Optimierte Bewirtschaftung von Kläranlagen basierend auf der Modellierung mit Modelica

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.