SPHAUL - Integrierte Modellierung der anaeroben Vergärung mit SPH
Projekt: SPHAUL - Integrierte Modellierung der anaeroben Vergärung mit SPH
Finanzierende Organisation: FFG - Die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft
Finanzierung: BRIDGE: 21. Ausschreibung BRIDGE 1
Projektleiter: Wolfgang RAUCH
Projektmitarbeiter: Daniel WINKLER, Michael MEISTER, Massoud REZAVAND
Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 31.03.2018
Projektnummer: 850738
Partner:
- Universität Innsbruck (wissenschaftlich)
- hydro-IT GmbH (industriell)
- BioTreaT GmbH (industriell)
Zusammenfassung:
Die anaerobe Vergärung (AD) ist eine gängige und weit verbreitete Technologie für die fortgeschrittene Behandlung biologisch abbaubarer Materialien wie häusliche Abwässer, landwirtschaftlicher Dünger, Lebensmittelabfälle und der biologisch abbaubare Anteil fester Abfälle. Aufgrund der biologischen Prozesse im Fermenter wird unter anaeroben Bedingungen aus den biologischen Rückständen Biogas (das bis zu 2/3 Methan enthält) gebildet, das anschließend zur Erzeugung von Wärme und Energie genutzt wird (siehe z. B. Ward et al., 2008). Der ökologische und wirtschaftliche Nutzen der Anwendung von AD sowohl bei der fortgeschrittenen Abwasserbehandlung als auch bei der Behandlung von organischen Abfällen ist unbestritten, und das Verfahren wird in Europa in großem Umfang angewandt (siehe z. B. Bidlingmaier et al., 2004). Aufgrund der Bedeutung des Prozesses wurden nicht nur grundlegende Aspekte (z. B. Tafdrup, 1995), sondern auch die Modellierung (z. B. Lauwers et al., 2013) und Überwachung (z. B. Madsen et al., 2011) ausgiebig erforscht und berichtet. In einer aktuellen Übersichtsarbeit identifizieren Appels et al. (2011) die mathematische Beschreibung als eine der Einschränkungen bei der Nutzung von AD-Prozessen. Insbesondere die Verbindung von Modellen, die die physikalischen Prozesse (Strömung und Durchmischung) beschreiben, mit biokinetischen Modellen fehlt noch, was eine Einschränkung bei der Gestaltung und dem Management des AD-Prozesses darstellt. Folglich hat ein neuartiges Modellkonzept - das zu einer solch verfeinerten Prozessbeschreibung fähig ist - ein enormes Potenzial in der praktischen Anwendung, sowohl als Berechnungssoftware als auch als Instrument für die AD-Beratung.
Das Projekt SPHAUL befasst sich mit diesem Thema und schlägt vor, die neuartige Lagrange-Methode der geglätteten Partikelhydrodynamik (SPH) mit dem Standardmodell der biokinetischen anaeroben Vergärung (ADM) zu verbinden. Es wird erwartet, dass dieser neuartige Ansatz bahnbrechend für die mathematische Beschreibung der anaeroben Technologie ist und zu einem rechnergestützten Softwaretool für die Industrie führen könnte.
Basierend auf der obigen Problemstellung werden wir in diesem Projekt ein neuartiges Softwarekonzept für die integrierte AD-Simulation entwickeln. Wir schlagen die neuartige Fully Lagrangian SPH-Methode als alternative, meseless CFD-Methode zur Simulation der physikalischen Prozesse in AD vor. Besonders wichtig für dieses Projekt im Hinblick auf die Modellierung biochemischer Prozesse sind gute Simulationseigenschaften für Mehrphasenströmungen (Colagrossi et al., 2003; Aristodemo et al., 2010), Konzentrationsraten (Aristodemo et al., 2010) und Transportphänomene (Tartakovsky et al., 2007) sowie die natürliche Art und Weise, bewegte Objekte (Mischvorrichtungen) zu implementieren (Adami et al., 2012 und Baraff, 1997). Im Rahmen dieses Projekts wird das numerische Konzept und die Implementierung einer SPH-Software für AD-Simulationen entwickelt. Die wichtigste Innovation dieses Projekts ist die Erweiterung von SPH, um sowohl die Strömungsmodellierung als auch die räumlich diskretisierte AD-Kinetik zu ermöglichen, was bisher noch nicht versucht wurde. Das Forschungsziel von SPHAUL ist es, die numerischen Methoden von SPH so weiterzuentwickeln, dass die Simulation von biophysikalischen und biochemischen Prozessen in der Umwelttechnik möglich wird, wobei der Schwerpunkt auf der anaeroben Vergärung liegt.
Zu diesem Zweck wird die zweiphasige Wasser-Partikel-Strömung in SPH untersucht. Wir werden zwei Ansätze anwenden, nämlich a) einen Multi-Fluid-Algorithmus, bei dem inerte Sedimente als zweite Phase betrachtet werden, und b) die Starrkörper-Methode für die Simulation größerer Objekte im Strömungsfeld. Die Substratbiomasse wird als pseudo-Newtonsches Fluid mit spezifischer Dichte und Viskosität, aber mit räumlich variierenden Konzentrationen angenommen. Die inerte Materie (Sedimente und Gegenstände) ist eine wichtige Komponente in den Faulbehältern und daher für die Kopplung der lokalen Hydrodynamik mit der biologischen Kinetik von wesentlicher Bedeutung. Das biokinetische Modell von ADM ist in der entwickelten SPH-Software enthalten, und die zugehörigen Differentialgleichungen sind mit den SPH-Simulationsergebnissen gekoppelt.
In diesem Projekt werden die Simulationsergebnisse mit physikalischen Experimenten, Feldmessungen und Daten aus verfügbaren Softwarepaketen validiert. Nach der Erweiterung der Software um eine GPU-Version mit verbesserter Rechenleistung wird eine Reihe von Simulationen mit unterschiedlichen Reaktorgeometrien und Mischertypen durchgeführt, um deren Einfluss auf die biophysikalischen Prozesse zu bewerten.
Dieses Brückenprojekt wird als translationales Forschungsprojekt eingestuft, und die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Industrie, die auf dem Gebiet der anaeroben Vergärung arbeitet - sowohl bei der Softwareentwicklung und -gestaltung als auch bei Management und Beratung.