Schüttguthandling im Zeitalter von Industrie 4.0. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung von Hackgutfeuerungen

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1 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Schüttguthandling im Zeitalter von Industrie 4.0 Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung von Hackgutfeuerungen Alexander Ortner-Pichler Michael Rackl Christian Landschützer Stephan Kessler Dirk Jodin Willibald A. Günthner Dipl.-Ing. Alexander Ortner-Pichler (Referent) Ass. Prof. DI Dr. techn. Christian Landschützer Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dirk Jodin TU Graz Institut für Technische Logistik Inffeldgasse 25e 8010 Graz/Österreich Michael Rackl, M. Sc. Akad. Dir. Stephan Kessler Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Willibald A. Günthner TU München Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Boltzmannstraße Garching b. München/Deutschland

2 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 212

3 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung von Hackgutfeuerungen Im Rahmen des Projekts Wood chip feeding technology of the future for small-scale biomass boilers (Kurztitel BioChipFeeding ) wird ein innovatives Hackgutfördersystem entwickelt, das auf der Entnahme der Hackschnitzel an der Oberseite des Bunkers unter Verwendung eines Hackschnitzelgreifers basiert. Ein umfassendes sensorisches Konzept, das der Erfassung der Hackschnitzelqualität dient, ermöglicht eine bedarfsorientierte Versorgung der Feuerung und damit eine wirkungsgradoptimierte und emissionsreduzierte Verbrennung. Der Beitrag stellt die Grundzüge des Projekts dar und zeigt die vielversprechenden Ergebnisse mit den Sensoren und der Steuerung auf und beschreibt weiters das detaillierte Design des innovativen Greifers. Ein Ausblick über die zukünftige Verwendungsmöglichkeit und weitere Schritte rundet die Darstellung ab. 1 Projekt BioChipFeeding Derzeit werden rund Biomasseboiler für Kleinanlagen (50 bis 400 kw) europaweit verkauft. Die momentan verwendeten Brennstofffördersysteme stellen für diese Kleinanlagen einen der größten Schwachpunkte dar. Sie sind für 80 bis 90 % aller unerwarteten Abschaltungen verantwortlich, tragen zu einem erhöhten Emissionsausstoß und reduzierter Effizienz des Gesamtsystems bei und verbrauchen unverhältnismäßig viel Energie für den Fördervorgang. Die in vielen Austragungssystemen verwendete Entnahme der Hackschnitzel an der Unterseite des Hackschnitzelbunkers bringt weitere Nachteile mit sich: Die massiv auszuführenden Konstruktionen (beispielsweise Federblattrührwerke und Schubböden) sind verschleißempfindlich, aufwändig in der Wartung und kostenintensiv im laufenden Betrieb [1]. 1.1 Projektziele Um diese Nachteile der bestehenden Austragungssysteme zu eliminieren, wird im Rahmen des 7. Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Union durch ein internationales Entwicklungsteam das Projekt BioChipFeeding durchgeführt. Die ambitionierten Ziele werden durch die Entwicklung eines Hackgutfördersystems erreicht, welches auf der Entnahme der Hackschnitzel an der Oberseite des Bunkers basiert. Eine Kernkomponente dieses innovativen Systems stellt ein Hackgutgreifer dar, welcher mit Sensorik zur Erfassung der Korngrößenverteilung, der Feuchte und der Qualität der Hackschnitzel ausgerüstet ist. Durch dieses Konzept wird eine selektive Entnahme und somit eine, an den jeweiligen Betriebszustand angepasste, Brennstoffversorgung des Biomasseboilers ermöglicht. Durch diese Maßnahmen soll es mit der entwickelten, intelligenten Steuerung möglich werden, die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern sowie die Betriebs- und Wartungskosten zu senken. 213

4 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 1.2 Vorgehen & Projektkonsortium Das Projekt ist in acht Arbeitspakete aufgeteilt, wovon ein Arbeitspaket rein für das Projektmanagement vorgesehen ist. - Die Arbeitspakete 1 und 2 dienen der Konzeptentwicklung der Anlage: Konzepte für alle Subsysteme werden erstellt, der Einsatz bestehender Technologien evaluiert und die Schlüsselkomponenten entwickelt. - Die Detailentwicklung der Anlage, die Erstellung der Versuchspläne und die erste prototypische Umsetzung erfolgen in Arbeitspaket 3. Im Rahmen dieses Arbeitspakets werden zwei Prototypen gebaut, wovon eine Anlage in Massing (Deutschland) und eine in Graz (Österreich) installiert wird. - Durch eingehende Versuche und Testläufe in Arbeitspaket 4 werden, basierend auf detaillierten Messungen, die Effizienz und das Emissionsverhalten der Anlage bestimmt und dadurch Schwachstellen und Verbesserungspotentiale identifiziert. - In Arbeitspaket 5 werden durch Adaption der Prototypenanlagen die Schwachstellen eliminiert und die Anlage zu einem seriennahen System weiterentwickelt. - Finale Testläufe in Arbeitspaket 6 zeigen die Gesamtleistung eines markttauglichen Systems. - Den Abschluss des Projekts bildet eine techno-ökonomische Analyse des Gesamtsystems, die in Arbeitspaket 7 durchgeführt wird. Um die visionären Ziele des Projekts verwirklichen zu können, wurde ein internationales, multidisziplinäres Team aus erfahrenen Entwicklungsingenieuren aus dem Industrie- und Forschungssektor zusammengestellt: Projektpartner HET Heiz- & Energietechnik Entwicklungs-GmbH HDG Bavaria GmbH Rolle/Aufgabe Projektkoordination Prototypenbau Institut für Technische Logistik (TU Graz) Entwicklung von Feeding Step 1 Institut für Computer Graphik und Wissensvisualisierung (TU Graz) Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (TU München) BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Fraunhofer Italia Research s.c.a.r.l. Sinte S.R.L. Entwicklung des Bildverarbeitungssystems Entwicklung von Feeding Step 2; Optimierung des Zuführschneckenförderers Optimierung des Verbrennungsvorgangs Entwicklung der Steuerung/Automatisierung; Entwicklung des Mischalgorithmus Mitentwicklung der Steuerung 214

5 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung 2 Entwicklungsprozess Um die Entwicklung einer seriennahen Anlage zu ermöglichen, findet eine Kombination aus Computer-aided Engineering und prototypischer Realisierung Anwendung: Die computergestützte Entwicklung (Finite Elemente Methode, Diskrete-Elemente-Methode) wird durch die Umsetzung am Prototypen validiert und in einem weiteren Entwicklungsschritt adaptiert und verbessert. 2.1 Übersicht des Gesamtsystems, Gliederung der Teilsysteme Bild 1 zeigt eine CAD-Darstellung einer möglichen BioChipFeeding-Anlage: Die in einem Bunker gelagerten Hackschnitzel werden durch einen, an einem Kran befestigten, Hackschnitzelgreifer ( Feeding Step 1 ) in einen Zwischenbehälter befördert, in dem Hackschnitzel unterschiedlicher Qualitäten zu einer bedarfsoptimierten Zielqualität vermischt werden. Bild 1: CAD-Darstellung einer BioChipFeeding-Anlage [2] Zur Bewegung des Hackschnitzelgreifers wird eine modifizierte Variante des ZHB-Systems von ABUS Kransysteme in Kombination mit einem Elektrokettenzug verwendet. Das eigentlich nur für einen manuellen Betrieb ausgelegte Kransystem wird durch die Nachrüstung von Laserdistanzsensoren zur Bestimmung der Laufkatzenposition für einen Automatikbetrieb erweitert. Ausgehend vom Zwischenbehälter werden die Hackschnitzel durch einen im Rahmen des Projekts konstruktiv verbesserten Zuführschneckenförderer ( Feeding Step 2 ) weiter zur Zellradschleuse und danach in die Brennkammer des Heizkessels transportiert. Das Hackschnitzelfördersystem wird durch ein auf einem Industrie-PC implementiertes Steuerungssystem angesteuert, das über eine MODBUS-Schnittstelle mit der Boilersteuerung kommuniziert. Nachdem die Boilersteuerung den aktuellen Betriebszustand an 215

6 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg das Steuersystem der BioChipFeeding-Anlage gemeldet hat, entscheidet der Mischalgorithmus, basierend auf den im Hackschnitzelbunker verfügbaren Qualitätsklassen, welche Mengen entsprechender Qualitäten dem Boiler zugeführt werden sollen. 2.2 Entwicklung des Hackgutfördersystems Methodische Konstruktion des Greifers Der Hackschnitzelgreifer wurde an der TU Graz unter Zuhilfenahme der VDI Richtlinie 2221 Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte [3] entwickelt. Basierend auf einer detaillierten Spezifikation der Gesamtanlage wurden die Entwicklungsziele und -randbedingungen für die Entwicklung des Hackschnitzelgreifers abgeleitet. Durch das methodische Vorgehen, anfangend bei der Analyse und Strukturierung der Funktionen und weiterführend durch die Suche und Kombination von Lösungsprinzipien (siehe Bild 2), konnte eine Modulgliederung geschaffen werden, die großen Spielraum für die Integration der notwendigen Sensorik bietet. Der Hackschnitzelgreifer bietet die Möglichkeit, Schaufeln unterschiedlicher Größe an den Hauptrahmen zu koppeln. Er kann dadurch flexibel bei unterschiedlichen Heizleistungen des Boilers eingesetzt werden und weist trotzdem ein hohes Maß an Gleichteilen auf. Bild 2: links Analyse der Funktionen und Lösungsprinzipien; rechts Modulgliederung [4] Zur Bewegung der Schaufeln des Hackschnitzelgreifers werden zwei Linearaktuatoren der Firma ATP Antriebstechnik verbaut, die maximal eine Kraft von sechs Kilonewton leisten können (siehe Bild 3). Die asymmetrische Einbaulage der Linearmotoren ermöglicht es, den Hackgutfeuchtetransmitter und das Bildverarbeitungssystem in der Mitte des Hackschnitzelgreifers direkt über dem Ladevolumen zu positionieren. Durch diese Anordnung kann der größtmögliche Teil der geladenen Hackschnitzel sensorisch erfasst werden. 216

7 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Sensorisches Konzept Um den Mischalgorithmus mit den notwendigen Daten zu versorgen, wurde ein umfassendes sensorisches Konzept entwickelt. Einerseits werden die Position und Lage des Hackschnitzelgreifers im Bunkerraum erfasst und andererseits wird die Bestimmung der Hackschnitzelqualität ermöglicht. Nachstehend sind die integrierten Sensoren ihren Messaufgaben zugeordnet [4]: - Erfassung der Masse der geladenen Hackschnitzel: Kraftsensor der Fa. ME-Meßsysteme; eingebaut in die Hauptaufhängung des Greifers - Bestimmung der Position längs des Kettenzugs: Position unter der Katze: Seilzugwegaufnehmer der Fa. Waycon Position über dem Hackschnitzelniveau: Ultraschallsensor der Fa. Wenglor - Bestimmung der Position längs und quer der Kranbahn: Laserdistanzsensoren der Fa. Sick - Bestimmung der Neigung des Hackschnitzelgreifers: Beschleunigungssensoren der Fa. ME-Meßsysteme - Bestimmung des Feuchtegehalts der Hackschnitzel: Hackgutfeuchtetransmitter (Humimeter) der Fa. Schaller - Bestimmung der Korngröße und Farbe der Hackschnitzel: im Rahmen des Projekts entwickeltes Bildverarbeitungssystem - Bestimmung der Winkelposition der Schaufeln des Hackschnitzelgreifers: integrierter Inkrementalgeber der Linearmotoren (Fa. ATP Antriebstechnik) Bild 3: Hackschnitzelgreifer (35 Liter) [2] 217

8 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Bild 3 zeigt eine CAD-Grafik des Hackschnitzelgreifers mit ausgefahrenem Hackgutfeuchtetransmitter. Der Transmitter wird durch einen Spindel-Lineartisch an die geladenen Hackschnitzel mit einer Kraft von rund 250 Newton angepresst. Das Aktuatorsystem ermöglicht es, konstante Messergebnisse des Feuchtetransmitters zu erhalten (siehe Abschnitt 3.1) und des Weiteren auch noch zuverlässige Messungen durchzuführen, wenn, bedingt durch die Oberflächentopologie des Hackschnitzelbunkers, nur niedrige Füllgrade des Hackschnitzelgreifers erreicht werden können. Zur Erfassung der Korngröße der Hackschnitzel wurde im Rahmen des Projekts an der TU Graz ein Bilderfassungssystem entwickelt, das auf der Rekonstruktion von dreidimensionalen Bildern der Hackschnitzeloberfläche basiert. Durch die synchrone Bildaufnahme von zwei, in einem definierten Abstand zueinander befindlichen, Kameras und die Anwendung eines Plane-Sweep-Algorithmus (nähere Informationen unter [5]) zur Bestimmung übereinstimmender Bildpunkte, wird ein dreidimensionales Bild rekonstruiert. Unter Zuhilfenahme der rekonstruierten Tiefeninformationen ist es möglich, eine zuverlässige Segmentierung der Oberfläche des Hackschnitzelbunkers durchzuführen. Bild 4 zeigt das Ergebnis dieser Segmentierung: die Kanten der Hackschnitzel werden mit sehr guter Genauigkeit erkannt. Neben der Berechnung der durchschnittlichen Korngröße wird das Bilderfassungssystem dazu eingesetzt, übergroße Bild 4: Segmentierung der Oberfläche des Hackschnitzelbunkers [6] Hackschnitzel und Ansammlungen von Sägespänen zu identifizieren [6]. 218

9 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Interaktion des Austragungssystems mit der Hackschnitzelfeuerung Das Ziel der Holz-Hackschnitzel-Feuerung ist es, den gelagerten Brennstoff mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad, geringer Schadstoffemission und unter geringer Schlackenbildung zur Wärmeerzeugung einzusetzen. Eine der Kernkomponenten des Gesamtsystems ist die Interaktion des Austragungssystems mit dem Brenner der Hackschnitzelfeuerung. Die bei Fraunhofer Italia entwickelte Steuerung des Hackschnitzelgreifers kann mittels der Sensoren (vgl. Abschnitt 2.2.2) Informationen über den Feuchtigkeitsgehalt der im Bunker befindlichen Hackschnitzel sammeln. Die Einteilung in Qualitätsklassen erfolgt dabei auf Basis von Feuchtigkeitsgehalt, Rindenanteil und Partikelgröße, die über das optische System detektiert wird. Tabelle 1 zeigt beispielhaft eine stark vereinfachte Klassifizierungstabelle als Kernergebnis verbrennungstechnischer Tests bei der Firma BIOS Bioenergiesysteme in Graz. Tabelle 1: Beispielhafte, vereinfachte Darstellung der Einteilung von Holz- Hackschnitzeln in verschiedene Qualitätsklassen, basierend auf dem Feuchtigkeitsgehalt und dem Rindenanteil Über die bekannte Position des Greifers im Raum wird eine virtuelle Karte des Bunkers erstellt. Bild 5 zeigt ein Beispiel für eine solche Karte, für einen Bunker mit einer Grundfläche von zwölf mal acht Metern und einer Auflösung von einem Meter in beide Richtungen. Mittels dieser Karte steht der Brennersteuerung die Information bereit, welche unterschiedlichen Qualitätsklassen von Hackschnitzeln im Bunker vorhanden sind. Wie aus Tabelle 1 zu erkennen ist, lassen Bild 5: Karte mit eingezeichneten Holzsich selbstverständlich auch Holz- Hackschnitzel-Qualitätsklassen für einen Bunker Hackschnitzel-Klassen als ungeeignet mit einer Grundfläche von 12 m x 8 m ( meiden ) einstufen. Beispielsweise könnte es sich dabei um Hackschnitzel handeln, die deutlich zu feucht für eine geregelte Verbrennung sind oder deren mittlere Partikelgröße vom Fördersystem nicht gehandhabt werden kann und somit ein potenzielles Risiko für Anlagenstillstand darstellen. Die Einteilung und die Information über unterschiedliche im Bunker befindliche Hackschnitzelklassen eröffnen neue Möglichkeiten beim flexiblen Betrieb des Brenners. Befindet sich der Brenner beispielsweise im Teillastbereich, kann er niedrigere Qualitäten 219

10 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg verfeuern, um gutes Material für Anfahrvorgänge oder den Volllastbereich aufzusparen. Zudem können die Verbrennungsparameter auf die jeweils zugeführten Hackschnitzel eingestellt werden, um beispielsweise höhere Feuchtigkeit oder größeren Aschegehalt zu beherrschen. Dies ist der wohl größte Vorteil gegenüber einer konventionellen Feuerung, die mangels konkreter Brennstoffdaten in nur einer einzigen Einstellung pro Betriebspunkt betrieben werden kann und durch die Entnahme von unten unflexibel bei der Brennstoffzuführung ist. Kombiniert man die zweidimensionale Qualitätskarte aus Bild 5 noch mit Informationen über die Lagerhöhe, können Hackschnitzel in Abstimmung mit der vom Brenner geforderten Qualität bevorzugt von hohen Stellen entnommen werden, um den Bunker gleichmäßig zu entleeren oder Anlieferstellen gezielt freizulegen Konstruktive Verbesserung des Zuführschneckenförderers In den gängigen Normen und Richtlinien zur Dimensionierung und Auslegung von Schneckenförderern (siehe [7], [8], [9]) fehlen Daten für Biomasse. Zur konstruktiven Verbesserung des Zuführschneckenförderers wurden deshalb zunächst wichtige schüttgutmechanische Kenngrößen, wie z.b. die Partikelgrößenverteilung, der Schüttwinkel oder der Gleitwinkel, von unterschiedlichen Qualitäten von Holz-Hackschnitzeln bestimmt. Ein die Fließfähigkeit von Hackschnitzeln maßgeblich beeinflussender Faktor ist die Neigung zur Brückenbildung, welche vorrangig durch das gegenseitige Verhaken der Hackschnitzel hervorgerufen wird. Zusätzlich erschwert die sehr breite Partikelgrößenverteilung die effiziente Auslegung von Fördergeräten. Da es sich bei Holz-Hackschnitzeln um ein bislang nur wenig erforschtes, schwerfließendes Schüttgut handelt, wurde zur Verbesserung der Konstruktion des Zuführschneckenförderers an der TU München die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) gewählt. Bei der DEM handelt es sich um eine numerische Berechnungsmethode zur Modellierung und Simulation von Systemen, die aus tausenden von Einzelpartikeln bestehen [10]. Als DEM-Software wurde EDEM (DEMSolutions, Edinburgh, Vereinigtes Königreich) eingesetzt. Die Qualität der dabei erzeugten Berechnungsergebnisse steht und fällt mit der Auswahl und Kalibrierung des DEM-Materialmodells, welches das Herzstück von realitätsnahen Simulationen bildet. Die Kalibrierung von DEM-Materialmodellen ist zeitaufwändig und erfolgt zumeist iterativ durch die regressive Anpassung von Materialparametern [11]. Die Kalibrierung des DEM-Materialmodells für die Holz-Hackschnitzel erfolgte zunächst auf Basis der gemessenen Schüttgutkennwerte. Diese waren die Schüttdichte, der Schüttwinkel und der Gleitwinkel. In einem nächsten Schritt wurde das Modell anhand von Messwerten aus Versuchen mit einem Zuführschneckenförderer validiert. Bild 6 zeigt den schematischen Versuchsaufbau zur Validierung der DEM-Materialmodell-Parameter. Gemessen wurden das Antriebsdrehmoment des Zuführschneckenförderers und horizontalen Rührwerks mittels eines Drehmomentensensors, der Massenstrom am Abwurf der Schneckenförderstrecke durch eine Digitalwaage sowie die elektrische Wirkleistungsaufnahme von einem 230-Volt-Stromnetz. 220

11 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Bild 6: Schematischer Versuchsaufbau mit dem Zuführschneckenförderer Bild 7: DEM-Modell zur Kalibrierung des Materialmodells (Screenshot) Das Diskrete-Elemente-Modell des Zuführschneckenförderers und des Behälters mit Rührwerk ist in Bild 7 dargestellt. Die Abbildung zeigt eine der getesteten Partikelform- Varianten und ist aufgeschnitten, um eine bessere Sicht auf Schneckenwelle und Rührwerk zu gewähren. Die Berechnungsdauer für das System liegt nach sukzessiver Vereinfachung der Modellierung bei circa 30 Stunden, auf einem Desktop-Computer mit 20 CPU-Kernen. 3 Umsetzung 3.1 Prüfstände und ausgewählte Ergebnisse Zur Validierung der Einzelfunktionen des Hackschnitzelgreifers (Ladeverhalten des Greifers, Feuchtemessung, Bilderkennung, Funktionstest aller weiterer Sensoren) einerseits und zur Evaluierung der Verbesserung der Verbrennungsqualität durch die Verwendung des Mischalgorithmus andererseits, wurde bei der Firma BIOS ein Versuchsstand installiert. Dieser unterscheidet sich von einer vollständigen BioChipFeeding-Anlage vor allem dadurch, dass zur Bewegung des Hackschnitzelgreifers der vorhandene Hallenkran Verwendung findet. Bild 8 zeigt eine der zur Überprüfung der Messgenauigkeit des Hackgutfeuchtetransmitters durchgeführten Versuchsreihen. Der Sensor wurde an verschiedenen Hackschnitzelsortimenten mit variierendem Feuchtegehalt und variierender Korngrößenverteilung mit unterschiedlichen Bild 8: Messreihe zur Validierung Anpresskräften (Messreihe M1 bis des Hackgutfeuchtetransmitters [6] M3) getestet [6]. Der tatsächliche Feuchtegehalt (kreisförmiger Datenpunkt in Bild 8) der Versuchsproben wurde anhand der, in der Norm EN [12] spezifizierten, Methode bestimmt. Die Auswertung der Testreihen zeigt sehr positive Ergebnisse: Die Bestimmung des Feuchtegehalts der 221

12 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Hackschnitzel kann mit dem konzipierten System mit ausreichend hoher Genauigkeit (absolute Abweichung unter 5 % wt) bestimmt werden, um die Hackschnitzel den entsprechenden Qualitätsklassen zuzuordnen. Die zur Evaluierung der Auswirkungen des Mischalgorithmus auf die Verbrennungsqualität durchgeführten Testreihen sind zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags noch nicht abgeschlossen. Erste Ergebnisse zeigen jedoch einen sehr positiven Trend bei den emittierten Schadstoffen und der erreichbaren Effizienz. 3.2 Testanlage in Massing Zur Durchführung von Langzeittests des BioChipFeeding-Hackgutfördersystems wurde am Betriebsgelände des Projektpartners HDG Bavaria (Massing, Deutschland) eine Prototypenanlage errichtet, die das bestehende 400 kw-heizaggregat mit Hackschnitzeln speist (siehe Bild 9). Das System wurde in die bestehende Heizanlage integriert, so dass das Fördersystem parallel zur vorhandenen Schubbodenaustragung betrieben wird, um auch bei testbedingten Stillständen die Versorgung sicherzustellen. Für das Fördersystem wurde eine Krananlage installiert, die den gesamten neun mal sechs Meter großen Bunkerraum bedienen kann und den mit einer 75 Liter- Schaufel ausgerüsteten Hackschnitzelgreifer an die vom Mischalgorithmus bestimmte Position bewegt. Da der Hackschnitzelbunker von mehreren Seiten zugänglich ist und die Anlage im Regelfall im Automatikbetrieb operiert, wurde durch den Projektpartner Fraunhofer Italia ein umfassendes Sicherheitskonzept erstellt, das die Anlage in einen ungefährlichen Zustand fährt und abschaltet, sobald sich Personen im Bewegungsraum der Krananlage befinden. Bild 9: Prototypenanlage in Massing, Deutschland 222

13 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Ausblick und Zusammenfassung Wie es möglich wird, die Effizienz in einem vorgelagerten Schritt der Anlagenplanung zu erhöhen, zeigt ein Teilgebiet der am Institut für Technische Logistik (TU Graz) betriebenen Forschung. Unter Zuhilfenahme von Methoden und Werkzeugen aus dem Gebiet des Knowledge-based Engineering (KBE) [13] wurde ein Planungsprogramm entworfen und implementiert, das nach Eingabe verschiedener Parameter (siehe Bild 10, links: z.b. Heizenergiebedarf, diverse Brennstoffkennwerte) und der Spezifikation der räumlichen Situation (Geometrie von Heiz- und Bunkerraum) die Anlagenkonfiguration in kurzer Zeit situationsangepasst (ggf. schon zusammen mit dem möglichen Kunden) durchführt. Bild 10: Benutzerinterface des KBE-Planungsprogramms Das Planungsprogramm wählt, entsprechend der konfigurierten Eingabe, einen passenden Boiler aus einer Vielzahl von Herstellervarianten, die in der integrierten Datenbank hinterlegt sind. Anschließend wird ein Austragungssystem ausgewählt und geometrisch konfiguriert, das die Brennstoffversorgung des Boilers sicherstellt. Neben der Ausgabe von Stücklisteninformationen mit hinterlegten Preisinformationen werden Bilder eines parametrisierten 3D-Modells entsprechend der Anlage generiert. Die gesammelten Ergebnisse werden in einer übersichtlichen Darstellung (siehe Bild 10, rechts) als Ausgabe präsentiert. Im Rahmen des Projekts wurde durch konstruktive Änderungen eine Verringerung der benötigten Antriebsleistung des Zuführschneckenförderers erreicht. Durch die Veränderung der Schneckensteigung im unter dem Behälter befindlichen Einzugsbereich der Zuführschnecke ergab sich eine deutliche Verringerung des zum Antrieb benötigten Drehmoments. Weiterhin erfolgte die Untersuchung eines Effekts, durch dessen Ausnutzung eine andere Brennstoffqualität, als die aktuell im Zwischenbehälter befindliche, kurzfristig zur Feuerung zugeführt werden kann. Dies ist besonders dann nützlich, wenn von der Holz- Hackschnitzel-Feuerung sprunghaft eine höhere Wärmeleistung gefordert wird; beispielsweise beim Übergang vom Teil- in den Volllastbereich. Da unter Teillast auch mit qualitativ schlechteren Hackschnitzeln geheizt werden kann, wird der Behälter noch mit diesen gefüllt sein. Die Zuführschnecke müsste jedoch möglichst schnell Material mit 223

14 20. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2015 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg höherem Heizwert zur Feuerung transportieren, um den Heizenergiebedarf unter Volllast abzudecken. Nutzt man den erwähnten Effekt aus, können höherwertige Hackschnitzel in relativ kurzer Zeit bis zur Feuerung gefördert werden, ohne die bereits im Behälter befindlichen Hackschnitzel entfernen zu müssen. Auf die Gesamtanlage bezogen, bringt die Zuführung von Hackschnitzeln einer Biomasseheizanlage, basierend auf der Entnahme der Hackschnitzel an der Oberseite, nennenswerte Vorteile mit sich: - Neben geringeren Betriebs- und Wartungskosten kann dadurch eine selektive Entnahme der Hackschnitzel realisiert werden. - Die für den Fördervorgang aufzuwendende Energie ist im Vergleich zu anderen Austragungssystemen deutlich geringer. - Die im entwickelten Hackschnitzelgreifer verbaute Sensorik ermöglicht die bedarfsorientierte Versorgung der Feuerung entsprechend des gegenwärtigen Betriebszustandes. Die durchgeführten Testläufe zur Validierung der Messgenauigkeit und der Evaluierung der Auswirkungen auf die Verbrennungsqualität zeigen die Vorteile des implementierten sensorischen Konzepts. - Durch die gezielte Auswahl des Brennstoffs sind ein niedrigerer Schadstoffausstoß und eine bessere Effizienz der Gesamtanlage erzielbar. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags werden beide Prototypenanlagen, entsprechend der Erkenntnisse der ersten Testphase, adaptiert und verbessert. Der im vorletzten Arbeitspaket durchzuführende finale Langzeittest wird allen Erwartungen nach zu urteilen, eine weitere Effizienzsteigerung der Gesamtanlage zeigen. Nach dem Abschluss des Projekts BioChipFeeding im Oktober 2015 wird das System vom Projektpartner HDG Bavaria in das Produktionsprogramm aufgenommen. Erste technoökonomische Analysen zeigen, dass das System zu marktgängigen Preisen angeboten werden kann. 224

15 A. Ortner-Pichler et al. Biomasselogistik innovative Ansätze zur bedarfsorientierten Versorgung Quellenverzeichnis: [1] Obernberger, I.; Thek, G.: Market evaluation regarding energetic biomass utilisation in the European Union, internal report, BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz, Austria; 2009 [2] BioChipFeeding Konsortium: Wood chip feeding technology of the future for smallscale biomass boilers. Verfügbar als Bild unter (Datum des Zugriffs: ) [3] VDI 2221, Verein Deutscher Ingenieure, 1993: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte (VDI 2221), Beuth Verlag GmbH, Düsseldorf [4] BioChipFeeding Konsortium: Deliverable D2.1 - Detailed design of the gripper system equipped with fuel screening sensors, Graz, 2014 [5] Bauer, J.; Zach, C.; Karner, K.; Bischof, H.: Efficient sparse 3d reconstruction by space sweeping. In 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, Third International Symposium on. IEEE, 2006, Seiten [6] BioChipFeeding Konsortium: Deliverable D4.1 - Report of test runs for cold operation including recommendations for optimization, Graz, 2015 [7] DIN 15262: Schneckenförderer für Schüttgut Berechnungsgrundsätze, Ausgabe Januar 1983 [8] ISO 7119: Continuous mechanical handling equipment for loose bulk materials Screw conveyors Design rules for drive power, Ausgabe [9] VDI : Schneckenförderer für Schüttgut Auslegung von horizontalen und leicht geneigten Schneckenförderern, Ausgabe September 2013 [10] Jing, L.; Stephansson, O.: Fundamentals of Discrete Element Methods for Rock Engineering. Theory and Applications; Amsterdam: Elsevier Science Ltd. [11] Grima, A. P.; Wypych, P. W.: Investigation into calibration of discrete element model parameters for scale-up and validation of particle structure interactions under impact conditions; Powder Technology, 2011, 212, 1. Seiten [12] Norm ÖNORM EN : Feste Biobrennstoffe Bestimmung des Wassergehaltes Ofentrocknung Teil 2: Gesamtgehalt Wasser Vereinfachtes Verfahren, Ausgabe [13] Landschützer, C.; Jodin, D.: Wissensgestützte Methoden und Werkzeuge zur Geräteentwicklung und -konstruktion in der Technischen Logistik; Jahrbuch Logistik 2014; Korschenbroich: free beratung GmbH, 2014; Seiten

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