Sensoroptimiertes Brennstoffmanagement und intelligenter Betrieb moderner Biomasseheizkraftwerke („iNIROB“)

Zum Projekt

Durch auslaufende EEG-Vergütungen und steigenden Kostendruck evaluieren viele Betreiber:innen bestehender Biomasseanlagen aktuell die Möglichkeit einer Flexibilisierung im Betrieb. Die wesentlichen Herausforderungen sind dabei

die hohe Trägheit der Feuerungen sowie
die großen Schwankungen insbesondere des Wassergehalts, sowohl durch jahreszeitliche Fluktuationen als auch
durch große Unterschiede zwischen einzelnen Brennstoffchargen.

Das Ziel dieses Projekts ist es, zeitgemäße, effiziente und alltagstaugliche Strategien für das Brennstoffmanagement und die flexible Betriebsführung zu entwickeln und zu demonstrieren. Der innovative technologische Ansatz dabei ist die Entwicklung verbesserter und intelligenter Sensorik in enger Kopplung mit einer adaptiven Prozessführung, um zusammen die ganze Prozesskette
am Standort abzudecken. Dadurch können das eingesetzte Brennstoffband erweitert, Emissionen gesenkt und die allgemeine Anlageneffizienz gesteigert werden.

Untersuchung der Brennstoffqualität mittels Nahinfrarot-Sensorik im Laborumfeld

Ziele

Problemstellung und Gesamtziel des Vorhabens

Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, zeitgemäße, effiziente und alltagstaugliche Strategien für das Brennstoffmanagement und die flexible Betriebsführung von Biomasseheizkraftwerken zu entwickeln und zu demonstrieren. Dadurch können sowohl das eingesetzte Brennstoffspektrum erweitert, Emissionen gesenkt, jahreszeitliche Gegebenheiten berücksichtigt und die allgemeine Anlageneffizienz gesteigert werden. Der innovative technologische Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Kombination intelligenter Sensor- und Messtechnik, datenbasierter Analysen und Prognosen sowie klassischer Feuerungs- und Prozesstechnik. Diese Maßnahmen werden im Projektverlauf in einem Biomasseheizkraftwerk implementiert, erprobt und demonstriert.

Die zwei wesentlichen Herausforderungen im Bereich der optimierten Betriebsführung von Biomassefeuerungen sind

einerseits die vergleichsweise große Trägheit von Biomassefeuerungen, welche im Betrieb oftmals zu spät reagieren, um Lastanforderungen zuverlässig zu erreichen und somit klassischerweise oft über wenig Möglichkeiten zur „Just-in-Time“-Produktion des Wärmebedarfs verfügen, sondern reaktiv auf Signale aus dem nachgelagerten Fernwärmenetz reagieren

sowie

die großen Schwankungen im eingesetzten Brennstoffband, sowohl in Hinblick auf jahreszeitliche Fluktuationen, insbesondere des Wassergehalts, als auch bezüglich großer Unterschiede zwischen einzelnen Chargen verschiedener Qualitäten.

Wissenschaftliche und/oder technische Projektziele

Um dieses Gesamtziel zu erreichen, sind zwei grundsätzliche Herangehensweisen vorgesehen, die – in ihrer Verknüpfung – gemeinsam dazu beitragen, das Projektziel zu erreichen.

Der erste Aspekt zielt dabei auf die alltagstaugliche und möglichst instantane Bestimmung von Qualitätsparametern des eingesetzten Brennstoffs – insbesondere des Wassergehalts – sowie die Verknüpfung der dadurch gewonnenen Informationen mit konkreten vor Ort befindlichen Brennstoffen im Lager des Kraftwerks.
Der zweite Punkt adressiert die systematische Betrachtung der jeweiligen Auswirkungen des eingesetzten Brennstoffes bzw. deren Schwankungen auf die konkreten Bedingungen innerhalb der Brennkammer und die Interaktion des Brennstoffes mit der übergeordneten Anlagensteuerung. Dazu muss der Einfluss des Brennstoffes von anderen Faktoren (wie z.B. den Änderungen innerhalb der Brennkammer durch Lastwechselvorgänge) isoliert werden.

In Kombination ermöglichen diese Maßnahmen eine Berücksichtigung der Auswirkungen schwankender Brennstoffqualitäten entlang der gesamten Prozesskette von Anlieferung, Lagerung, Brennstoffkonfektionierung und schließlich der Verbrennung. Dadurch können auf allen wesentlichen Ebenen konkrete Maßnahmen und Techniken entwickelt und demonstriert werden, um die Effizienz von der HKWs zu steigern und gleichzeitig deren Brennstoffband hinsichtlich günstiger Fraktionen zu erweitern. Die prinzipielle Vorgehensweise zur Erreichung der technischen Projektziele – die Entwicklung optimierter Brennstofflagerlogistik, echtzeitfähiger Brennstoffanalytik und angepasster Verbrennungsführung – ist im Folgenden erläutert, die konkrete Umsetzung wird im Abschnitt zum Arbeitsplan vorgestellt. Abbildung 1 zeigt den grundsätzlichen Workflow.

NIR-Spektren

Arbeitspakete

Untersuchung der Brennstoffqualität mittels Nahinfrarot-Sensorik im Laborumfeld
Brennstoffumsetzungsmodell
Erfassung der Brennstofflogistik am Kraftwerksstandort Bad Mergentheim mittels Status-Quo-Betrachtung und durch Einsatz von Mikrosensorik
Implementierung der Sensorik und Modelle am Kraftwerksstandort und Erprobung im Testumfeld
Entwicklung und Demonstration des optimierten Brennstoffhandlings entlang der gesamten Nutzungskette am Kraftwerk
Scale-Down, vorläufige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Business-Case-Analyse