Jonas Schulz Christopher Zemann Markus Gölles

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1 Effizienzsteigerung und Optimierung des Zusammenspiels von Scheitholzkessel, Pufferspeicher und Solaranlage durch die Verwendung mathematischer Modelle Jonas Schulz Christopher Zemann Markus Gölles

2 Ausgangssituation bei Heizsystemen mit Scheitholzkessel und Pufferspeicher Wesentliche Einschränkung bei Scheitholzkesseln gegenüber Hackgut- und Pellet-Feuerungen resultieren aus fehlendem Einfluss auf die Brennstoffzufuhr Qualität der Verbrennung stark abhängig von Brennstoffzufuhr Folie 2 Unterlagerte Feuerungsregelung für den Abbrand des Holzes im Scheitholzkessel Verbesserungspotential bei Zusammenspiel von Scheitholzkessel, Benutzerverhalten, Solaranlage und Pufferspeicher (Lastmanagement) Solareintrag teilweise nicht nutzbar Teilweise Drosselung des Abbrandes erforderlich Übergeordnete Systemregelung für das Zusammenspiel von Scheitholzkessel, Pufferspeicher und Solaranlage

3 Folie 3 Modellbasiertes Regelungskonzept - Motivation Signifikante Verbesserungen von automatisch beschickten Hackgutfeuerungen mit einer Feuerungsregelung basierend auf mathematischen Modellen erzielt Das Wissen in Form von einfachen mathematischen Modellen über das zeitliche dynamische Verhalten der einzelnen Komponenten des Heizsystems und deren Interaktion wird genutzt zur: Regelung Konzept scheitert derzeit am fehlenden Vorhandensein mathematischer Modelle Ø Entwicklung geeigneter Modelle Prädiktion Zustands- beobachtung

4 Folie 4 Modelle als Basis einer unterlagerten modellbasierten Feuerungsregelung

5 Folie 5 Einfache mathematische Modelle als Basis einer unterlagerten modellbasierten Feuerungsregelung (1) Brennstoffbett: Abbrandverhalten des Scheitholzes: Verdampfung des Wassers, Umsetzung des trockenen Brennstoffs und Holzkohlenausbrand (2) Verbrennung: Vollständige Verbrennung des abgebauten trockenen Brennstoffs (3) Schamott: thermische Speicherwirkung des Schamotts (4) Wärmeübertrager: Wärmeübertragung vom heißen Rauchgas auf das Wasser (5) Luftzufuhr Primär- und Sekundärluftzufuhr

6 Folie 6 Beispielhaftes Ergebnis für das Teilmodell Brennstoffbett

7 Folie 7 Brennstoffbett Modellierung des Abbrandverhaltens von Scheitholz (I) Folgende sequenzielle Reaktionen werden betrachtet: trockene Biomasse+ O 2 Kohle+5lüchtige Bestandteile Kohle+ O 2 CO 2,CO (+Asche+geringe andere gasförmige Produkte) Basiert auf der Massenbilanz: Masse an Brennstoff am Bett m fb = unverbrannter trockener Brennstoff m ur + Masse an Wasser m w + Masse an Holzkohle m char Umsetzung der Verdampftes trockenen Biomasse Wasser Holzkohlenausbrand dm fb /dt = dm ur /dt + dm w /dt + dm char /dt

8 Folie 8 Brennstoffbett Modellierung des Abbrandverhaltens von Scheitholz (II) Ansatz für den Umsetzung der trockenen Biomasse dm ur /dt = c 1 m ur f 1 ( m PA ) Ansatz für den Holzkohlenausbrand: dm char /dt =α c 1 m ur f 1 ( m PA ) c 2 m char f 2 ( m PA ) Ansatz für das Verdampfte Wasser: dm w /dt = c 3 m w

9 Folie 9 Brennstoffbett Ergebnisse aus dem Abbrand eines Batches (50kg Buchenholz, w H2O =15%)

10 Folie 10 Modelle als Basis einer überlagerten modellbasierten Systemregelung

11 Folie 11 Einfache mathematische Modelle als Basis einer überlagerten modellbasierten Systemregelung

12 Folie 12 Beispielhafte Ergebnisse für die Teilmodelle 1. Pufferspeicher 2. Prognose des Wärmebedarfs

13 Folie 13 Prädiktionsmodell für einfachen Pufferspeicher Ziel Einfache Berechnung der nutzbaren gespeicherten Energie im Pufferspeicher Betrachtung als Schichtspeicher Annahme Einspeisung mit geforderter Vorlauftemperatur Thermokline Trennschicht der Temperaturbereiche Modellierung mit 4 Zustandsgrößen Temperatur der oberen Schicht T O Temperatur der unteren Schicht T U Position der Thermokline h TK Zeitliche Aufweitung der Thermokline δ TK

14 Folie 14 Beispielhaftes Ergebnis für Prognose des Wärmebedarfs

15 Folie 15 Zusammenfassung und Ausblick

16 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Effizienzsteigerung und Optimierung des Zusammenspiels von Scheitholzkessel, Pufferspeicher und Solaranlage durch die Verwendung mathematischer Modelle Jonas Schulz 1,2, Christopher Zemann 1,2, Markus Gölles 1 1 BIOENERGY GmbH Inffeldgasse 21b, A 8010 Graz 2 TU Graz Institut für Regelungs- und Automatisierungstechnik Inffeldgasse 21b, A 8010 Graz

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