Energiemanagement in einer Holzverarbeitungsanlage mit angeschlossener Biogasanlage

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1 Energiemanagement in einer Holzverarbeitungsanlage mit angeschlossener Biogasanlage Die Firma Dietz Automation & Umwelttechnik ist ein seit 1997 im Bereich der Automatisierungstechnik arbeitendes Unternehmen. In den beiden letzten Jahren wurden verstärkt Entwicklungen für energetisch optimierte Anlagen durchgeführt. In 2012 wurden sowohl im Bereich der elektrischen Energie als auch im Bereich der thermischen Energie erste Projekte mit entsprechenden Energiemanagementanwendungen realisiert. In dieser Publikation beschränken wir uns auf die Umsetzung des Systems im Bereich der elektrischen Energie. Realisiert wurde das System in einer Holzverarbeitungsanlage mit angebundener Biogasanlage. Ziel ist es ein zukunftsweisendes Versorgungssystem und eine Optimierung des elektrischen Energieverbrauchs sowie eine wesentliche Reduzierung der Beschaffungskosten zu erreichen. Hintergrund: Für Unternehmen, die ein Energiemanagement bei sich implementieren wollen, ist die DIN EN ISO herausgegeben worden. Sie ersetzt seit April 2012 die DIN EN In ihr werden die notwendigen Anforderungen und Begriffe erklärt sowie ein grundlegender Implementierungsablauf aufgezeigt, Die typischen Aufgaben der Automatisierungstechnik bieten für die Umsetzung der DIN die Grundlagen wie Überwachung, Messung und Analyse sowie Erfassen und Erkennen von Nichtkonformitäten, Korrekturen, Korrektur- und Vorbeugungsmaßnahmen Mit Hilfe des zu realisierenden Energiemanagement-Systems werden die benötigten energetischen Größen gemessen und Datenspeichern zugeführt. Die hierfür wesentlichen Bausteine eines Energiemanagementsystems sind daher die dafür notwendige messtechnische Ausrüstung, EDV- und Netzwerkkomponenten sowie eine entsprechende, vorbereitende Betriebsablaufplanung mit dem Verfahrensingenieur oder Betreiber. Dies ist das Marktsegment in dem offensichtlich wesentliche Einsparungen bei den Betriebskosten zu erreichen sind und die Dietz Automation & Umwelttechnik bietet hierfür einzelne Komponenten wie Messgeräte, Übertragungstechnik und Leit- und Analysesysteme sowie die dazu notwendige Planung und Installation als Dienstleistung an. Stand vor Umsetzung: Vor der Installation eines Managementsystems sind die Erfassung des Istzustandes und eine Rentabilitätsermittlung mit dem Kunden notwendig Hierzu werden im ersten Schritt die Verbrauchsdaten sowie die Bezugskosten der elektrischen Energie ermittelt. Parallel dazu werden die Verfahrensabläufe in der Produktion mit Verfahrensschema und Ablaufdiagrammen dargestellt und beschrieben. Diese Daten bieten die Basis für eine erste Rentabilitätsbetrachtung und die Basis für den weiteren Entscheidungsprozess. Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

2 Vorgehen in der Anlage: Die mit einem mobilen Effektivmessgerätt ermittelten Leistungswerte werden in Abhängigkeit von den in den verschiedenenn Prozessphasen aktiven Aggregaten jeweilss berücksichtigt und mit parallel bereits installiertenn Leistungsmessungenn in Teilanlagen verglichen. (Siehe farbliche Markierungenn in der Erfassungstabelle). Abbildung 1: Tabelle für die Erfassung der messtechnisch ermittelten Verbrauchsdaten in Abhängigkeit der Prozessabläufee ( wichtigerr Bestandteil für das geplante Energiemanagementsystem) Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

3 Das Berechnungsmodell: Nach der Erfassung erfolgt die Umsetzung in ein Berechnungsmodell. Dazu werden zunächst die untersuchten Aggregate einer Kategorisierung unterzogen. Sie bildet die Grundlage, mit der ein Berechnungsmodell erstellt wird und um zu ermitteln, zu welchen Zeitpunkten mit welchem Verbrauch gerechnet werden kann. Im einfachsten Fall werden die Verbraucher hier zwei Gruppen unterteilt: Basisverbraucher, die eine Grundlast bedeuten und variable Verbraucher mit unterschiedlichen Betriebszeiten. Anschließend erfolgt die Erarbeitung des Berechnungsmodells mit zunehmendem Detaillierungsgrad. Dabei werden zunächst die vorhandenen Prozesse mit den beteiligten Aggregaten definiert und in einen zeitlichen Ablauf (Phasenbildung) gebracht. Darauf basierend wird ein vorläufiges Model erstellt, welches erste Leistungsdaten liefert. Danach werden in einem weiteren Schritt innerhalb eines definierten Zeitraumes die genauen Prozessabläufe integriert, sodass mit den erfassten Verbrauchsdaten der Aggregate konkrete Leistungswerte für festgelegte Zeitpunkte in dem betrachteten Intervall zur Verfügung stehen. Diese zeitlich zugeordneten Verbrauchsdaten werden nun in prozessverträgliche zeitliche Abfolgen gebracht. Abbildung 2: zeitliche Abfolgen von Prozessphasen Neben voneinander abhängigen Prozessphasen, die meist in zusammenhängenden Produktionsabläufen begründet sind, gibt es in der Gesamtanlage oder an dem Standort unabhängige Prozesse welche unabhängig voneinander ablaufen können und für eine gleichmäßige Energieabnahme nun wünschenswerterweise voneinander abhängig gesteuert werden können. Für eine spätere Programmierung der neu geplanten Prozessabläufe werden Flussdiagramme erstellt. Gleichzeitig sind mit diesem Programmierwerkzeug schon konkrete Umsetzungen für das zu schreibende Programm zu erkennen und ermöglichen es den Programmierern, die durchgeführten Maßnahmen bei späteren Eingriffen besser nachvollziehen zu können Abbildung 3: Beispiel eines IST Flussdiagramms (Einzelprozess, von anderen Prozessen unabhängig) Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

4 Durch die erfassten und voneinander unabhängigen Einzelprozessen ergibt sich nun ein SOLL Zustand mit optimiertem Energieverbrauch und geringen Energiespitzen. Abbildung 4: Beispiel eines SOLL Flussdiagramms (Einzelprozess, von anderen Prozessen abhängig) Erstellung des theoretischen Modells: Die Erkenntnisse über Basisverbraucher, variable Verbraucher und in welchen Prozessen (und Prozessphasen) sie aktiv sind, ergibt ein theoretisches Modell, welches die Abbildung 5 zeigt. In ihr enthalten ist auch eine Auflistung der jeweiligen erwarteten Gesamtleistungen. Abbildung 5: theoretisches Modell Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

5 Einführung des Managementsystems Basierend auf dem vorläufigen Modell kann nun ein neues Versorgungskonzept erarbeitet werden. Es werden Anfragen an die Energieversorger gestellt und parallel ein Konzept für eine Eigenversorgung erstellt. Aufgrund der erwarteten Einsparungen sowie der anlagenspezifischen Besonderheiten wie Wärmebedarf und Wärmenutzung sowie der gesetzlichen Voraussetzungen (KWK Gesetz) und zu erwartenden steigenden Strom- und Netzentgelte, fällt die Entscheidung für eine Eigenstromversorgung mit einem Gas- Otto Motor betriebenen BHKW und einer elektrischen Leistung von 50kW. Das BHKW wird mit Erdgas betrieben und eine Option der Umstellung auf Biogas wurde berücksichtigt. Die Aufgabe des Managementsystems ist es nun, den elektrischen Energiebedarf dauerhaft unter 50kW/h zu regeln und während der Wartungsarbeiten am BHKW den Strombedarf zu minimieren. Für den Anlagenbetreiber werden bedienerfreundliche Übersichten eingerichtet sowie eine einfach zu bedienende Historienfunktion. Abbildung 6: Leistungsübersicht Teilanlagen Trocknung und Biogas Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

6 Im Rahmen der Umsetzung werden alle Verbrauche mit einer Nennleistung > 1kW mit einer Erfassungseinheit ausgestattet. Die damit kontinuierlichen Energie- bzw. Stromwertee werden neben den Übersichten in die Einzeldarstellung des PLS eingebunden und mit Grenzwerten und Alarmen versehen Abbildung 7: Anpassungen in der Bedienoberfläche und Alarmfunktionen Nach der Einführung des Managementsystems lässt sich durch diee aufgenommenen Kurvenfunktionen nachweisen, dass das geplante Ergebnis erreicht wurde. Abbildung 8: Kurvendarstellung des Energieverbrauchs nach Teilanlagen (Gelb = Holzverarbeitung) (blau = Biogasanlage) (rot = Gesamtverbrauch) (grün = verfügbaree Eigenleistung) Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

7 Fazit: Der hier beschriebene Weg zur Einführung eines Energiemanagementsystems hat sich in der Praxis bewährt. Bei dieser Herangehensweise ist zu jeder Zeit erkennbar ob es für den Anlagenbetreiber wirtschaftlich ist, den nächsten Schritt zu bestreiten, Alternativen bei der Versorgung zu verfolgen oder ob es für ihn zurzeit noch nicht wirtschaftlich ist. Für das Energiemanagementsystem sind verlässliche Werte aus den Energiemessungen der einzelnen Verbraucher von großer Bedeutung. Das hier installierte System basiert vornehmlich auf den bereits für die Ansteuerung der Verbraucher installierten Steuergeräten (z.b. Frequenzumrichtern und Motorsteuerbaugruppen) mit intern gemessenen Werten. Diese Geräte liefern oft keine Effektivwerte der Primärseite, was somit nicht den für die Berechnung anzuwendenden realen Verbrauchswerten entspricht. Für die anschlussseitigen Messwerte der einzelnen Verbraucher werden daher softwaretechnische Anpassungen erarbeitet und diese dann messtechnisch verifiziert. Dadurch kann auf die sonst erforderliche Beschaffung von Effektivwertmessgeräten für eine Vielzahl von Verbrauchern verzichtet werden. Neben der hier verwendeten Realisierung des Managementsystems in dem vorhandenen Leitsystem besteht auch die Möglichkeit kommerzielle Energiemanagementsysteme einzusetzen. Bei diesen Systemen werden die aufgenommenen Daten auf einem dafür vorgesehenen Computer gespeichert und gegebenenfalls in Form von Lastgängen grafisch aufbereitet. Die Daten können dann mittels Schnittstelle an vorhandene Systeme übergeben werden. Die Umsetzung der Prozessabläufe muss dann in einer Steuerung oder einem Leitsystem erfolgen. Eine Gegenüberstellung verschiedener Systeme hat hierfür Soft- und Hardwaregrundkosten in Höhe von ca T aufgezeigt. Diese Varianten waren für die beschriebene Anlage nicht wirtschaftlich, da die Phasenabläufe im bereits vorhandenen Leitsystem miteinander verknüpft oder modifiziert werden mussten. Die Entscheidung über den Einsatz eines kommerziellen Systems muss immer in Abhängigkeit der Aufgabenstellung und der vorhandenen Installation erfolgen. Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH

8 Verbesserungen und Einsparungen: Werte vor der Einführung des Energiemanagementsystems: Werte Leistungsspitze 106,5 kw - Energieverbrauch kwh - Kosten 100% Werte 2013 erwartet - Leistungsspitze 106,5 kw - Energieverbrauch kwh - Kostensteigerung 16% gegenüber 2012 Werte nach der Einführung des Energiemanagementsystems und mit Einsatz BHKW (Eigenstromerzeugung): Werte Leistungsspitze 51,8 kw - Energieverbrauch kwh - Kostenersparnis 71% Werte 2013 erwartet - Leistungsspitze 51,8 kw - Energieverbrauch kwh - Kostenersparnis 74% Hinweise: Die Stromkosten vor der Einführung des Energiemanagementsystems können durch die Wahl eines neuen Tarifs um ca. 12 % reduziert werden. Es bleiben aber die immer noch starken Anstiege der letzten Jahre durch diverse Umlagen. Diese Entwicklung wird auch für die nächsten Jahre weiter erwartet. Bei den Kosten nach der Einführung des Energiemanagementsystems sind Abschreibungskosten des BHKW und der Installation sowie Wartungskosten des BHKW berücksichtigt. Die zusätzlich zur Verfügung stehende thermische Energie des BHKW ist nicht berücksichtigt, wird aber zu 100% auf dem Gelände weiter verwendet und hätte bei Fremdbezug über Fernwärme einen Wert von ca ,- Durch die Einführung des Energiemanagementsystems und der Errichtung eines BHKWs zur Eigenstromerzeugung können bereits % der Energiekosten für elektrischen Strom gegenüber den auf 2012 berechnetet Kosten eingespart werden. Bei weiteren Strompreissteigerungen in den nächsten Jahren, wird sich dieser Wert noch erhöhen. Damit sind die Ziele, die der Betreiber angestrebt hat, voll erreicht worden. Norbert Dietz Dietz Automation & Umwelttechnik GmbH