Frühwarnsystem für Holz-Heizkessel

Forscher am Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP haben gemeinsam mit dem Heizungshersteller HDG Bavaria und dem Sensorspezialisten Lamtec ein System zur Früherkennung von Bedienfehlern an Biomasse-Kesselanlagen entwickelt. Das VREM genannte System basiert u. a. auf einer Überwachungssoftware.

Hintergrund des Projektes ist, dass es zwar normative und gesetzgeberische Anforderungen an Biomasse-Verbrennungstechniken und Brennstoffe gibt, um einen sauberen Betrieb zu gewährleisten. Außer Acht gelassen wird dabei aber der Nutzer, obwohl dieser einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität der Verbrennung nimmt, z. B. über die Auswahl des Brennstoffes.

Herzstück VREM-System
Bei dem von den Stuttgarter Forschern entwickelten VREM-System (VREM = Verbrennungsregelungs- und Emissionsmonitoringsystem) handelt es sich um eine Software, die für drei Hauptaufgaben entwickelt wurde:
Sie soll den Verbrennungsprozess regelungstechnisch verbessern, und zwar unabhängig von den eingesetzten Brennstoffen.
Betrieb und Verbrennungsprozess sollen permanent überwacht und bewertet werden, sodass Fehlbedienungen z. B. aufgrund des Einsatzes falscher Brennstoffe oder technische Fehler erkannt werden.
Die kontinuierliche Überwachung der Emissionen bzw. Bewertung der Verbrennungsqualität anhand von Mess­daten, die eine O₂/CO_te-Sonde liefert.

Die während des Betriebs erfassten Daten werden entweder dezentral in jedem Heizkessel oder zentral auf einem speziellen Server/Cloud gespeichert. Sollten technische Fehler oder Regelabweichungen auftreten, werden diese automatisch dokumentiert und per E-Mail oder SMS gemeldet. Die Fehler können dann vom Betreiber oder ggf. Fachpersonal behoben werden. Die sogenannte Emissionskantenregelung – eine technische Methode zur Verbrennungsoptimierung soll bewirken, dass Wirkungsgrade im praktischen Betrieb von 94 % und mehr erreicht werden – ggf. auch über die Korrektur von Betreiber- und Beschickungsverhalten.

Sonde liefert die Informationen
Das VREM-System holt sich seine Informationen über eine O₂/CO_e-Sonde (KS1D-Sonde), mit der sowohl der Sauerstoffgehalt als auch die Konzentrationen an nicht verbrannten Schadstoffen als CO-Äquivalente (CO_e) im Abgas während des Betriebs ermittelt und entsprechende Signale erzeugt werden.
Bei den zunächst auf dem Prüfstand durchgeführten Untersuchungen simulierten die Forscher unterschiedliche praxisrelevante Betriebsstörungen, wobei sie die Algorithmen für die Emissionsüberwachung, Betriebsbewertung und die Ursachenanalysen schrieben und anschließend beim Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe und Betriebsfälle erprobten.
Bei der Emissionsüberwachung ermittelten sie hauptsächlich die Konzentrationen an nicht verbrannten Abgasbestandteilen (als CO-Äquivalent) während des Betriebs, was sie in die Lage versetzte, die Verbrennung qualitativ und quantitativ zu bewerten.

Präziser und besser
Wärmeverluste entstehen über nicht verbrannte Bestandteile oder über freie Wärme im Abgas. Die VREM-Regelung des Verbrennungsprozesses ermöglicht unterm Strich eine präzisere Luftzufuhr, welche wiederum eine Verbesserung der Verbrennung bewirkt. Nach Angabe der Projektteilnehmer konnten nicht nur in erheblichem Maße schädliche Emissionen vermieden, sondern auch der Wirkungsgrad im Praxisbetrieb auf über 93 % erhöht werden.

Autor: Dittmar Koop, Journalist für Erneuerbare Energien

Bilder: IBP

Nachgefragt

Mohammad Aleysa ist Gruppenleiter für Verbrennungs- und Umweltschutztechnik am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP. Der Forscher hat sich in der Vergangenheit immer wieder als Erfinder im Bereich Biomasse-Feuerungstechnik hervorgetan.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wann wird das VREM-System marktfähig sein und welcher Entwicklung bedarf es noch bis dahin?
Mohammad Aleysa: Eine offene Baustelle für den Einsatz des VREM-Systems stellt die Entwicklung einer kompakten und kostengünstigen Elektronik für den Einsatz der O₂/CO_e-Sonde in Biomasseheizkesseln dar, welche im Rahmen eines laufenden Projekts mit der Firma Sabo Elektronik GmbH entwickelt wird. Nach der Entwicklung der kompakten Elektronik ist in der Planung, die komplette Regelung des VREM-Systems zu entwickeln und in der Praxis anhand von realen Anlagen über mindestens zwei Heizperioden zu testen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Für welche Anlagenleistungen wird das System interessant sein?
Mohammad Aleysa: VREM lässt sich unabhängig von der thermischen Leistung in allen Biomasseheizkesseln verwendet. Es gilt der Grundsatz: Je größer die Leistung, desto wirtschaftlicher der Einsatz.

IKZ-HAUSTECHNIK: Welchen ökonomischen und ökologischen Nutzwert versprechen Sie sich für Biomassefeuerungen?
Mohammad Aleysa: Durch den Einsatz des VREM-Systems lässt sich der Wirkungsgrad im Praxisbetrieb um mindestens 7 % verbessern, wobei entsprechende Mengen an Brennstoffen und CO₂ eingespart werden können. Je nach der thermischen Leistung vom Biomasseheizkessel ist zu erwarten, dass sich das System nach ca. drei Jahren amortisiert. Dadurch wird das System nicht nur für die Hersteller, sondern auch für die Endverbraucher interessant.

IKZ-HAUSTECHNIK: Ist das VREM-System künstliche Intelligenz? Was genau kann es im laufenden Betrieb dazu lernen?
Mohammad Aleysa: Die Früherkennung von Betriebsstörungen wie z. B. bei der Anwendung von sehr feuchten Brennstoffen und die dazugehörigen Analysen werden durch die Algorithmen des Systems erkannt, wobei entsprechende Regelmanöver vorgenommen werden, um erhöhte Emissionen und ineffiziente Verbrennung zu vermeiden. Ein essenzieller Baustein des VREM-Systems ist die Früherkennung des tatsächlichen Wärmebedarfs und die schnelle Anpassung der thermischen Leistung, bevor unnötigerweise viel Wärme produziert und zwischengespeichert wird.