Digitalisierung der Biogaserzeugung: Datenbasierte Steuerung zur Optimierung der Marktintegration
Die geplante Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) für das Jahr 2027 markiert einen strategischen Kurswechsel in der deutschen Energiepolitik. Ziel ist es, die Stromerzeugung aus Biogasanlagen verstärkt an die Marktmechanismen zu koppeln. Anstatt einer kontinuierlichen Einspeisung sollen Anlagen bevorzugt dann Strom produzieren, wenn Wind- und Solarenergie fehlen und die Marktpreise hoch sind. Da die vergütungsfähigen Betriebsstunden künftig begrenzt werden, wird die präzise Steuerung des Einspeisezeitpunkts für die Wirtschaftlichkeit der rund 10.000 bestehenden Anlagen in Deutschland entscheidend.
Die Herausforderung: Datenpotenzial ohne Nutzung
Biogasanlagen generieren kontinuierlich eine Vielzahl von Daten, darunter Temperaturen im Fermenter, Gaszusammensetzungen, Füllstände der Speicher sowie Betriebsparameter von Pumpen und Rührwerken. Aktuell werden diese Informationen primär für die unmittelbare Anlagensteuerung genutzt. Für eine übergeordnete Optimierung fehlen jedoch oft die notwendigen Strukturen: Messwerte werden nur kurzzeitig gespeichert, Kontextinformationen (wie Betriebszustände oder Substratarten) liegen isoliert vor und unterschiedliche Datenformate erschweren die Auswertung.
Für eine effektive Steuerung ist jedoch die Verknüpfung der Werte essenziell. Ein Temperaturwert allein ist ohne den Kontext des Behälters, des Sollwerts oder des aktuellen Betriebszustands kaum für Prognosen verwertbar.
Die Lösung: Edge Computing als digitale Datenebene
Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) hat eine Lösung entwickelt, die ohne tiefgreifende Eingriffe in die bestehende Hardware auskommt. Ein eigens entwickeltes „Edge Device“ fungiert als zusätzliche Daten- und Rechenebene direkt am Schaltschrank:
- Integration: Das Gerät wird an die vorhandene speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) angebunden.
- Strukturierung: Es führt Prozess- und Betriebsdaten zusammen und speichert diese langfristig in einer einheitlichen Struktur.
- Erweiterung: Externe Daten wie Wetterprognosen oder Strompreisentwicklungen können integriert werden.
- Datensicherheit: Die Datenverarbeitung erfolgt lokal (Edge Computing), sodass Betreiber selbst entscheiden können, welche Informationen eine externe Cloud erreichen.
Durch diese Architektur wird das Edge Device zum Bindeglied zwischen der klassischen Automatisierung und einer intelligenten, KI-gestützten Betriebsführung.
Vom Datensatz zur wirtschaftlichen Entscheidung
Der Mehrwert der Plattform liegt in der Umwandlung von Rohdaten in konkrete Handlungsempfehlungen. Das System ermöglicht eine mehrdimensionale Optimierung:
1. Strompreisorientierte Fahrweise
Das Modell berechnet den optimalen Zeitpunkt für die Stromerzeugung. Dabei werden nicht nur die erwarteten Strompreise berücksichtigt, sondern auch der aktuelle Gasvorrat im Speicher, die prognostizierte Gasproduktion sowie die technischen Kapazitäten des Blockheizkraftwerks.
2. Optimierung der Substratfütterung
Da die Gasproduktion maßgeblich von der Zusammensetzung der eingesetzten Substrate abhängt, ermöglicht die digitale Steuerung eine präzisere Fütterungsstrategie. Das System kann berechnen, welcher Substratmix unter Berücksichtigung von Kosten, Gasbildungspotenzial und der Belastungsgrenzen des Fermenters den maximalen Ertrag zum optimalen Zeitpunkt liefert.
3. Predictive Maintenance und Softsensoren
Neben der Ertragsmaximierung bieten die Daten die Grundlage für vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) und den Einsatz von Softsensoren zur präziseren Prozessüberwachung.
Übertragbarkeit auf andere Sektoren
Die entwickelte technologische Infrastruktur ist nicht auf die Biogastechnik beschränkt. Das Prinzip der Zusammenführung isolierter Messwerte in einer verlässlichen Datenbasis zur prozessualen Optimierung ist auf diverse verfahrenstechnische Anlagen anwendbar, wie beispielsweise:
- Kläranlagen (z. B. bedarfsgerechte Belüftung)
- Bewässerungssysteme in der Landwirtschaft
- Trinkwasserversorgung