Nachhaltig und effizient

Ohne Energie läuft nichts. Deshalb ist es umso wichtiger, nachhaltige Energiequellen zu etablieren, die möglichst effizient arbeiten. Mit modellbasierten Regelungskonzepten können nun auch kleine und mittelgroße Biomasseverbrennungsanlagen das Maximum aus ihren Anlagen herausholen.

Energie zählt zu unseren wertvollsten Gütern. Die vergangenen Monate haben gezeigt, dass Energie vielleicht sogar unser wertvollstes Gut ist. Bei der Suche nach einer Lösung für die horrend steigenden Energiekosten und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, rückt erneuerbare Energie in den Fokus. Die verschiedenen nachhaltigen Energiequellen schonen nicht nur unsere Umwelt, sondern sind auch weltweit in unterschiedlichen Formen verfügbar.

Neben Wind-, Wasser- und Sonnenkraft zählt das Verbrennen von Biomasse zu den nachhaltigen Formen der Energiegewinnung. Besonders wichtig beim Erzeugen von Energie aus Biomasse ist ein hoher Wirkungsgrad der Anlagen – also jener Anteil der zugeführten Energie, der in nutzbringende Energie umgewandelt wird. Darüber hinaus sind die Betreiber dazu verpflichtet, die ausgestoßenen Emissionen zu verringern. Um das zu erreichen, müssen sie den Verbrennungsprozess optimal auf das Material abstimmen.

Genau an diesem Punkt setzt das österreichische Unternehmen Seamtec an, ein Spezialist für innovative Regelungsverfahren. „Wir unterstützen Betreiber von Nahwärmekraftwerken dabei, ihre Anlagen zu optimieren und den Wirkungsgrad zu steigern“, erklärt Seamtec-Unternehmensgründer und Geschäftsführer Peter Reiter. „Dafür beschäftigen wir uns mit der gesamten elektro- und steuerungstechnischen Anlage, dem Heizkessel sowie der Verbrennungs- und Netzregelung. Zudem binden wir auch Kundenanlagen über individuelle Fernwirktechnik ins Netz ein.“

Besonders in kleineren Biomasseanlagen werden nach wie vor PID-Regler eingesetzt, um Druck oder Temperatur zu regeln. Die Einstellregeln werden aufgrund von Annahmen grob ermittelt. „Die daraus resultierenden Regelkreise laufen für gewöhnlich zwar stabil, aber nicht optimal“, sagt Reiter. „Wie der Brennprozess abläuft, hängt von vielen verschiedenen Variablen ab, die sich auch noch gegenseitig beeinflussen. Das lässt sich mit einem PID-Regler schlicht und einfach nicht abbilden.“

Auf der Suche nach neuen Lösungen, um die Effizienz von Biomasseverbrennungsanlagen weiter zu steigern, orientierte sich Seamtec daher an Großanlagen zur Verbrennung von Biomasse. „Dort wird bereits sehr erfolgreich modellbasierte Regelung eingesetzt“, sagt Reiter.

Bei einem multivariaten System, wie Verbrennungsanlagen, lassen sich mit klassischen PID-Reglern nur mittelmäßige Ergebnisse erzielen. „Die Ist-Werte schwanken und weichen immer wieder signifikant von den gewünschten Soll-Werten ab. Daher müssen die Sollwerte sehr konservativ eingestellt werden“, erklärt Reiter. Bei der modellbasierten Regelung gibt es nur wenig Abweichungen zwischen Soll und Ist. „Daher können die Sollwerte wesentlich näher an den Systemgrenzen gewählt werden und der Prozess wird deutlich effizienter“, so Reiter.

Allerdings benötigt eine modellbasierte Regelung für eine Anlage üblicherweise mehr Zeit und blockiert mehr Entwickler-Ressourcen als eine Lösung mit PID-Reglern. Bei kleineren Anlagen hat sich dieser erhebliche Zusatzaufwand in der Vergangenheit nicht gerechnet. „Unser Ziel war es, einen Weg zu finden, die modellbasierte Regelung auch für kleinere Betriebe mit einigen hundert Kilowatt bis zu ein paar Megawatt Leistung kosteneffizient umzusetzen“, sagt Reiter.

Als Partner für die Umsetzung dieser Idee entschied sich Seamtec für B&R. „Wir arbeiten bereits seit 2009 sehr erfolgreich mit B&R zusammen und haben eine langjährige und sehr enge Geschäftsbeziehung. Bei gemeinsamen Gesprächen über unser Vorhaben hat sich schnell gezeigt, dass B&R mit MATLAB/Simulink ein Tool eingebunden hat, das genau unseren Anforderungen entspricht“, erzählt Reiter. „Somit war für uns sehr schnell klar, dass wir auch mit diesem Projekt bei B&R an der richtigen Adresse sind.“

Anhand eines Testsystems bauten Entwickler beider Unternehmen gemeinsam das Regelungskonzept für Seamtec auf. „Der Weg zum fertigen Konzept war nicht immer einfach, aber B&R hat uns bei sämtlichen Belangen unterstützt und wir konnten alle Stolpersteine beseitigen. Obwohl Seamtec ein kleines Unternehmen ist, erhielten wir erstklassigen Support und konnten so immer schnell Lösungen finden“, sagt Reiter.

Das Regelungskonzept mit MATLAB/Simulink basiert auf einzelnen Modulen, die alle notwendigen Prozesse für Biomasseverbrennungsanlagen abdecken. Die Entwickler von Seamtec beschäftigen sich dazu genau mit dem Prozessverhalten einer Anlage und bilden dieses möglichst realitätsnah in Simulink ab. Dadurch können sie einen entsprechenden Regelungsalgorithmus für die Anlage entwerfen und ihn in der Simulation testen und anpassen.

Das modulare Steuerungssystem von Seamtec basiert auf B&R-Hard- und Software. Das B&R-Engineeringtool Automation Studio verfügt mit B&R-Simulink-Target über eine integrierte Schnittstelle, mit der die Entwickler den Regelungsalgorithmus ganz einfach per Knopfdruck importieren können.

Mit der modellbasierten Regelung lassen sich sämtliche Tests bereits in der Simulation durchführen und Fehler sehr früh erkennen. Tests am realen System, die Beschädigungen der Anlage herbeiführen können, sind nicht mehr notwendig. Auch sämtliche Parameter lassen sich so optimal voreinstellen. Zudem verringert sich der Programmieraufwand durch die automatische Codegenerierung erheblich.

Welche neuen Möglichkeiten sich mit modellbasierter Regelung für kleinere Heizwerke ergeben, hat Seamtec unter anderem für ein Nahwärmeheizwerk mit drei parallellaufenden Netzpumpen gezeigt. „Wir haben für die Pumpen eine Zusammenschaltungsstrategie implementiert, die abhängig vom optimalen Betriebspunkt eine, zwei oder drei Pumpen einschaltet“, erklärt Reiter. „Dadurch konnten wir den höchsten Wirkungsgrad dieser Anlage im entsprechenden Bereich erzielen, bei zeitgleich minimalen Energieverlusten.“

In einem nächsten Schritt möchte Seamtec die modellbasierte Regelung auch für andere nachhaltige Methoden der Energiegewinnung nutzen. „Wir erhalten zum Beispiel aus dem Bereich Wasserkraft viele interessante Anfragen, für die sich modellbasierte Regelungskonzepte sehr gut eigenen würden“, sagt Reiter.

Nachhaltigkeit und Lösungen für einen sorgsamem Umgang mit Ressourcen stehen für Seamtec seit der Unternehmensgründung 2009 an erster Stelle. „Unsere Erde, die Natur, die Region und die Menschen liegen uns am Herzen. Nachhaltigkeit verlangt nach Intelligenz und Know-how. Das ist in unseren Unternehmenswerten verankert und motiviert uns ständig, Wege zu finden, Anlagen für nachhaltige Energiegewinnung zu optimieren“, sagt Reiter.

Autor: Carola Schwankner, Unternehmensredakteurin bei B&R