Projekt „Sterowanie biogazownią” zakłada wdrożenie zaawansowanych metod automatyzacji i monitorowania procesów technologicznych w biogazowniach w oparciu o sensory, analizę danych i algorytmy sterujące. Rozwiązanie umożliwia precyzyjne zarządzanie kluczowymi parametrami produkcji biogazu, poprawę efektywności energetycznej oraz optymalizację kosztów operacyjnych, co skutkuje bardziej stabilnym i przewidywalnym przebiegiem procesów.
Biogaz jest mieszaniną metanu, dwutlenku węgla oraz niewielkich ilości azotu, wodoru, siarkowodoru i tlenu. Wytwarzany jest podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych. Przetwarzanie w procesie fermentacyjnym pozwala zagospodarować odpady z produkcji rolnej, przetwarzania płodów rolnych, produkcji biopaliw, jak również odpady komunalne. Wyprodukowany biogaz jest następnie przetwarzany na energię elektryczną oraz cieplną, co z kolei zmniejsza globalne zapotrzebowanie na paliwa kopalne. Obecnie trwają intensywne prace nad zwiększeniem wydajności biogazowni fermentacyjnych w celu maksymalizacji korzyści, zarówno dla środowiska naturalnego jak i ekonomicznej optymalizacji produkcji. Jednym z kierunków tych prac jest wykorzystanie tomografii pojemnościowej.
Rys. 1. Schemat instalacji grzewczej
Utrzymanie stałej oraz jednakowej temperatury w całej objętości fermentowanej biomasy, wymaga montażu w zbiorniku instalacji grzewczej najczęściej w formie orurowania na wewnętrznych ścianach zbiornika (rys 1). Przy zastosowaniu tomografii pojemnościowej daną instalację grzewczą należy wbudować w ściany komory fermentacyjnej i umieścić za elektrodami tomograficznymi tak, aby zminimalizować jej wpływ na wyniki pomiarów.
Mieszanie zawartości fermentatora ułatwia odgazowanie, pozwala zapewnić stałą temperaturę oraz jednakowy rozwój mikroorganizmów w całej objętości komory fermentacyjnej, jak również zapobiega powstawaniu kożucha na lustrze biomasy. Możemy wyróżnić trzy główne metody mieszania: mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne. Najbardziej rozpowszechnione jest mieszanie z użyciem pionowych, poziomych lub skośnych mieszadeł mechanicznych (rys. 2b). W przypadku zastosowania tomografii pojemnościowej do badania zawartości fermentatora posiada ograniczone zastosowanie ze względu na wprowadzoną do badanego środowiska niejednorodność, która stanowi znaczne utrudnienie w określeniu stanu biomasy. Drugą bardziej użyteczną metodą jest mieszanie hydrauliczne, w którym do mieszania zawartości fermentatora wykorzystuje się pompowaną biomasę (rys 2a). Ostatnią z wyżej wymienionych metod jest metoda mieszania pneumatyczne (rys. 2c), która wykorzystuje pompowany pod ciśnieniem w dolnej części reaktora fermentacyjnego biogaz. Mieszanie hydrauliczne oraz pneumatyczne nie wymagają montowania urządzeń wewnątrz fermentatora, a zatem nie wprowadzają punktowych zakłóceń do badanego obiektu, co korzystnie wpływa na jakość pomiarów tomograficznych.
Rys. 2. Mieszanie biomasy a) hydrauliczne, b) mechaniczne c) pneumatyczne
System sterowania biogazownią można zbudować w oparciu o dowolny sterownik przemysłowy PLC, odpowiednio rozbudowany o wyjścia i wejścia analogowe i cyfrowe. Wyjścia i wejścia powinny zapewniać takie parametry, jakich wymaga zastosowana w instalacji aparatura kontrolno-pomiarowa oraz wykonawcza, przy czym w większości przypadków zarówno producenci sterowników, czujników, jak również elementów wykonawczych dbają o to, aby ich urządzenia implementowały podstawowe sposoby komunikacji. Ze względu na fakt, że instalacje i infrastruktura biogazowni zazwyczaj znajdują się na dość rozległym terenie (kilkadziesiąt-kilkaset metrów), zastosowane sterowniki powinny umożliwiać rozproszenie systemu kontroli i sterowania, zapewniając jednocześnie zgodność urządzeń i możliwość komunikacji pomiędzy poszczególnymi podsystemami. Przy projektowaniu systemu warto również zadbać o możliwość komunikacji z systemami zewnętrznymi np. powiadamiania o awariach czy systemami kontroli lub zdalnego sterowania. W przypadku zastosowania tomografii pojemnościowej powinniśmy również uwzględnić możliwość automatycznego wykorzystania wyników pomiarów tomograficznych w procesie sterowania poszczególnymi elementami systemu. Szczególnym przykładem integracji z systemem zewnętrznym jest podłączenie generatora do lokalnej sieci dystrybucji energii, a co za tym idzie realizacja układów synchronizacji z siecią energetyczną, rejestrowanie ilości prądu wyprodukowanego, jak również, jeśli to konieczne wymiana tych informacji z systemami instytucji odbierającej energię elektryczną.
Dostarczanie surowców może być realizowane w sposób ciągły lub cykliczny, co kilka godzin. Ilość wprowadzanych substratów powinna wynikać ze składu chemicznego (proporcja C : N 100 : 3), hydraulicznego czasu retencji wynoszącego od 20 do 60 dni w zależności od zastosowanych substratów oraz obciążenia komory ładunkiem zanieczyszczeń, które zazwyczaj wynosi od 3,5 do 6 kg s.m.o/m3/dobę.
Rys. 3.Schemat blokowy systemu pomiarowego tomografii pojemnościowej
Zastosowanie tomografii pojemnościowej w badaniu biomasy (rys. 3) umożliwia monitorowanie procesu w sposób nieinwazyjny. Porównanie wyników uzyskanych z badań tomograficznych z wynikami uzyskanymi za pomocą tradycyjnych badań laboratoryjnych pozwoli wyznaczyć cechy wskazujące na problemy z procesem fermentacji. Warunkiem wyznaczenia takich zależności jest przygotowanie odpowiedniej sondy tomograficznej lub zespołu sond, zastosowanie wystarczająco czułych urządzeń pomiarowych oraz zastosowanie algorytmów rekonstrukcyjnych umożliwiających monitorowanie zmian parametrów zawartości reaktora fermentacyjnego w sposób ciągły oraz wyznaczenie zależności pomiędzy wynikami pomiarów, a stanem faktycznym ustalonym na podstawie danych zebranych w badaniach laboratoryjnych. Informacja o rozkładzie współczynnika przenikalności uzyskiwana jest przez wielokrotny pomiar pojemności na powierzchni obiektu, przy zmiennym położeniu elektrod pobudzających. Podstawowym problemem jest ustalenie na drodze eksperymentalnej zależności rozkładu przenikalności przy znanej i określonej budowie wewnętrznej badanego elementu. Mierzone pojemności są rzędu femtofaradów, co wymaga specjalnych technik pomiarowych. System pomiarowy składa się z czujnika, specjalizowanej elektroniki do pomiaru pojemności oraz systemu rekonstrukcji. Obecnie do rekonstrukcji najwygodniej jest zastosować komputer klasy PC. Elektryczna Tomografia Pojemnościowa umożliwia obserwację zachodzących zjawisk fizycznych i chemicznych bez potrzeby wnikania w ich wnętrze. Źródłem informacji są pojemności elektryczne pomiędzy elektrodami umieszczonymi na obwodzie czujnika pomiarowego. Na podstawie zebranych pomiarów pojemności elektrycznej – rozwiązując problem odwrotny dla pola elektrycznego, można uzyskać obraz rozkładu przenikalności elektrycznej wewnątrz obszaru czujnika pomiarowego. Bardzo ważną cechą pomiaru w przypadku Elektrycznej Tomografii Pojemnościowej jest brak konieczności fizycznej interakcji czujnika z badanym medium, dzięki czemu metoda ta jest bezinwazyjna; nie zaburza odbywającego się procesu przemysłowego. Inną zaletą tej techniki pomiarowej jest duża szybkość zbierania danych pomiarowych. Weryfikacja uzyskanych wyników zostanie przeprowadzona poprzez porównanie wyników symulacji z wynikami analizy analitycznej dla zestawu danych testowych. Mierzalnym efektem zadania będzie utworzony działający model symulacyjny, który pozwoli na dalsze badania w kierunku zastosowań praktycznych.
Wykorzystanie tomografii pojemnościowej w badaniu stanu fermentującej biomasy powinno przynieść korzyści w postaci większej ilości informacji na temat bieżącego stanu procesu fermentacji. Informacje te dostępne w sposób ciągły, będą mogły być wykorzystane w systemach sterowania biogazownią, a zatem przyczynią się do zwiększenia jej wydajności. Niestety ze względu na przedstawione w dokumencie problemy zaimplementowania tomografu pojemnościowego w istniejącej i pracującej biogazowni może okazać się trudne lub niemożliwe do realizacji, dlatego należy poszukiwać takich rozwiązań technologicznych, które spowodują, że wykorzystanie tomografii pojemnościowej w tej dziedzinie gospodarki stanie się możliwe. Implementacja tomografu pojemnościowego powinna zacząć się już na etapie projektowania biogazowni i procesu produkcyjnego, jednak ze względu na znaczące koszty takiej inwestycji, należy wcześniej przeprowadzić stosowne próby na modelach lub instalacjach doświadczalnych. Przewiduje się przeprowadzenie następujących prac w kilku obszarach: badania możliwości integracji przemysłowych systemów sterowania z tomografem pojemnościowym, badania tomograficznego biomasy w różnych stadiach fermentacji oraz badania możliwości budowy sondy pomiarowej dostosowanej rozmiarami i konstrukcją do przemysłowych reaktorów fermentacyjnych.
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej.
