Ziel des Vorhabens der TBM Technologieplattform Bioenergie und Methan GmbH & Co. KG ist es, die wirtschaftliche und nachhaltige Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme aus Biomasse mit Hilfe der neu entwickelten AER (Absorption Enhanced Reforming)-Vergasungstechnologie in einer Anlagengröße von 10 MW Brennstoffwärmeleistung zu demonstrieren. Das neue Verfahren wurde vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) entwickelt. Im Vergleich zu bereits existierenden Biomasseanlagen kommen ein neuartiges Bettmaterial und eine veränderte Betriebsweise zur Anwendung, bei der ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Das als Bettmaterial eingesetzte Kalziumoxid bewirkt, dass das entstehende Produktgas weniger unerwünschtes CO2 und Teer enthält. Geringere Vergasungstemperaturen erlauben außerdem den Einsatz von holzartigen Biomassereststoffen aus der Landschaftspflege. Dies trägt den hohen Anforderungen an den Standort in der Nähe des Biosphärenreservats Schwäbische Alb Rechnung. Das Produktgas soll in einem Gasmotor in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Prozessabwärme soll zum einen in einem ORC-Prozess zur zusätzlichen Erzeugung elektrischer Energie dienen und zum anderen als Fernwärme abgegeben werden. Bei optimalem Betrieb und gleichzeitiger Wärmenutzung können insgesamt rund 26.000 Tonnen CO2 pro Jahr und Anlage eingespart werden.
Das Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft verfügt seit dem Jahr 2010 über eine 'Kleintechnische Vergärungsversuchsanlage' (KTVA) zur Durchführung langfristiger, anaerober Vergärungsversuche im kontinuierlichen Vergärungsverfahren. Hauptbestandteil ist ein Edelstahlreaktor (Vol. = 1.100 l), welcher beheizbar, durchmischbar und kontinuierlich beschickbar ist. Zusätzlich verfügt die KTVA über einen Vorlage- bzw. Hydrolysebehälter und einen Nachgärbehälter. Derzeit befindet sich die KTVA im Probebetrieb und wird zeitnah für orientierende Versuche genutzt. Mit Hilfe kontinuierlicher Messungen der Zusammensetzung des produzierten Biogases können die Vergärungsprozesse überwacht und optimiert werden.
Die ökonomische und ökologische Energiebereitstellung stellt eine zentrale gesellschaftliche Herausforderung dar. Diese wird durch die steigenden Umweltbelastungen bei gleichzeitig wachsendem weltweitem Energiebedarf und zunehmender Ressourcenverknappung bedingt. Für mobile Antriebe nimmt insbesondere die Verminderung des bei der motorischen Verbrennung entstehenden Treibhausgases CO2 sowie der Schadstoffemissionen ein wichtiges Ziel ein. Dies sind zum Beispiel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (uHC) und Ruß, die erheblich zur städtischen und regionalen Luftverschmutzung beitragen. Zur Realisierung von hohen Wirkungsgraden bei gleichzeitig niedrigen Schadstoffemissionen untersucht die FOR2401 die zukunftsträchtige Niedertemperaturverbrennung (NTV). Die NTV kann sowohl auf Ottomotoren (Gasoline Controlled Auto Ignition, GCAI) als auch auf Dieselmotoren (Premiexed Charge Compression Igniton) angewendet werden und zeichnet sich als ein Brennverfahren aus, welches das Potential bietet, bereits innermotorisch die Emissionen deutlich zu reduzieren. Die Komplexität der Prozessführung ist einer der wesentlichen Gründe, welcher die technische Anwendung der NTV aktuell verhindert. Der Ablauf der NTV wird maßgeblich von lokalen thermodynamischen Zuständen und strömungsmechanischen Effekten bestimmt. Die Zeitskalen der hierbei auftretenden Abläufe sind kleiner als die des Verbrennungszyklus und können deshalb nicht mit einer dem Stand der Forschung entsprechenden zyklusbasierten Regelung beeinflusst werden. Um eine hinsichtlich Stabilität, Wirkungsgrad und Schadstoffemissionen verbesserte Prozessführung zu ermöglichen, werden im Rahmen der Forschergruppe Multiskalenregelungskonzepte untersucht, welche Neuland darstellen. Zur erfolgreichen Realisierung der Multiskalenregelung müssen grundlegende Forschungsfragen aus den Disziplinen Chemie, Verbrennungstechnik, Motorenforschung, Regelungstechnik und Numerik geklärt werden. Aus diesem Grund setzt die Forschergruppe auf einen stark vernetzten, interdisziplinären Ansatz. Innerhalb der FOR2401 soll ein detailliertes physikalisch-chemisches Prozessverständnis der NTV und der zugehörigen Beeinflussungsmöglichkeiten entwickelt werden, wodurch eine Beschreibung in Form von mathematischen Modellen ermöglicht wird. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden maßgeschneiderte regelungstechnische Methoden entwickelt, die auf Echtzeitoptimierung basieren und die Kontrolle auf einer kleineren als der aktuell möglichen Zeitskala erlauben. Die Forschung erfolgt im engen Schulterschluss zwischen Natur- und Ingenieurswissenschaftler/innen der Universität Bielefeld, der Universität Freiburg und der RWTH Aachen University.
Der aktuell in der Forschung untersuchte Ansatz zur Regelung der Niedertemperaturverbrennung (NTV) ist die zyklusbasierte Regelung. Diese Regelung erlaubt eine Stabilisierung der NTV allerdings nur in einem sehr eingeschränkten Kennfeldbereich. Mit einer zyklusbasierten Regelung können nur zyklusintegrale Systemdynamiken und Störgrößen kontrolliert werden. Die für die Stabilität und Emissionsentstehung der NTV relevanten chemisch, physikalischen Prozesse, die auf innerzyklischen Zeitskalen ablaufen, können nicht beeinflusst werden. Aus diesem Grund untersucht das TP1 die Multiskalenregelung, um auch die kleineren Zeitskalen berücksichtigen zu können. Es wird erwartet, dass mit erfolgreicher Regelung auf diesen kritischen Zeitskalen der Kennfeldbereich deutlich ausgeweitet, der Wirkungsgrad verbessert und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. Die Multiskalenregelung stellt für die Lösung dieses Problems Neuland dar. Hierbei werden die motorischen NTV-Prozesse PCCI und GCAI betrachtet. In TP1 wird die Reglerarchitektur für die Multiskalenregelung bestehend aus der Kombination von Zyklus-zu-Zyklus Regelung und einem In-Zyklus-Regler entwickelt. Um der komplexen nichtlinearen Mehrgrößen-Systemdynamik Rechnung zu tragen, sollen auf einem Modell des Prozesses beruhende optimierungsbasierte Verfahren angewendet werden. Hierfür werden die in TP2 für zyklische Prozesse entwickelten numerischen Methoden zur iterativ lernenden nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (IL-NMPC) als Grundlage verwendet. Prozessspezifisch erfolgt eine Analyse und Bewertung möglicher Stell- und Regelgrößen sowie die Aufteilung dieser Größen auf die verschiedenen Zeitskalen. Darüber hinaus werden auch geeignete Formulierungen der Optimierungsaufgabe untersucht. Die reglerinternen Modelle werden in TP1 in Zusammenarbeit mit TP3 für den GCAI- und mit TP4 für den PCCI-Prozess erarbeitet. Während sich diese beiden Teilprojekte auf die physikalische Modellierung und die quantitative Beschreibung des Prozesses konzentrieren, liegt der Fokus von TP1 darauf, die dort erarbeiteten Beschreibungsformen in eine regelungstechnisch effektiv verwendbare Struktur zu bringen. Hierfür sollen physikalisch motivierte Grey-Box-Modelle entstehen. Zudem werden Störgrößenmodelle entwickelt, die vor dem Hintergrund physikalischer und systemtheoretischer Überlegungen aufgestellt werden sollen. Abschließend werden die entwickelten Regelalgorithmen gemeinsam mit TP3 und TP4 an den jeweiligen Motorenprüfständen validiert. Entscheidende Kriterien stellen dabei der abdeckbare Kennfeldbereich, in dem ein stabiler Betrieb und transiente Lastprofile realisiert werden können, sowie das Potential zur Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung dar.