Low-Emission Hackgutfeuerung auf Basis einer modellbasierten Regelung

Trotz ausgereifter Feuerungstechnologie können die am Prüfstand erzielten niedrigen Emissionen und hohen Wirkungsgrade von Biomasse-Kleinfeuerungen im Praxisbetrieb nur unzureichend umgesetzt werden. Grund dafür sind in erster Linie die derzeit angewendeten Regelungskonzepte, die nicht dazu in der Lage sind, Vorgabewerte für z.B. die Luftstufungseinstellungen einzuhalten und auch bei Lastwechsel- und Teillastphasen optimale Rahmenbedingungen für einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb bei niedrigen Emissionen sicherzustellen. Aus diesem Grund soll im Rahmen des beantragten Projektes, in einer Kooperation der BIOS BIONERGIESYSTEME GmbH mit der BIOENERGY 2020+ GmbH eine neue Low-Emission-Feuerungstechnologie für Hackgutfeuerungen im kleinen Leistungsbereich (≤100 kW) entwickelt werden. Diese baut auf einer, dem Stand der Technik entsprechenden, modernen, Feuerung auf, an der eine extreme Luftstufungsstrategie mit Hilfe einer modellbasierten Regelung umgesetzt wird. Modellbasierte Regelungskonzepte berücksichtigen die nicht linearen und stark verkoppelten Zusammenhänge in Biomassefeuerungen explizit und erlauben dadurch eine deutlich höhere Regelgenauigkeit sowie raschere und präzisere Reaktionen auf Prozessänderungen wie Lastwechsel oder Wechsel der Brennstoffqualität. Aus Vorarbeiten von BIOS ist bekannt, dass moderne Biomasse-Kleinfeuerungen zumeist bei Primärverbrennungsluftverhältnissen von 0,7 bis 0,9 (bei Nennlast) und mehr als 1 bei Teillast betrieben werden, obwohl, wie Untersuchungen von BIOS zeigten, Primärluftverhältnisse von 0,4 zu deutlich niedrigeren Schadstoffemissionen führen. Mit Hilfe der modellbasierten Regelung soll es nun möglich gemacht werden, diese optimierten extremen Luftstufungseinstellungen auch im Praxisbetrieb (das heißt inklusive aller Voll- und Teillast- sowie Lastwechselphasen) dauerhaft umzusetzen. Des Weiteren soll die anlagenbaureihenspezifische CO-Lambda-Charakteristik in der Regelung berücksichtigt werden. Kombiniert mit der höheren Regelgenauigkeit wird dadurch ermöglicht, immer den niedrigsten, für den aktuellen Zustand notwendigen, Restsauerstoffgehalt im Rauchgas für einen vollständigen Ausbrand einzustellen, und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Außerdem soll durch die modellbasierte Regelung auch ein kontinuierlicher Teillastbetrieb anstatt des in konventionellen Anlagen oft vorherrschenden Stop&Go-Betriebs realisiert werden. Durch diese Maßnahme kann der Jahresnutzungsgrad entsprechend angehoben und zusätzlich der Materialverschleiß durch die geringere Anzahl von An- und Abfahrvorgängen reduziert werden. Das Projekt baut auf einem von den NE2020 geförderten Vorprojekt auf, in dem die Grundlagen einer modellbasierten Regelung für Biomasse-Kleinfeuerungen erarbeitet wurden und zielt nun darauf ab, diese Regelung speziell bzgl. Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung weiter zu entwickeln. Die Förderwerber gehen davon aus, dass mit der neuen Technologie die CO-, org.C-, Feinstaub- und Gesamtstaubemissionen von Hackgut-Kleinfeuerungen um 50% und die NOx-Emissionen um 30% gesenkt werden können (bezogen auf Tagesmittelwerte im Praxisbetrieb). Gleichzeitig soll eine Jahresnutzungs¬gradsteigerung von 10% (absolut) erzielt werden.