Zweistufige Biogasanlage Beispiel¶

Das Beispiel examples/02_two_stage_plant.py zeigt eine komplette zweistufige Biogasanlage mit mechanischen Komponenten, Energieintegration und umfassender Prozessüberwachung.

Anlagenschema¶

Systemarchitektur¶

graph TB
    %% Substratzulauf
    Feed[Substratzulauf<br/>Maissilage: 15 m³/d<br/>Rindergülle: 10 m³/d]

    %% Fütterungspumpe
    Feed -->|25 m³/d| FeedPump[Fütterungspumpe<br/>Exzenterschneckenpumpe<br/>30 m³/h Kapazität]

    %% Erste Stufe - Hydrolyse
    FeedPump --> Dig1[Fermenter 1 - Hydrolyse<br/>V_liq: 1977 m³, V_gas: 304 m³<br/>T: 45°C thermophil<br/>Verbesserte Hydrolyse]

    %% Rührwerk 1
    Mixer1[Rührwerk 1<br/>Propeller, 15 kW<br/>Hohe Intensität<br/>25% Einschaltdauer] -.->|Rühren| Dig1

    %% Gasspeicher 1
    Dig1 -->|Biogas ~850 m³/d| Storage1[Gasspeicher 1<br/>Membran<br/>304 m³ Kapazität]

    %% Heizung 1
    Heating1[Heizsystem 1<br/>Soll: 45°C<br/>Wärmeverlust: 0.5 kW/K] -.->|Wärme| Dig1

    %% Transferpumpe
    Dig1 -->|Ablauf 25 m³/d| TransPump[Transferpumpe<br/>Exzenterschneckenpumpe<br/>25 m³/h Kapazität]

    %% Zweite Stufe - Methanogenese
    TransPump --> Dig2[Fermenter 2 - Methanogenese<br/>V_liq: 1000 m³, V_gas: 150 m³<br/>T: 35°C mesophil<br/>Stabile CH₄-Produktion]

    %% Rührwerk 2
    Mixer2[Rührwerk 2<br/>Propeller, 10 kW<br/>Mittlere Intensität<br/>25% Einschaltdauer] -.->|Rühren| Dig2

    %% Gasspeicher 2
    Dig2 -->|Biogas ~400 m³/d| Storage2[Gasspeicher 2<br/>Membran<br/>150 m³ Kapazität]

    %% Heizung 2
    Heating2[Heizsystem 2<br/>Soll: 35°C<br/>Wärmeverlust: 0.3 kW/K] -.->|Wärme| Dig2

    %% Kombinierter Gasfluss zum BHKW
    Storage1 -->|Gasversorgung| CHP[BHKW-Einheit<br/>500 kWe nominal<br/>ηe: 40%, ηth: 45%<br/>Gesamt: ~1250 m³/d]
    Storage2 -->|Gasversorgung| CHP

    %% BHKW-Ausgänge
    CHP -->|Elektrisch| Power[Stromausgang<br/>~480 kWe]
    CHP -->|Thermisch ~540 kW| HeatDist[Wärmeverteilung]
    CHP -->|Überschüssiges Gas| Flare[Fackel<br/>Sicherheitsverbrennung<br/>98% Zerstörung]

    %% Wärmeverteilung
    HeatDist -->|Wärmeversorgung| Heating1
    HeatDist -->|Wärmeversorgung| Heating2

    %% Finale Ausgänge
    Dig2 -->|Gärrest<br/>25 m³/d| Effluent[Gärrestaustrag]

    %% Styling
    classDef processBox fill:#e1f5fe,stroke:#01579b,stroke-width:3px
    classDef storageBox fill:#fff3e0,stroke:#e65100,stroke-width:2px
    classDef mechanicalBox fill:#f3e5f5,stroke:#4a148c,stroke-width:2px
    classDef energyBox fill:#e8f5e9,stroke:#1b5e20,stroke-width:3px
    classDef inputBox fill:#f1f8e9,stroke:#33691e,stroke-width:2px
    classDef outputBox fill:#fce4ec,stroke:#880e4f,stroke-width:2px

    class Dig1,Dig2 processBox
    class Storage1,Storage2 storageBox
    class FeedPump,TransPump,Mixer1,Mixer2 mechanicalBox
    class CHP,Heating1,Heating2,HeatDist,Flare energyBox
    class Feed inputBox
    class Power,Effluent outputBox

Übersicht¶

Die zweistufige Anlage demonstriert:
- Temperature-Phased Anaerobic Digestion (TPAD): Thermophile Hydrolyse (45°C) gefolgt von mesophiler Methanogenese (35°C)
- Mechanische Komponenten: Pumpen für den Materialtransport und Rührwerke zur Prozessunterstützung
- Energieintegration: BHKW zur Stromerzeugung und Abwärmenutzung
- Prozesssteuerung: Mehrere Heizsysteme für ein präzises Temperaturmanagement
- Gasmanagement: Dedizierter Speicher für jeden Fermenter mit automatischem Überlaufschutz und zentraler Fackel

Anlagenkonfiguration¶

Biologische Komponenten¶

Gesamte organische Raumbelastung (OLR): 25 m³/d ÷ 2977 m³ ≈ 0,0084 d⁻¹ oder 8,4 kg CSB/(m³·d)

Mechanische Komponenten¶

Gesamter Eigenverbrauch: ~20 kW (Rührwerke laufen mit 25 % Einschaltdauer)

Energiekomponenten¶

Gasmanagement-System¶

Gasfluss-Architektur:
1. Jeder Fermenter produziert Gas → Dedizierter Speicher
2. Beide Speicher liefern Gas → Einzelne BHKW-Einheit
3. BHKW-Überschuss/Überlauf → Automatische Fackelverbrennung

Code-Durchgang¶

1. Erweiterte Imports¶

from pyadm1.components.mechanical.mixer import Mixer
from pyadm1.components.mechanical.pump import Pump

Diese importieren die mechanischen Komponenten, die im Basisbeispiel nicht verwendet wurden.

2. Zweistufige Fermenter-Konfiguration¶

# Fermenter 1: Thermophile Hydrolyse
configurator.add_digester(
    digester_id="digester_1",
    V_liq=1977.0,
    V_gas=304.0,
    T_ad=318.15,  # 45°C für verbesserte Hydrolyse
    Q_substrates=[15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
)

# Fermenter 2: Mesophile Methanogenese
configurator.add_digester(
    digester_id="digester_2",
    V_liq=1000.0,
    V_gas=150.0,
    T_ad=308.15,  # 35°C optimal für Methanogene
    Q_substrates=[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],  # Empfängt nur Ablauf
)

Design-Überlegungen:
- Stufe 1 (thermophil): Höhere Temperaturen verbessern die Hydrolyse komplexer Substrate (Zellulose, Hemizellulose, Proteine).
- Stufe 2 (mesophil): Niedrigere Temperaturen sind stabiler und effizienter für die Methanogenese.
- Nur Ablauf-Fütterung für Stufe 2: Verhindert Überlastung, erhält vorhydrolysiertes Material.

Automatische Gasspeicher-Erstellung:
- add_digester() erstellt automatisch:
- digester_1_storage (304 m³ Membranspeicher)
- digester_2_storage (150 m³ Membranspeicher)
- Die Speicher werden automatisch mit ihren Fermentern verbunden.

3. Mechanische Komponenten hinzufügen¶

Fütterungspumpe¶

feed_pump = Pump(
    component_id="feed_pump",
    pump_type="progressive_cavity",  # Handhabt dicke Suspensionen
    Q_nom=30.0,  # m³/h nominal
    pressure_head=5.0,  # Niedriger Druck
)

Exzenterschneckenpumpen sind ideal für Biogassubstrate, weil sie:
- Hohe Feststoffgehalte (>12 % TS) bewältigen
- Scherkräfte minimieren (Faserstruktur bleibt erhalten)
- Selbstansaugend sind
- Einen weiten Viskositätsbereich abdecken

Transferpumpe¶

transfer_pump = Pump(
    component_id="transfer_pump",
    pump_type="progressive_cavity",
    Q_nom=25.0,  # m³/h
    pressure_head=8.0,  # Höherer Druck für Transfer zwischen Fermentern
)

Höherer Druck erforderlich für:
- Überwindung von Rohrreibungslasten
- Höhenunterschiede
- Injektion in unter Druck stehenden Fermenter

Rührwerke¶

mixer_1 = Mixer(
    component_id="mixer_1",
    mixer_type="propeller",
    tank_volume=1977.0,
    mixing_intensity="high",  # Aggressiv für Hydrolyse
    power_installed=15.0,
    intermittent=True,
    on_time_fraction=0.25,  # 6 Stunden an, 18 Stunden aus
)

Rührstrategie:
- Intermittierender Betrieb: Reduziert den Energieverbrauch um 75 %.
- Hohe Intensität in der Hydrolyse: Aufbrechen von Schwimmschichten, verbessert den Substratkontakt.
- Mittlere Intensität in der Methanogenese: Schonendes Rühren verhindert die Hemmung empfindlicher Methanogener.

Spezifischer Leistungseintrag:
- Fermenter 1: 15 kW × 0,25 ÷ 1977 m³ = 1,9 W/m³ (hoch)
- Fermenter 2: 10 kW × 0,25 ÷ 1000 m³ = 2,5 W/m³ (mittel)

4. Energieintegration mit automatischer Fackel¶

# BHKW hinzufügen (erstellt automatisch Fackel)
configurator.add_chp(
    chp_id="chp_1",
    P_el_nom=500.0,
    eta_el=0.40,
    eta_th=0.45,
    name="Haupt-BHKW",
)

# Automatische Verbindungen handhaben das Gas-Routing
configurator.auto_connect_digester_to_chp("digester_1", "chp_1")
configurator.auto_connect_digester_to_chp("digester_2", "chp_1")

# Wärmerückgewinnung für beide Fermenter
configurator.auto_connect_chp_to_heating("chp_1", "heating_1")
configurator.auto_connect_chp_to_heating("chp_1", "heating_2")

Verbindungskette:

Fermenter 1 → Speicher 1 ↘
                          → BHKW → Fackel (automatisch)
Fermenter 2 → Speicher 2 ↗      ↓
                          Wärme → Heizung 1 & 2

Automatische Fackelerstellung:
- add_chp() erstellt automatisch eine Fackelkomponente.
- Fackel-ID: {chp_id}_flare (z. B. "chp_1_flare")
- Funktion: Sicherheitsverbrennung von Überschussgas (98 % CH₄-Zerstörung)
- Automatische Verbindung: BHKW → Fackel

5. Drei-Pass-Gasfluss-Simulation¶

Die Simulation erfolgt in drei Durchgängen für ein realistisches Gasmanagement:

Pass 1 - Gasproduktion:

# Fermenter produzieren Gas → Speichertanks
Fermenter 1: Q_gas = 850 m³/d → Speicher 1
Fermenter 2: Q_gas = 400 m³/d → Speicher 2

Pass 2 - Speicher-Aktualisierung:

# Speicher empfangen Gas, aktualisieren Druck und Volumen
Speicher 1: gespeichertes_volumen += 850 * dt
Speicher 2: gespeichertes_volumen += 400 * dt
# Wenn voll: Überschuss an die Atmosphäre ablassen

Pass 3 - Gasverbrauch:

# BHKW fordert Gas von den Speichern an
BHKW-Bedarf: 1150 m³/d Biogas
Speicher 1 liefert: ~675 m³/d
Speicher 2 liefert: ~475 m³/d
# BHKW arbeitet mit tatsächlichem Angebot
# Überschuss zur Fackel: (Angebot - Verbrauch)

Dies gewährleistet:
- Realistisches Druckmanagement in Speichern
- BHKW arbeitet mit verfügbarem Gas, nicht mit idealisiertem Angebot
- Automatisches Abblasen verhindert Überdruck
- Die Fackel handhabt das gesamte Überschussgas sicher

Erwartete Ausgabe¶

Anlagenzusammenfassung¶

=== Zweistufige Anlage mit mechanischen Komponenten ===
Simulationszeit: 0.00 Tage

Komponenten (12):
  - Hydrolyse-Fermenter (digester)  
  - Hydrolyse-Fermenter Gasspeicher (storage)  
  - Methanogenese-Fermenter (digester)  
  - Methanogenese-Fermenter Gasspeicher (storage)  
  - Substratfütterungspumpe (pump)  
  - Fermenter Transferpumpe (pump)  
  - Hydrolyse-Rührwerk (mixer)  
  - Methanogenese-Rührwerk (mixer)  
  - Haupt-BHKW (chp)  
  - Haupt-BHKW Fackel (flare)  
  - Hydrolyse-Heizung (heating)  
  - Methanogenese-Heizung (heating)  

Verbindungen (10):
  - Hydrolyse-Fermenter -> Methanogenese-Fermenter (liquid)  
  - Hydrolyse-Fermenter Gasspeicher -> Haupt-BHKW (gas)  
  - Methanogenese-Fermenter Gasspeicher -> Haupt-BHKW (gas)  
  - Haupt-BHKW -> Haupt-BHKW Fackel (gas)  
  - Haupt-BHKW -> Hydrolyse-Heizung (heat)  
  - Haupt-BHKW -> Methanogenese-Heizung (heat)  

Finale Ergebnisse (Tag 10)¶

ERGEBNISANALYSE
======================================================================

Finaler Zustand (Tag 10.0):
----------------------------------------------------------------------

Hydrolyse-Fermenter:
  Biogasproduktion:        850.3 m³/d
  Methanproduktion:       493.2 m³/d
  pH:                         7.15
  VFA:                        3.82 g/L
  Temperatur:               45.0 °C
  Gasspeicher:
    - Gespeichertes Volumen:  152.1 m³ (50%)  
    - Druck:               1.00 bar  
    - Abgeblasen:                  0.0 m³  

Methanogenese-Fermenter:
  Biogasproduktion:        402.8 m³/d
  Methanproduktion:       258.7 m³/d
  pH:                         7.32
  VFA:                        1.95 g/L
  Temperatur:               35.0 °C
  Gasspeicher:
    - Gespeichertes Volumen:   75.0 m³ (50%)  
    - Druck:               1.00 bar  
    - Abgeblasen:                  0.0 m³  

Gesamtproduktion der Anlage:
  Gesamtbiogas:            1253.1 m³/d
  Gesamtmethan:            751.9 m³/d
  Methangehalt:           60.0 %

BHKW-Leistung:
  Elektrische Leistung:     480.5 kW
  Thermische Leistung:      540.6 kW
  Gasverbrauch:            1150.0 m³/d
  Gas aus Speicher 1:       675.2 m³/d
  Gas aus Speicher 2:       474.8 m³/d
  Überschuss zur Fackel:    103.1 m³/d
  Betriebsstunden:          240.0 h

Fackel-Leistung:
  Gas erhalten:             103.1 m³/d
  CH₄ zerstört:             60.6 m³/d (98% Effizienz)
  Kumulativ abgeblasen:    1031.0 m³

Hydrolyse-Rührwerk:
  Leistungsaufnahme:          3.75 kW
  Mischqualität:             0.92
  Reynolds-Zahl:         12500

Methanogenese-Rührwerk:
  Leistungsaufnahme:          2.50 kW
  Mischqualität:             0.88
  Reynolds-Zahl:          8300

Energiebilanz¶

ENERGIEBILANZ
======================================================================

Energieproduktion:
  Elektrisch (brutto):      480.5 kW
  Thermisch:                 540.6 kW

Eigenverbrauch:
  Rührwerk 1:                 3.75 kW
  Rührwerk 2:                 2.50 kW
  Pumpen (geschätzt):          2.00 kW
  Gesamter Eigenverbrauch:    8.25 kW

Netto-Elektrizitätsleistung: 472.3 kW

Wärmenutzung:
  Heizbedarf:               125.4 kW
  BHKW-Wärmeangebot:        540.6 kW
  Wärmeabdeckung:           431.0 %

Gasmanagement:
  Gesamtproduktion:        1253.1 m³/d
  BHKW-Verbrauch:          1150.0 m³/d
  Zur Fackel:               103.1 m³/d (8.2%)

Analyse:
- Netto-Wirkungsgrad: (472 kW + 125 kW) ÷ (751,9 m³/d × 10 kWh/m³ ÷ 24 h) = 190 % (exzellente Wärmerückgewinnung)
- Eigenverbrauchsquote: 8,25 ÷ 480,5 = 1,7 % (sehr niedrig)
- Überschusswärme: 540,6 - 125,4 = 415 kW für externe Nutzung verfügbar
- Fackelnutzung: 8,2 % der Produktion abgeblasen (typisch bei BHKW-Teillast)

Prozessstabilität¶

BEWERTUNG DER PROZESSSTABILITÄT
======================================================================

Fermenter 1 (Hydrolyse):
  pH-Stabilität:        PRÜFEN (7.15 - etwas niedrig)
  VFA-Level:            HOCH (3.82 g/L)
  FOS/TAC-Verhältnis:   0.418 (Beobachten)
  Speicherstatus:       NORMAL (50% voll)

Fermenter 2 (Methanogenese):
  pH-Stabilität:        GUT (7.32)
  VFA-Level:            GUT (1.95 g/L)
  FOS/TAC-Verhältnis:   0.245 (Stabil)
  Speicherstatus:       NORMAL (50% voll)

Interpretation:
- Fermenter 1: Höhere VFA-Werte werden in der thermophilen Hydrolysestufe erwartet - Säuren werden in Stufe 2 verbraucht.
- Fermenter 2: Exzellente Stabilitätsindikatoren - Methanogene verbrauchen VFAs effektiv.
- pH-Gradient: 7,15 → 7,32 zeigt ordnungsgemäße zweistufige Funktion.
- Gasspeicher: Beide auf gesundem 50 % Füllstand mit stabilem Druck.

Vorteile des zweistufigen Designs¶

1. Prozessoptimierung¶

2. Substratflexibilität¶

Das zweistufige System kommt besser mit schwierigen Substraten zurecht:
- Faserreiche Materialien: Verbesserte Hydrolyse in Stufe 1.
- Proteinreiche Substrate: Ammoniakpufferung über die Stufen hinweg.
- Variable Zulaufzusammensetzung: Stufe 2 bietet Pufferkapazität.

3. Operative Vorteile¶

• Reduzierte Schaumbildung: Separate Hydrolysephase.
• Bessere Hygienisierung: Thermophile Stufe (45°C) tötet Pathogene ab.
• Einfachere Prozesssteuerung: Überwachung und Steuerung jeder Stufe unabhängig voneinander.
• Erholung von Störungen: Stufe 2 kann Störungen in Stufe 1 abpuffern.

Leistungsvergleich¶

Einstufig vs. Zweistufig¶

Kosten-Nutzen:
- Zusatzinvestition: ~15-20 % (zweiter Fermenter, Pumpen)
- Energiegewinn: ~9 % mehr Biogas
- Stabilität: Signifikant reduziertes Risiko von Prozessversagen
- ROI: Typischerweise 3-5 Jahre bei schwierigen Substraten

Leistung mechanischer Komponenten¶

Pumpenbetrieb¶

Fütterungspumpe:
- Betriebspunkt: 25 m³/d ÷ 24 = 1,04 m³/h (3,5 % der Nennkapazität)
- Effizienz bei niedrigem Durchfluss: Exzenterschneckenpumpen behalten ca. 60 % Wirkungsgrad auch bei 3 % Kapazität bei.
- Jährliche Energie: 5 kW × 8760 h = 43.800 kWh

Transferpumpe:
- Betriebspunkt: 25 m³/d ÷ 24 = 1,04 m³/h
- Tatsächliche Leistung: 8 kW × (1,04/25) × 1,2 (Abschlag für niedrige Effizienz) ≈ 0,4 kW
- Jährliche Energie: 0,4 kW × 8760 h = 3.504 kWh

Rührwerksleistung¶

Hydrolyse-Rührwerk:
- Mischzeit: ~15 Minuten (aus Reynolds-Zahl und Geometrie)
- Umfangsgeschwindigkeit: ~4,5 m/s (turbulenter Bereich)
- Scherrate: ~50 s⁻¹ (hohe Intensität)
- Leistungsbeiwert: 0,32 (typisch für Propeller bei Re > 10.000)

Methanogenese-Rührwerk:
- Mischzeit: ~20 Minuten
- Umfangsgeschwindigkeit: ~3,8 m/s
- Scherrate: ~35 s⁻¹ (mittlere Intensität)
- Verhindert Entmischung, ohne empfindliche Methanogene zu schädigen.

Gasspeicher- und Fackelmanagement¶

Speicherdynamik¶

Speicher 1 (Hydrolyse):
- Erhält ~850 m³/d (höhere Produktion durch verbesserte Hydrolyse).
- Liefert ~675 m³/d an BHKW (proportional zum Gesamtbedarf).
- Netto-Akkumulation: +175 m³/d.
- Erreicht 50 % Kapazität in ~0,9 Tagen.

Speicher 2 (Methanogenese):
- Erhält ~400 m³/d (niedriger, aber stabiler).
- Liefert ~475 m³/d an BHKW.
- Netto-Abzug: -75 m³/d (ergänzt Speicher 1).
- Bietet Puffer für Produktionsschwankungen.

Fackelbetrieb¶

Wann wird die Fackel aktiviert?:
1. Speicherüberlauf: Wenn einer der Speicher 100 % Kapazität erreicht.
2. BHKW-Teillast: Wenn das BHKW unter Volllast arbeitet.
3. Wartung: Wenn das BHKW offline ist, die Fermenter aber weiterlaufen.
4. Anfahren/Abfahren: Während transienter Betriebszustände.

Fackelleistung:
- Zerstörungsgrad: 98 % CH₄-Konvertierung zu CO₂.
- Temperatur: ~1000°C Verbrennungstemperatur.
- Emissionen: 2 % unverbranntes CH₄ + CO₂ aus der Verbrennung.
- Sicherheit: Automatische Zündung, Flammenüberwachung.

Prozesssteuerungsstrategien¶

Temperatursteuerung¶

# Heizung 1 hält 45°C für Hydrolyse
heating_1.target_temperature = 318.15  # K
heating_1.heat_loss_coefficient = 0.5  # Höher aufgrund von ΔT

# Heizung 2 hält 35°C für Methanogenese
heating_2.target_temperature = 308.15  # K
heating_2.heat_loss_coefficient = 0.3  # Niedrigeres ΔT

Berechnung des Wärmebedarfs:
- Fermenter 1: Q = 0,5 kW/K × (45 - 15)°C = 15 kW Basisverlust + 80 kW Prozessheizung = 95 kW
- Fermenter 2: Q = 0,3 kW/K × (35 - 15)°C = 6 kW Basisverlust + 24 kW Prozessheizung = 30 kW
- Gesamt: 125 kW (gut abgedeckt durch 541 kW BHKW-Wärmeleistung)

Rührwerkssteuerung¶

Strategie: Intermittierendes Rühren mit adaptiver Zeitsteuerung

# Hohe Durchmischung bei Fütterung (4× täglich)
if feeding_event:
    mixer.on_time_fraction = 0.5  # 50% Einschaltdauer
else:
    mixer.on_time_fraction = 0.15  # 15% Basislinie

Fütterungssteuerung¶

Model Predictive Control (MPC) Ansatz:
1. Messen der aktuellen VFA und des pH-Werts.
2. Vorhersagen der 48h-Reaktion mit verschiedenen Fütterungsraten.
3. Auswählen der Fütterungsrate, die CH₄ optimiert, während pH > 7,0 bleibt.

Häufige Probleme und Lösungen¶

Problem 1: Hohe VFA in Fermenter 1¶

Symptome:
- VFA > 5 g/L
- pH < 7,0
- Reduzierte Gasproduktion

Lösungen:

# Organische Belastung reduzieren
Q_substrates = [12, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]  # Reduzieren von [15, 10, ...]

# Temperatur in Stufe 1 erhöhen (Vorsicht - max. 55°C)
T_ad_1 = 323.15  # 50°C

# Rühren verstärken, um Akkumulation zu verhindern
mixer_1.on_time_fraction = 0.35

Problem 2: Niedriger Methangehalt¶

Symptome:
- CH₄ < 55 %
- CO₂ erhöht
- Niedrige spezifische Gasproduktion

Lösungen:

# HRT erhöhen (Fütterung reduzieren)
Q_substrates = [12, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

# Temperatur in Stufe 2 optimieren
T_ad_2 = 311.15  # 38°C (optimal für viele Methanogene)

# Auf Lufteintritt prüfen (O₂ hemmt Methanogene)

Problem 3: Schaumbildung in Fermenter 1¶

Symptome:
- Gasspeicher zeigt Druckschwankungen
- Ablauf enthält übermäßige Gasblasen

Lösungen:

# Rührintensität reduzieren
mixer_1.mixing_intensity = "medium"

# Antischaummittel hinzufügen (Substrat-Index 8)
Q_substrates = [15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.05, 0]  # 50 L/d Antischaum

# Transferrate zu Stufe 2 erhöhen
# (implementieren eines Timer-basierten periodischen Abzugs)

Problem 4: Übermäßige Fackelnutzung¶

Symptome:
- Fackel läuft kontinuierlich
- >20 % der Produktion zur Fackel
- Hoher Speicherdruck

Ursachen:
- BHKW zu klein für Gasproduktion
- BHKW im Teillastbetrieb
- Übermäßiger Substratzulauf

Lösungen:

# Option 1: Substratzulauf reduzieren
Q_substrates = [12, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

# Option 2: BHKW-Kapazität erhöhen
configurator.add_chp("chp1", P_el_nom=600, ...)  # Erhöhen von 500

# Option 3: Zweite BHKW-Einheit hinzufügen
configurator.add_chp("chp2", P_el_nom=200, ...)
configurator.auto_connect_digester_to_chp("digester_1", "chp2")

# Option 4: Gasspeicherkapazität erhöhen
# (V_gas beim Hinzufügen von Fermentern anpassen)

Fortgeschrittene Anwendungen¶

1. Parameter-Sweep zur Optimierung¶

from pyadm1.simulation import ParallelSimulator

# Verschiedene Temperaturen für Stufe 1 testen
parallel = ParallelSimulator(adm1, n_workers=4)
scenarios = [
    {"T_ad_1": 313.15, "Q": [15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]},  # 40°C
    {"T_ad_1": 318.15, "Q": [15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]},  # 45°C
    {"T_ad_1": 323.15, "Q": [15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]},  # 50°C
]
results = parallel.run_scenarios(scenarios, duration=30)

2. Online-Kalibrierung¶

from pyadm1.calibration import Calibrator

# Hydrolyseparameter der Stufe 1 kalibrieren
calibrator = Calibrator(plant.components["digester_1"])
params = calibrator.calibrate_initial(
    measurements=measurement_data,
    parameters=["k_hyd_ch", "k_hyd_pr", "k_hyd_li"],
)

3. Modellgestützte prädiktive Regelung (MPC)¶

# Optimale Fütterung für die nächsten 48 Stunden vorhersagen
Q_best, Q_ch4_pred = simulator.determine_best_feed_by_n_sims(
    state_zero=current_state,
    Q=current_feed,
    Qch4sp=800,  # Sollwert: 800 m³/d CH4
    feeding_freq=48,
    n=20  # Test von 20 Szenarien
)

Referenzen¶

• TPAD Design: Simeonov, I., Chorukova, E., & Kabaivanova, L. (2025). Two-stage anaerobic digestion for green energy production: A review. Processes, 13(2), 294.
• Prozesssteuerung: Gaida (2014). Dynamic real-time substrate feed optimization of anaerobic co-digestion plants. PhD thesis, Leiden University.

Ähnliche Beispiele¶

• basic_digester.md: Einfaches einstufiges System
• calibration_workflow.md: Parameterschätzung aus Messdaten
• substrate_optimization.py: Optimale Fütterungsstrategie
• parallel_two_stage_simulation.py: Parallele Simulationen