Validierung¶
PyADM1ODE wurde gegen den Referenzsimulator SIMBA# biogas 4.2 (ifak Magdeburg) sowie gegen Messdaten realer landwirtschaftlicher Biogasanlagen validiert. Diese Seite fasst die Validierungsstrategie und die wichtigsten Ergebnisse zusammen.
Referenzsimulator¶
SIMBA# biogas 4.2 ist die de-facto Industriereferenz für die landwirtschaftliche ADM1-Erweiterung ADM1da. Die Validierungsläufe nutzen SIMBA#'s ADM1da-Implementierung (die kinetische Säure-Base-Variante, nicht ADM1daph) mit identischer Reaktor geometrie, Temperatur, \(k_L a\)-Wert, Substratzusammensetzung und Anfangszustand. SIMBA#-CSV-Exporte liefern die Referenz-Zustandstrajektorien.
Validierungsszenarien¶
30-tägiger Einzelsubstrat-Lauf (Schweinegülle)¶
20 m³/d Schweinegülle, \(V_{liq} = 1050\,\text{m}^3\), \(V_{gas} = 150\,\text{m}^3\), \(T = 42\,°\text{C}\). Dient der Verifikation der Prozesskinetik und der Logik zur Übernahme des Anfangszustands.
150-tägiger Co-Vergärungs-Lauf (Maissilage + Schweinegülle)¶
11,4 m³/d Maissilage + 6,1 m³/d Schweinegülle, gleiche Reaktorgeometrie.
Validiert die Multi-Substrat-Mischlogik und die volumetrische Korrektur
simba_q_convention.
600-tägiger Co-Vergärungs-Lauf mit Substratwechsel (Maissilage + Rindergülle)¶
Das umfassendste Szenario:
- Phase 1 (0–300 d): 11,4 m³/d Maissilage + 6,1 m³/d Rindergülle.
- Phase 2 (300–600 d): 10,0 m³/d Maissilage + 8,0 m³/d Rindergülle.
Die dynamische Schlammvolumenbilanz ist aktiviert (dynamic_volume=True,
outflow_time_constant=0.05 d), sodass \(V_{liq}\) dem nahezu instantanen
Überlaufwehr von SIMBA# folgt und auf ~1 m³ am Sollwert bleibt.
Wichtigste Ergebnisse¶
Am Ende jeder Phase (Snapshots bei \(t = 300\,\text{d}\) und \(t = 600\,\text{d}\)):
| Größe | Toleranz | Status |
|---|---|---|
| \(Q_{gas},\,Q_{CH_4},\,Q_{CO_2}\) | 1–3 % | ✓ erfüllt |
| \(pH\) | innerhalb 0,01 Einheiten | ✓ erfüllt |
| \(HRT\) | innerhalb 0,2 % (über dyn. Schlammvolumenbilanz) | ✓ erfüllt |
| \(OLR\) | innerhalb 3 % | ✓ erfüllt |
| Alle sieben Biomasse-Populationen \(X_*\) | 1–4 % | ✓ erfüllt |
| Partikuläre Substrat-Pools (\(X_{PS}, X_{PF}, X_S\)) | 1–4 % | ✓ erfüllt |
| Gelöste Substrate \(S_{su},\,S_{aa},\,S_{fa}\) | innerhalb 1 % | ✓ erfüllt |
| VFA-Spezies \(S_{va},\,S_{bu},\,S_{pro}\) (und Ionen) | innerhalb 1 % | ✓ erfüllt |
| Substratwechsel-Transient bei \(t = 300\,\text{d}\) | gleiche charakteristische Zeitkonstante | ✓ erfüllt |
Zwei verbleibende Abweichungen am Validierungs-Betriebspunkt:
- \(S_{ac}\) (und damit die aggregierte VFA) liegt +19–21 % höher als
SIMBA#. Dies ist ein Sättigungs-Verstärkungs-Artefakt: bei \(S_{ac} \gg K_{S,ac} = 0{,}15\) sind die acetoklastischen Monod-Kinetiken gesättigt, und die Acetatkonzentration wird über den langsamen Verdünnungskanal eingestellt und nicht über eine Monod-Rückkopplung. Eine kleine eingangsseitige Diskrepanz (~1,1 % im effektiven \(Q\), zurückgeführt auf eine Dichte- Konvention für Maissilage) wird um den Faktor ~20 in den beobachteten S_ac-Offset verstärkt. Bei nicht-gesättigtem Betrieb verschwindet der Verstärkungseffekt. - TAC ist −6 %, ebenfalls auf den Biomasseüberschuss zurückzuführen:
2–3 % mehr Biomasse binden ~0,013 kmol C/m³ anorganischen Kohlenstoff in den Biomasse-Partikeln, was den gelösten \(S_{HCO_3^-}\)-Pool reduziert, der die TAC-Formel dominiert.
Beide Offsets sind über den Substratwechsel bei \(t = 300\,\text{d}\) stabil und sind damit stationäre Charakteristika und keine divergierenden Integrationsfehler.
Fazit¶
PyADM1ODE ist als Drop-in-Ersatz für SIMBA# biogas 4.2 in Gasertrag-Prognosen, OLR- und HRT-Analysen sowie pH-basierter Überwachung validiert. Die zwei verbleibenden Residuen auf dem Acetat-Pool und auf der TAC sind dokumentiert und auf die bekannte Dichte-Konventionsdifferenz zwischen den beiden Simulatoren zurückführbar.
Ein vollständiger Bericht des 600-tägigen Rindergülle-Vergleichs inkl. aller
thematischen Zeitreihen-Plots und Snapshot-Tabellen ist im Report/-Verzeichnis
des Repositorys verfügbar.