Rührwerke in Biogasanlagen: FH Münster forscht nach Optimierungspotenzialen

619
Nachgebauter Fermenter einer Biogasanlage im Laserlicht (Foto: FH Münster/Pressestelle)

Münster/Steinfurt — Es gibt rund 9.000 Biogasanlagen mit Biomassebehältern inklusive Rührwerken in Deutschland. Ihre Betreiber füllen sie mit Materialien von Zuckerrüben bis Schweinemist, installieren ein oder mehrere Rührwerke und hoffen auf möglichst viel Methangas. Doch „ein Fermenter ist wie eine Blackbox – niemand weiß so richtig, was da drin genau passiert,“ sagt Sven Annas. Am Fachbereich Maschinenbau der FH Münster untersucht er das Stromfeld von Fermentern, um ihre Wirkungsweise zu optimieren.

Im Labor für Strömungstechnik untersuchen Sven Annas und sein Projektteam das Stromfeld und wie schnell sich beispielsweise eine Salzlösung im Fermenter durchmischt. Um allgemeingültige Aussagen treffen zu können und störende Einflussfaktoren zu minimieren, verwendet das Team für die Untersuchung Modellfluide und keine Originalsubstrate. „Denn gerade in der Art und Weise des Rührens und der Position des Rührwerks schlummern Potenziale“, weiß der wissenschaftliche Mitarbeiter Sven Annas.

Möglichst effektiv rühren

„Der Gärungsprozess ist bei allen Anlagen gleich: In einem anaeroben Faulprozess werden Kohlenstoffverbindungen aufgespalten und es entsteht Methangas, aus dem Strom erzeugt werden kann.“ Biogasanlagen in Deutschland sind bis zu 30 Meter breit und 10 Meter hoch mit Masse gefüllt – viel Volumen, das gleichmäßig verfaulen soll. Außerdem wird ständig nachgefüllt. „Rührwerke sollen die Materialien des Fermenters durchmischen, um für eine optimale homogene Verteilung von Futter, Wärme und Bakterien zu sorgen, und erleichtern zusätzlich das Aufsteigen der Gasblasen“, erklärt Annas. „Wir beschäftigen uns hier sozusagen mit der Frage, wie wir möglichst effektiv rühren können.“

Gerade steht eine kleine Biogasanlage im Modellmaßstab 1:40 im Fokus seiner Forschungen. Mithilfe eins Lasers untersucht er in dem Fermenter aus Plexiglas Geschwindigkeitsfelder. „Da das Rührwerk an einer Position im Fermenter fest installiert ist, verrührt es die Masse unterschiedlich stark. Meist wird nur in direkter Rührernähe eine gute Durchmischung erzielt.“ Das kann man sich ähnlich wie beim Kneten mit einer Küchenmaschine vorstellen: Wo sich die Stäbe befinden, wird der Teig schnell vermischt – wo sie gerade nicht sind, sieht das anders aus.

Modellflüssigkeiten eingesetzt

„Zunächst ermitteln wir die Strömungsgeschwindigkeiten im Modell und stimmen diese dann mit Simulationen ab“, erklärt Annas. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment sei es möglich abzuschätzen, wie lange eine komplette Durchmischung dauern wird und welchen Einfluss verschiedene Positionen des Rührwerks haben. Wie beim Teig auch spielt dabei die Konsistenz der Biomasse eine große Rolle. „Deshalb benutzen wir Modellflüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften der Proben, die die Anlagenbetreiber hier abgeben. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit kommen transparente Flüssigkeiten zum Einsatz, die eine ähnliche Konsistenz wie Kleister haben.“

Aus den Bildern der Laserlicht-Schnittanlage lassen sich konkrete Geschwindigkeiten errechnen und Rückschlüsse auf das Durchmischungsverhalten ziehen. Hierbei werden mittels Laserlicht kleinste Partikel sichtbar gemacht und können so verfolgt werden. Aus der Betrachtung vieler Partikel lässt sich dann auf das Stromfeld schließen. Dabei ist es wichtig, dass die Partikel sehr klein sind, damit sie der Strömung folgen können.

In einem nächsten Projektschritt möchte Annas Optimierungen vornehmen und Theorie und Praxis in Übereinstimmung bringen. „Denn wir können nicht pauschal davon ausgehen, dass ein gutes Stromfeld gleichzeitig eine gute Durchmischung bedeutet. Manchmal schiebt das Rührwerk Massebrocken auch einfach nur vor sich her.“ Außerdem hat das Projekt neben der Simulation noch zwei weitere Säulen im Bereich der Sensorik und der Rheometrie, mit der Fluide wie Biomassen charakterisiert werden.

Quelle: FH Münster