Digitalisierung und Biomassefeuerung: Geht nicht? „Geht doch!“, sagen Forschende vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht. Im kürzlich gestarteten Projekt DigitalFire wollen sie die Digitalisierung von Anlagen zur Biomassefeuerung ausschöpfen.
„Entlang der gesamten Prozesskette werden wir Module entwickeln und im Realbetrieb testen, die eine Fülle an zusätzlichen Daten erzeugen“, erklärt Projektleiter Martin Meiller. „Diese können dann genutzt werden, um die Anlagen effizienter und damit wirtschaftlicher zu machen.“
Hintergrund zum Projekt
In Deutschland existieren circa 900.000 Biomasse-Kesselanlagen und circa 700 Biomasse-Heizkraftwerke. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müssen diese Anlagen mehr und mehr in der Lage sein, auch Brennstoffe niedrigerer Qualität inklusive biogener Reststoffe verarbeiten zu können.
Die meisten Systeme sind dazu zwar grundsätzlich imstande und verfügen auch über entsprechende Programme für Einsatzstoffe wie Pellets, Hackschnitzel oder Späne. Für Brennstoffe wie Waldrestholz oder biogene Reststoffe müssen die Parameter aber manuell eingestellt werden. Das ist aufwendig und erfordert viel Erfahrung.
Am Ende geht es darum, die Verbrennungsregelung so einzustellen, dass ein stabiler Verbrennungsprozess mit hoher Ausbrandqualität von Feststoff und Gasphase und damit ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Fehler bei der Einstellung der Feuerung führen zu höheren Emissionen und im schlimmsten Fall zu höherem Verschleiß mit Wartungsfolgen und Ausfallzeiten. Hier kommt die Digitaltechnik ins Spiel: Wenn es gelingt, durch Fortschritte in der Steuerungs- und Regelungstechnik niedrigere Brennstoffqualitäten bei gleichbleibender Leistung zu fahren, stellt sich schnell ein ökonomischer Nutzen ein.
Vorgehensweise im Projekt
Um dieses Ziel zu erreichen, werden im DitigalFire-Projekt zunächst verschiedene Sensoren, „Soft“-Sensoren und Datenerfassungsysteme installiert. Die darüber erzeugten Daten, etwa zum Heizwert, der Brennstoffzusammensetzung und -qualität, Rosttemperatur und zum Anlagenzustand, werden gesammelt, aufbereitet und visualisiert.
Anschließend kommen Methoden des Machine Learning beziehungsweise künstliche neuronale Netze zum Einsatz, um die Daten auszuwerten und nutzbar zu machen, beispielsweise für eine automatisierte Einstellung der optimalen Feuerungsparameter oder Warnungen vor kritischen Anlagenzuständen. Durch ein benutzerfreundliches Frontend – auch für mobile Endgeräte – sollen diese Informationen dem Betreiber immer direkt zur Verfügung stehen.
Feuerungen in kleineren Leistungsklassen
Normalerweise wird eine solch durchgängige Prozessüberwachung der Feuerung nur in großen Biomasse-Heizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen eingesetzt, vor allem aus Kostengründen. Im Projekt sollen diese Funktionen nun auch für Feuerungen in kleineren Leistungsklassen verfügbar gemacht werden. Das umfasst unter anderem Kesselanlagen und kleinere Biomasse-Kraftwerke von 100 kW bis zu 20 MW Feuerungswärmeleistung.
Damit die Technik bezahlbar bleibt, machen sich die Fraunhofer-Forscher sinkende Kosten für elektrotechnische Komponenten, Sensorik und Softwarelösungen zunutze. Meiller: „Wir werden uns einerseits marktverfügbare Hardware, also Sensoren, Messkomponenten oder Kamerasysteme ansehen, andererseits auch Open-Source-Software und KI-Bibliotheken, beispielsweise für optische Bilderkennung.“ Dann wird geprüft, was sich für Biomassefeuerungen verwenden lässt und welche Modifikationen notwendig sind. „Insgesamt hoffen wir, dadurch die Investitionen für die Betreiber gering zu halten, um schnell in die wirtschaftliche Gewinnzone zu kommen“, sagt Meiller.
Partner und Förderung
Als Projektpartner ist das Unternehmen BFAutomation dabei. Es unterstützt die Forschenden bei der Entwicklung und Einbindung der neuen Module. Den Aufbau und die Einbindung in die Serverinfrastruktur, die Datenauswertung sowie die Anwendungsentwicklung führen IT-Spezialisten der Umsicht-Standorte in Oberhausen und Sulzbach-Rosenberg durch.
DigitalFire wird über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) finanziert und hat ein Volumen von 814.402 Euro. Das Kick-off-Meeting Anfang September 2019 markierte den Projektstart.
