Forschung für unsere Zukunft

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Biomass Energy Performance Control System

In Österreich versorgen etwa 1000 Biomassekessel Fern- und Nahwärmenetze mit Energie, mit etwa 10% dieser Kessel wird zusätzlich Strom erzeugt. Zumeist werden mehrere Biomassefeuerungen parallel eingesetzt, die gemeinsam mit zusätzlichen thermischen Pufferspeichern und Spitzenlast-kesseln die jeweilige Last abdecken und ein komplexes dynamisches, verfahrenstechnisches System darstellen. Ziel dieses Projekts ist die Steigerung der Energie-Effizienz von Biomasse Heizwerken (mit und ohne Fernwärme-Netz bzw. Kraft-Wärme-Kopplung) durch Aufbau und Validierung eines auf verfahrenstechnischen Modellen basierenden, übergeordneten Automatisierungssystems zur Überwachung und Optimierung von Effizienz-Performance-Kennzahlen, Regelung und Diagnose der Anlagenteile Feuerung, Kessel, Turbine, Abwärme-Nutzung, thermische Speicher und Fernwärme-Netz. Um die Effizienz-Performance-Kennzahlen aller Anlagenteile überwachen und optimieren zu können, muss eine systematische Analyse der für eine zuverlässige Aussagen erforderlichen Messtechnik erfolgen da die üblichen Prozessmessdaten meist nicht die vollständige Information liefern um Veränderungen der Anlagen-Effizienz-Performance überwachen bzw. optimieren zu können. Mit Unterstützung einer Pilotanlage werden die entwickelten Diagnosealgorithmen und Regelstrategien zur Optimierung der thermodynamischen Effizienz zur Validierung ihrer Wirksamkeit implementiert und auf Anwendbarkeit für weitere Biomasse-Kraftwerke verallgemeinert bzw. erweitert.

Ausgangssituation

Fernwärmenetze  sind  nach  ihrer  Inbetriebnahme  in  der  Regel  einem  stetigen  Ausbau  unterworfen. Dabei verändern sich neben dem Leistungsbedarf und der Lastcharakteristik auch verfahrenstechnische Randbedingungen und wesentliche Anlagenparameter im Heizwerke. 

Die  ursprüngliche  Auslegung  bzw.  Dimensionierung  bestimmter  Anlagenkomponenten  entspricht  nicht mehr  dem  Optimum  des  ausgebauten  Netzes,  womit    oft  Verschlechterungen  der  Energieeffizienz  einhergehen. Die Ursache dafür ist meist eine isolierte Betrachtung bei der Planung sowie dem Ausbau  von Anlagenkomponenten. Erweiterungen durch zusätzliche Wärmeerzeuger, Pufferspeicher oder Nah-  und  Fernwärmeverbraucher  werden  in  der  Auslegung  in  vielen  Fällen  ohne  Berücksichtigung  der  dynamischen  Effekte  auf  Basis  von  einfachen  Bilanzrechnungen  geplant  und  installiert.  Negative  Auswirkungen  auf  die  Effizienz,  Anlagenperformance-Kriterien,  Brennstoffverbrauch  und  Emissionen  werden sehr oft erst im Betrieb, manchmal sogar gar nicht bemerkt.

Das Projekt setzt sich vorrangig mit der Regelbarkeit des Gesamtsystems auseinander. Der derzeitige Stand der Technik bei biomassebetriebenen Fernwärmenetzen beruht auf einfacher, klassischer Mess-, Steuer  und  Regelungstechnik,    intelligente  bzw.  übergeordnete  Regelungssysteme  sind  kaum vorhanden. Es soll daher die Einbindung einer modelprädiktiven Regelung untersucht werden.

Projektverlauf

Ziel  des  Projekts  ist  die  nachhaltige  Effizienzsteigerung  von  Wärmenetzen  im  Verbund  mit Biomasseheizkraftwerken. Der Focus des Forschungsprojektes liegt bei der integralen Betrachtung des Wärmenetz-Gesamtsystems  Heizwerk-Netz-Verbraucher.  Das  konkrete    Ziel  ist  die  Erarbeitung eines intelligenten, modellbasierten Regelungskonzepts für Biomasse-Wärmenetze inklusive Validierung des Konzepts anhand des Biomasseheizwerk Großarl

Auf  Basis  von  im  Projekt  erstellten  physikalischen  Berechnungsmodellen  der  einzelnen Wärmenetzteilsysteme,  welche  sich  durch  Modulbauweise  an  unterschiedliche Kraftwerkswärmenetze anpassen  lassen,  werden  Regelungsstrategien  für  ein  intelligentes Wärmemanagement  entwickelt,  wobei  im  Projekt  entwicklete  Key  Performance  Indikatoren  (KPI‘s) ökonomische,  energetische  und ökologische  Gesichtspunkte  bewerten  sollen.  Auf  Basis  des modellbasierten  Regelungskonzepts  und  historischen  Prozessdaten  werden  die  optimalen Netzparameter  (Temperatur,  Durchfluss),    sowie  die   effizienteste Lastverteilung auf der Erzeugerseite bestimmt. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn es zu  Lastspitzen kommt bei denen bilanzmäßig mehr Wärme gebraucht wird als von den Biomassekesseln zur Verfügung gestellt werden kann.

Ergebnisse

Die  Erfahrungen  aus  diesem  Projekt  zeigten  die  Potentiale  und  Grenzen  einer  verbesserten Regelbarkeit  von  diesen  Heizwerken,  aufgrund von  automatisierungs-  und  vertragsrechtlichen  Hürden sowie den erforderlichen Kosten der hierfür notwendigen Umrüstungen der Übergabestationen. Um das volle  Potential  der Optimierungsmaßnahmen  nutzen  zu  können  sind  folglich  weiterführende Entwicklungs-  und  Umsetzungsprojekte  notwendig.  Im  Falle  des  Heizwerks  Großarl, wird derzeit  die Planung für einen größeren hydraulischen Umbau  vorgenommen, welcher im Jahr  2016  umgesetzt werden soll. Darin fließen wesentliche Ergebnisse des Projektes bioEPCS ein, welche speziell im Falle des Automatisierungsumbaus die Voraussetzungen für Folgeprojekte schaffen sollen. Aufbauend auf der übergreifenden Regelstrategie und den entwickelten Modellen und Diagnosealgorithmen wird im Zuge des Umbaus die Umsetzung der im Projekt erforschten Optimierungslösung angestrebt.

Steckbrief

Projektnummer
838627
Koordinator
VOIGT+WIPP Industrial Research GmbH
Projektleitung
Richard Wipp, wipp@voigt-wipp.com
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
06.2013 - 06.2015
Budget
308.813 €