Reichl, G: Optimierte Bewirtschaftung von Kläranlagen

Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Anwendung eines modellprädiktiven Regelungsverfahrens mit einem nichtlinearen Systemmodell zur optimalen Bewirtschaftung von kommunalen biologischen Abwasserreinigungsanlagen am Beispiel der Kläranlage der Stadt Jena. Hierbei stehen zwei Aufgaben im Vordergrund: eine geeignete mathematische Systemmodellierung und die Anwendung eines passenden numerischen Optimierungswerkzeuges. Die Modellierung der Komponenten von Abwasserreinigungsanlagen erfolgt mit der objekt-orientierten Modellierungssprache Modelica, auf deren Grundlage die Systemmodelle mit der Simulationsumgebung Dymola erzeugt werden. Dazu wird eine umfangreiche Modelica-Anwendungsbibliothek WasteWater mit anerkannten Modellen für z. B. das Belebungsbecken und die Nachklärung entwickelt. Zur Formulierung und Lösung des Optimalsteuerungsproblems im Algorithmus der modellprädiktiven Regelung kommt der Optimierunglöser Omuses/HQP zum Einsatz, der speziell für hochdimensionale nichtlineare Aufgabenstellungen für dynamische Systeme entwickelt wurde. Das automatisch generierte Gesamtmodell der Kläranlage wird über die im Optimierungslöser enthaltene S-Function-Schnittstelle mit der Optimierung verknüpft. Die Formulierung der Problemstellung umfasst das nichtlineare Systemmodell, das Gütefunktional mit den Zielen der Optimierung, die notwendigen Steuerungs- und Zustandsbeschränkungen sowie die spezifischen Kostenfunktionen für die Referenzkläranlage. Sowohl die energieoptimale als auch kostenoptimale modellprädiktive Regelung der Referenzanlage zeigen, dass bei einer nachhaltigen Abwasserreinigung auch die Minimierung der variablen Betriebskosten bei gleichzeitig niedrigen Abflusswerten der Überwachungsparameter möglich ist.