Analytik für eine resiliente, dezentrale Biogaserzeugung
Im Bereich nachhaltiger Energietechnologien entwickelt die Professur für Sensorik digitalisierte Biogasprozesse zur Nutzung bislang unerschlossener Potenziale von Wirtschaftsdünger. Ziel ist es, insbesondere kleinere und mittlere landwirtschaftliche Betriebe in die Lage zu versetzen, Flüssigmist und Reststoffe effizient, wirtschaftlich und emissionsarm energetisch zu verwerten. Die von der Universität Hohenheim koordinierten Forschungsprojekte KLAWIR und DEMETHA bilden dabei zwei komplementäre Sensorikforschungslinien, die gemeinsam auf eine hochstandardisierte, sensorintegrierte und automatisierte Biogasanlage im kleinen Leistungsbereich abzielen.
Das Projekt KLAWIR verfolgt den Ansatz einer einstufigen, besonders kosteneffizienten Güllevergärung mit konsequenter Digitalisierung und internetbasierter Fernüberwachung. Ein zentraler Forschungsbeitrag der Professur für Sensorik liegt dabei in der Entwicklung einer integrierten, miniaturisierten Multigassensortechnologie, die in mikrosystemtechnischer Bauweise realisiert werden kann. Durch die Nutzung von Frequenzmultiplexing in der Photoakustik können Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff simultan in einem integrierten Modul erfasst werden, so dass eine kontinuierliche und zuverlässige Erfassung der Gasqualität sowie relevanter Umweltparameter ermöglicht wird.
Die mikrosystemtechnische Fertigung erlaubt eine hohe Integrationsdichte, reproduzierbare Sensoreigenschaften und einen energieeffizienten Betrieb bei gleichzeitig reduzierten Herstellungskosten. Damit schafft die Sensorikforschung die Voraussetzung für standardisierte, vormontierte Sensormodule, die direkt in die Anlagensteuerung eingebunden werden können. Neben der reinen Datenerfassung umfasst der Beitrag der Professur auch die Entwicklung geeigneter Signalverarbeitung, Kalibrierstrategien und digitaler Schnittstellen zur sicheren Datenübertragung in cloudbasierte Überwachungssysteme.
Durch diese enge Verzahnung von Sensorentwicklung, Mikrosystemtechnik und digitaler Systemintegration wird eine zentrale Zustandsüberwachung vieler dezentral installierter Anlagen technisch und wirtschaftlich realisierbar. Die Skalierbarkeit der Sensormodule, ihre kosteneffiziente Serienfertigung sowie ihre robuste Auslegung für den Einsatz in landwirtschaftlicher Umgebung leisten somit einen entscheidenden Beitrag zur breiten Übertragbarkeit des KLAWIR-Konzepts auf eine große Zahl landwirtschaftlicher Betriebe.
Technologisch ergänzt das Projekt DEMETHA diesen Ansatz, denn hier steht insbesondere die in‑situ‑Prozessanalytik im Vordergrund: Neuartige eingebettete, kapazitive beziehungsweise impedanzspektroskopische Sensorsysteme ermöglichen eine orts- und zeitaufgelöste Analyse der Substratphasen im Fermenter selbst. Auf dieser Grundlage werden adaptive Regelstrategien entwickelt, etwa zur energieoptimierten Rührwerkssteuerung oder zur pH‑Wert‑abhängigen Prozessführung. Parallel dazu wird ein strukturiertes Datenmanagement nach FAIR‑Prinzipien implementiert, um die langfristige wissenschaftliche und betriebliche Nutzbarkeit der Prozessdaten sicherzustellen.
Beide Projekte verbindet die Entwicklung von selektiven, empfindlichen sensorischen Mikrosystemen, wobei die Möglichkeit einer mikrosystemtechnischen Fertigung die Skalierbarkeit der Ergebnisse sicherstellt. Dies erlaubt eine hohe Integrationsdichte, Miniaturisierung und Energieeffizienz bei gleichzeitig reproduzierbarer Qualität. Zugleich schafft sie die Voraussetzung für eine kostengünstige, standardisierte Massenproduktion der Sensormodule. Damit wird die flächendeckende Ausstattung dezentraler Kleinanlagen mit leistungsfähiger Prozesssensorik wirtschaftlich realisierbar.
Übergeordnet adressiert die Professur hier analytische Fragestellung von komplexen Fluidsystemen und wie durch mikrosystemtechnisch gefertigte, hochintegrierte und datenbasierte Sensorsysteme robuste, automatisierte und wirtschaftliche Biogasprozesse geschaffen werden können. Durch die Kombination aus intelligenter Prozessüberwachung, adaptiver Regelung und digitaler Vernetzung leisten KLAWIR und DEMETHA einen Beitrag zur quantifizierbaren Reduktion von Treibhausgasemissionen, zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Stärkung einer dezentralen, nachhaltigen Energieversorgung im landwirtschaftlichen Kontext.
Ausgewählte Veröffentlichungen:
- G. Rodriguez Gutierrez et al., “Frequency multiplexing in direct, resonator-enhanced photoacoustic gas sensing setups to establish a reference channel,” Sens. Actuators B, vol. 451, pp. 139427, Jan. 2026, doi: 10.1016/j.snb.2026.139427.
- G. Rodriguez Gutierrez et al., “Integrated, Selective, Simultaneous Multigas Sensing Based on Nondispersive Infrared Spectroscopy-Type Photoacoustic Spectroscopy,” ACS Sensors, vol. 9, no. 1, pp. 23-28, Jan. 2024, doi: 10.1021/acssensors.3c01285.
Gefördert auf der Grundlage des Sondervermögens Klima- und Transformationsfond.