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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.