt, wie die Prozesse bei der aeroben und anaeroben Bioabfallbehandlung nach dem Stand der Forschung mathematisch beschrieben werden können, welcher Detaillierungsgrad sinnvoll ist und welche Ergebnisse mit einem solchen Simulationsmodell erzielt werden können.
Dabei war es auch ein Ziel zu zeigen, welche Schwierigkeiten dabei überwunden werden müssen und wie hoch der zeitliche und kostenmäßige Aufwand zu Lösung der Aufgabe ist. Als besondere Schwierigkeit erwies sich die Bereitstellung von Messdaten großtechnischer Anlagen zum Zweck der Modellvalidierung. Es hat sich gezeigt, dass die an biologischen Abfallbehandlungsanlagen erfassten Messgrößen qualitativ und quantitativ häufig nicht zur Erstellung von Stoff- und Energiebilanzen ausreichen und für die Modellvalidierung nur in Ausnahmefällen geeignet sind. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass eine messtechnische Bilanzierung erst nach entsprechender Erweiterung des Messaufbaus und im Rahmen einer wissenschaftlichen Begleitung möglich ist.
Es wurde ein rechnergestütztes Simulationsmodell erstellt, mit dem die geplanten theoretischen Systembetrachtungen durchgeführt werden konnten.
Die bei der Projektbearbeitung gesammelten und in diesem Bericht dokumentierten Ergebnisse und Erfahrungen können bei der Übertragung der grundsätzliche bewährten Vorgehensweise auf andere Verfahren zur biologischen Abfallbehandlung hilfreich sein.