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PyADM1ODE Dokumentation

Willkommen bei PyADM1ODE - Einem Python-Framework zur Modellierung, Simulation und Optimierung von landwirtschaftlichen Biogasanlagen basierend auf dem Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1).

Was ist PyADM1ODE?

PyADM1ODE ist ein umfassendes Python-Framework für die Modellierung landwirtschaftlicher Biogasanlagen, das Folgendes kombiniert:

  • Wissenschaftliche Genauigkeit: Basierend auf dem ADM1-Modell der IWA, dem internationalen Standard für die anaerobe Vergärung.
  • Modulare Architektur: Kombinieren Sie Komponenten (Fermenter, BHKW, Pumpen, Rührwerke), um jede beliebige Anlagenkonfiguration zu erstellen.
  • Praxisnähe: Validiert mit Daten von in Betrieb befindlichen Biogasanlagen.
  • Python-Ökosystem: Integriert mit NumPy, SciPy, Pandas und Visualisierungsbibliotheken.

Hauptmerkmale

✨ Umfassende Komponentenbibliothek

  • Biologisch: Ein-/mehrstufige Fermenter, Hydrolysetanks, Separatoren
  • Energie: BHKW-Einheiten, Heizsysteme, Gasspeicher, Fackeln
  • Mechanisch: Pumpen, Rührwerke mit realistischem Stromverbrauch
  • Fütterung: Substratlagerung, automatisierte Dosiersysteme

🔧 Flexible Anlagenkonfiguration

  • Erstellen Sie komplexe Anlagen programmatisch oder über Vorlagen
  • Automatische Komponentenverbindung und Validierung
  • Speichern/Laden von Konfigurationen als JSON

📊 Fortgeschrittene Simulation

  • Parallele Ausführung für Parameterstudien und Monte-Carlo-Analysen
  • Adaptive ODE-Solver, optimiert für steife Biogassysteme
  • Zeitreihen-Datenverarbeitung und Ergebnisanalyse

🎓 Bildung & Professionell

  • Geeignet für die Lehre im Bereich Biogasanlagendesign
  • Forschungswerkzeug zur Prozessoptimierung
  • Engineering-Anwendungen für die Anlagenplanung

Systemarchitektur

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     PyADM1ODE Framework                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐         │
│  │ Biologische  │  │   Energie-   │  │ Mechanische  │         │
│  │ Komponenten  │  │ Komponenten  │  │ Komponenten  │         │
│  ├──────────────┤  ├──────────────┤  ├──────────────┤         │
│  │ • Fermenter  │  │ • BHKW       │  │ • Pumpen     │         │
│  │ • Hydrolyse  │  │ • Heizung    │  │ • Rührwerke  │         │
│  │ • Separatoren│  │ • Speicher   │  │              │         │
│  │              │  │ • Fackeln    │  │              │         │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └──────────────┘         │
│                                                                  │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐         │
│  │   Fütterung  │  │   Sensoren   │  │ Konfigurator │         │
│  │ Komponenten  │  │  (geplant)   │  │              │         │
│  ├──────────────┤  ├──────────────┤  ├──────────────┤         │
│  │ • Lagerung   │  │ • pH         │  │ • Builder    │         │
│  │ • Dosierer   │  │ • VFA        │  │ • Vorlagen   │         │
│  │              │  │ • Gas        │  │ • Validator  │         │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └──────────────┘         │
│                                                                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                       Kern-ADM1-Engine                           │
│  • 37 Zustandsvariablen • pH-Dynamik • Gas-Flüssig-Transfer     │
│  • Temperaturabhängige Kinetik • Inhibitionsmodellierung        │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Substratmanagement                            │
│  • 10 vorkonfigurierte landwirtschaftliche Substrate            │
│  • Automatische ADM1-Input-Strom-Generierung                    │
│  • Zeitlich variierende Fütterungspläne                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Kurzes Beispiel

Erstellen und simulieren Sie eine komplette Biogasanlage in nur wenigen Zeilen:

from pyadm1.configurator import BiogasPlant, PlantConfigurator
from pyadm1.substrates import Feedstock

# Anlage erstellen
feedstock = Feedstock(feeding_freq=48)
plant = BiogasPlant("Meine Biogasanlage")
configurator = PlantConfigurator(plant, feedstock)

# Fermenter hinzufügen (erstellt automatisch Gasspeicher)
configurator.add_digester(
    digester_id="main_digester",
    V_liq=2000.0,              # 2000 m³ Flüssigvolumen
    V_gas=300.0,               # 300 m³ Gasraum
    T_ad=308.15,               # 35°C mesophil
    Q_substrates=[15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]  # Maissilage + Gülle
)

# BHKW und Heizung hinzufügen (erstellt automatisch Fackel)
configurator.add_chp("chp_main", P_el_nom=500.0)
configurator.add_heating("heating_main", target_temperature=308.15)

# Komponenten verbinden
configurator.auto_connect_digester_to_chp("main_digester", "chp_main")
configurator.auto_connect_chp_to_heating("chp_main", "heating_main")

# Simulieren
plant.initialize()
results = plant.simulate(duration=30, dt=1/24, save_interval=1.0)

# Analysieren
final = results[-1]["components"]["main_digester"]
print(f"Biogas: {final['Q_gas']:.1f} m³/d")
print(f"Methan: {final['Q_ch4']:.1f} m³/d")
print(f"pH: {final['pH']:.2f}")

Ausgabe: 

Biogas: 1245.3 m³/d
Methan: 748.2 m³/d
pH: 7.28

Typische Anwendungen

1. Anlagendesign und Optimierung

2. Substratoptimierung

3. Energiebilanzanalyse

4. Zweistufiges Prozessdesign

(Details siehe englische Version oder Unterseiten)