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KOMBINE KOMBINE - Entwicklung neuartiger Regelungskonzepte zur Realisierung kompakter, hocheffizienter Solarthermie/Biomasse Kombisysteme

Solarthermie-Biomasse Kombisysteme wurden in der Österreichischen Energiestrategie als strategisch besonders wichtige und zukunftsträchtige Technologie zur Erreichung der öster¬reichischen Klimaziele (34 % Anteil von Erneuerbaren Energien am Endenergie¬verbrauch bis 2020) identifiziert. Durch eine sinnvolle Kombination und Integration dieser beiden erneuer¬baren Energieträger können die spezifischen Vorteile der beiden Technolgien synergetisch genutzt werden (z.B. 100 % erneuerbar, flexibel einsetzbar,…). Den zweifelsohne großen ökolog¬i¬schen Vorteilen stehen jedoch Nachteile gegenüber, wie hohe Investitionskosten sowie größeren Installationsaufwand und Platzbedarf. Für eine noch breitere Marktdurch¬dringung muss die Attraktivität dieser Systeme noch substantiell gesteigert werden. Eine Schlüsselrolle in diesem Technologiesegment werden zukünftig hochintegrierte Solar¬thermie-Biomasse Kombisysteme spielen. In diesen Systemen ist ein Pelletsbrenner direkt in den Solarspeicher integriert, womit sich eine kompakte Heizzentrale (Heat Unit) ergibt. Im Verg¬leich zur derzeit dem Stand der Technik entsprechenden separaten Instal¬lation von Speicher und Pelletskessel werden bei diesem Ansatz Material- und Instal¬lations¬¬kosten als auch der Platzbedarf minimiert. Kompakte Biomasse-Solarthermie Geräte befinden sich derzeit noch ein einem extrem frühen Stadium der Markteinführung, Geräte wurden erst von zwei Herstellern vorgestellt (beide aus Österreich). Monitoringstudien an State-of-the-Art Installationen haben gezeigt, dass die Regelung sehr oft eine signifikante Schwachstelle in solchen Systemen darstellt. Man kann davon aus¬gehen, dass vergleichbare Probleme auch bei der Regelung von Kompaktgeräte auftreten werden, womit der Untersuchung und Entwicklung verbesserter und neuer Regelungs¬strategien eine entscheidende Rolle zukommen wird. Im vorliegenden Forschungsprojekt wird dieser wichtige Problembereich bearbeitet. Das Projekt umfasst zwei Hauptschwerpunkte. Zum Einen wird ein detailliertes wissenschaft¬liches Monitoring an vier Standorten durchgeführt um Mess¬daten und Erfahrungen über den realen Betrieb zu sammeln. Auf Basis dieser Daten kön¬nen kritische Aspekte bezüglich Design, Integration und Regelung solcher Systeme identifi¬ziert werden. Bis dato ist dem Projekt¬konsortium keine Monitoring-Studie mit Kompakt¬geräten bekannt. Das Monitoring ist weiters eine essentielle Voraussetzung für den zweiten Projektschwerpunkt der in der Unter¬suchung und Entwicklung verbesserter bzw. neuer Regelungsansätze liegt. Dazu werden im Projekt Methoden entwickelt und eingesetzt, die auf einer Verbindung von Simulations¬¬¬methoden mit Optimierungsalgorithmen beruhen. Ein Schwerpunkt wird dabei in der Entwicklung und Untersuchung von Model Predictive Control (MPC) Verfahren liegen. Als Projektergebnisse werden zunächst aufbereitete und ausgewertete Betriebsdaten der vier gemonitorten Anlagen vorliegen, inklusive einer eingehenden Analyse des Betriebs¬verhaltens und der Anlagenqualität. Weiterführend werden Methoden bezüglich des Einsatzes von Optimierungsverfahren beim Reglerentwurf für Solarthermie-Biomasse Kompakt¬systeme vorliegen. Aus der Anwendung dieser Methoden werden optimierte Regler sowie ein neues Regelungsverfahren (MPC) vorliegen. Der Test neuer Regler im Feld wird zu praktischen Erkenntnissen und Erfahrungen was deren Anwendung betrifft führen.

Ausgangssituation

Im Zuge der EU 20-20-20 Ziele hat sich Österreich verpflichtet den Anteil erneuerbarer Energienträger am Endenergieverbrauch auf 34 % bis zum Jahr 2020 zu steigern. Im März 2010 wurde die „Energiestrategie Österreich3“ präsentiert, in der die notwendigen Veränderungsprozesse und Maßnahmen zur Erreichung der Klima- und energiepolitischen Ziele in Form einer Gesamtstrategie für Österreich dargestellt wurden. Sowohl die Solarthermie als auch die Biomasse nehmen in dieser Strategie eine Schlüsselrolle ein. Laut einer Studie von Haas et al. (2007)4 liegt das Potential von Solarthermie und Biomasse für Heizung und Warmwasserbereitung für das Jahr 2030 unter Zugrundelegen eines ambitionierten Szenarios bei 14,7 PJ (2005: 3,2 PJ) für Solarthermie und 103,7 PJ (2005: 61 PJ) für dezentrale Biomassenutzung. Dies entspricht einer Steigerung gegenüber dem Referenzjahr 2005 um 360 % bei solarthermischen Anlagen und 70 % bei dezentraler Biomassenutzung. Die jeweiligen Anteile am gesamten Endenergieverbrauch im Jahr 2030 für Heizen und Warmwasserbereitung können gemäß der Studie 6 % (2005: 1 %) für Solarthermie sowie 42 % (2005: 18 %) für dezentrale Biomasse erreichen.

Standardmäßig werden von Firmen derzeit Solarthermie-Biomasse Kombi-Pakete angeboten. Diese Pakete beinhalten die Einzelkomponenten Kollektor, Speicher und Kessel. Zwar werden diese Komponenten im Paket angeboten, die Montage und hydraulische Verbindung und Inbetriebnahme der Einzelkomponenten erfolgt jedoch durch den Installateur. In einer aktuellen Marktübersicht wurden neueste Solarthermie-Biomasse Kombi-Systeme vorgestellt5. Sämtliche der dort evaluierten 48 Systemen (23 für den Sanierungsmarkt und 25 für den Neubaubereich) waren aus Einzelkomponenten wie zuvor beschrieben aufgebaut. Zwar werden die Pakete in der Regel mit speziellen Rabatten angeboten, dennoch werden aufgrund des größeren Aufwands bei Installation und Material immer Mehrkosten gegenüber einer reinen Kesselinstallation entstehen. Diese Mehrkosten gilt es im Sinne der Kundenattraktivität von Solarthermie-Biomasse Kombisystemen zu minimieren. Ein weiterer Nachteil der sich aus Kundensicht durch die separate Aufstellung der Einzelkomponenten ergibt ist der damit verbundene große Platzbedarf.
Einer der vielversprechendsten Ansätze die zuvor genannten bzw. aus Studien bekannten Nachteile und Probleme von Solarthermie-Biomasse Kombisystemen durch technologische Weiterentwicklung zu überwinden sind hochintegrierte Solarthermie-Biomasse Kompaktgeräte.
Die wesentliche Komponente eines solchen Systems ist der Solarspeicher, in den direkt eine Biomasse-Feuerung integriert wird, wodurch eine kompakte „Heizzentrale“ oder „Heat Unit“ entsteht. Die Heizzentrale beinhaltet sämtliche Systemkomponenten wie beispielsweise die Regelungseinheit für das gesamte System, Frischwassermodule, Umwälzpumpen, Ventilgruppen etc. (Abbildung 2).
Die Vorteile von Solarthermie-Biomasse Kompakteinheiten können zusammenfassend wie folgt dargestellt werden:

  • Einfachste Installation vor Ort (geringere Installationskosten und geringere Fehleranfälligkeit)
  • Geringer Platzbedarf aufgrund der Kompaktheit
  • Entwurf ideal an das System angepasster Regler ist aufgrund des hohen Standardisierungsgrades der vorgefertigten Heizzentrale möglich


Während solare Kompaktsysteme mit speicherintegrierten Öl bzw. Gasfeuerungen schon seit längerem am Markt verfügbar sind6, sind Solarthermie-Biomasse Kompaktsysteme noch nicht am Markt etabliert. Erste Produkte wurden von zwei österreichischen Unternehmen7,8 jedoch bereits der Öffentlichkeit vorgestellt, was die Vorreiterrolle Österreichs

Projektverlauf

Der Projektverlauf ist in folgender Grafik dargestellt:

Projektverlauft

Ergebnisse

Im Projekt KOMBINE lag der Fokus auf der Entwicklung neuer Reglerkonzepte für kompakte Systeme aus Biomassebrenner und Solarthermie. Durch die Vermessung der einzelnen Systemkomponenten, wie zum Beispiel der Solarkollektor und der Speicher integrierte Pelletsbrenner, unter Laborbedingungen war es möglich eine gute Parametrierung und Validierung der verwendeten Simulationsmodelle durchzuführen. Auf Basis dieser Modelle konnte in weiterer Folge eine umfangreiche Parameterstudie für die Dimensionierung der relevanten Bauteile, wie Speicher und Kollektoren, erstellt werden. Die Ergebnisse der Parameterstudie zeigen, dass es Potential gibt den Pelletsverbrauch weiter zu senken. Eine Verdopplung der Dämmstärke des Speichers kann beispielsweise eine Reduktion des Pelletsverbrauchs um rund 10 % bewirken.
Für die erfolgreiche Optimierung der Regelparameter auf Basis der erstellten Simulationsmodelle ist die Güte der abgebildeten Modelle entscheidend. Die gesamte Regelung wurde im Simulationsmodell gemäß den Vorgaben von SOLARFOCUS implementiert. Der Vergleich mit den Monitoringdaten aus drei Anlagen zeigt teilweise sehr gute Übereinstimmung, teilweise aber auch sehr große Unterschiede zwischen den simulierten und den gemessenen Daten. Dies ist auf zwei wesentliche Faktoren zurückzuführen:

  • Unsicherheiten bei den Randbedingungen
  • Eignung des Speichermodells


Die Randbedingungen die für die Simulation erforderlich sind, können teilweise nicht exakt nachgebildet werden und haben sich teilweise auch verändert. Beispielsweise kann die gemessene Einstrahlung durch Verschmutzung des Einstrahlungssensors sinken und damit sind die Parameter für die Berechnung des Wirkungsgrades des Kollektormodells nicht mehr gültig. Andererseits variiert die Messung des zugeführten Pelletsmassenstroms mit dem Produkt selbst. Insgesamt sind die Messungen durchaus plausibel aber die Unsicherheiten konnten nicht quantitativ dargestellt werden.
Das verwendete Speichermodell wurde mit Labormessungen im Be- und Entladeprozess bei unterschiedlichen Leistungen parametriert. Die Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Werten ist sehr gut. Bei der Simulation eines ganzen Jahres kommt es allerdings teilweise zu sehr großen Abweichungen der Temperaturen im Speicher über die Höhe von einigen Kelvin. Dies ist insofern sehr relevant, als die Regelung selbst ebenso simuliert wird und damit die Schaltzeitpunkte für die unterschiedlichen Komponenten der Regelung abweichen. Das Modell ist aufgrund der eindimensionalen Diskretisierung nicht geeignet, speziell Speicher mit kleinem Volumen (hier 500 Liter) und vielen Anschlüssen (Solar-Wärmetauscher, Rauchgasrohre durch den Speicher, Heizungsanschlüsse und Brauchwasseranschlüsse) abzubilden. Die komplexen Strömungsvorgänge welche bei der Zapfung oder Einspeisung in so einem kleinen Volumen entstehen führen zu einigen Kelvin Abweichung in der örtlichen Temperatur im Speicher und damit zu unterschiedlichem Verhalten der gesamten Regelung.

Nichtsdestotrotz kann man die gesamten Simulationen als eine weitere Anlage betrachten, d.h. die Ergebnisse sind individuelle für das Modell zu interpretieren und zeigen tendenziell Verbesserungsmöglichkeiten gegenüber den Anlagen im Betrieb auf.
Das umfassende Monitoring und die Simulationen haben außerdem auch eine vielversprechende Verbesserungsmöglichkeit des charakteristischen Betriebs des Pelletsbrenners aufgezeigt. Basierend auf den Randergebnissen muss die Optimierung eines Reglers in Hinblick auf eine minimale Anzahl an Start-Stopp-Zyklen erfolgen. Als positiver Nebeneffekt werden dadurch auch die Schadstoffemissionen, die gerade bei häufigen Kaltstarts sehr hoch sind, minimiert. Eine wichtige Anforderung an eine optimierte Kessel- und Solarregelung ist, dass die solaren Erträge, bei gleichbleibend hoher Systemeffizienz, genutzt werden können.
Eine Schlussfolgerung der Anwendung optimierter Regler im Feld ist, dass durch eine angepasste und verbesserte Leistungsregelung sowie richtiger Dimensionierung der Kesselleistung, das Potential der hohen Systemeffizienz der untersuchten Anlage genutzt werden kann.
Basierend auf den Monitoringdaten wurde die Abhängigkeit der Systemeffizienz vom Wärmebedarf dargelegt. Dabei zeigt sich, dass die Systemeffizienz höher ist, wenn der Wärmebedarf hoch ist. Der Grund dafür liegt in der geringeren Anzahl an Start-Stopp-Zyklen bei höherem Wärmebedarf. Umgekehrt sinkt bei vielen Start-Stopp-Zyklen die Systemeffizienz.
Um die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen auch bei Teillastbetrieb nicht zu groß werden zu lassen, muss die Teillastfähigkeit der Verbrennungstechnik und der Kesselregelung weiter verbessert werden. Der optimierte Systemregler muss auf ein Biomasse-Solarthermie Kompaktsystem mit derart optimiertem Kessel aufgesetzt werden.

 

Steckbrief

Projektnummer
829718
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Michael Hartl, Michael.Hartl@ait.ac.at
Partner
Solarfocus GmbH
BIOENERGY 2020+ GmbH
Schlagwörter
Solarthermie und Biomasse Speicherintegrierter Pelletsbrenner Regleroptimierung
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
01.2011 - 07.2016
Budget
476.674 €