Innovative Technik zur Effizienzsteigerung aus dem Ruhrgebiet

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1 Innovative Technik zur Effizienzsteigerung aus dem Ruhrgebiet Das Konzept STEAG Saarenergie AG betreibt im Saarland Steinkohlekraftwerke und ein Heizwerk. Am Standort Fenne bei Völklingen befindet sich das Modellkraftwerk (MKV Fenne). Der Strom des Kraftwerks wird in das regionale Stromnetz eingespeist, die erzeugte Fernwärme an die Fernwärmeschiene Saar abgegeben. Einige Daten des MKV Fenne: Inbetriebnahme 1982 Bruttoleistung 195 MW Nettoleistung 175 MW Fernwärmeleistung 150 MW Nettoleistung GT 35 MW Fernwärmeleistung GT 60 MW MKV Fenne, Völklingen Einsatz in Primär-, Sekundär- u. Tertiärregelung Auslastung rd Vbh/a Brennstoffe: Ballastkohle, Gruben-, Koks-, Konverter-, Erdgas, Klärschlamm, HEL Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass die weltweit betriebenen kohlegefeuerten Kraftwerke noch wesentliche Optimierungsreserven besitzen. Aufgrund der Komplexität des Verbrennungsprozesses der Kohle in diesen Großanlagen kann der Mensch in der Regel nur ein Kompromissergebnis empirisch ermitteln. Hier setzt die Powitec-Technologie an, welche die Einsatzstoffe Verbrennungsluft und Brennstoffverteilung in einer wesentlich gezielteren Art und Weise regelt und dadurch neue Effizienzreserven aufdeckt und nutzt. Dies erfolgt zumeist ohne wesentliche zusätzliche Investitionen in die Infrastruktur der Anlagen. Powitec Intelligent Technologies GmbH ist ein im Süden Essens ansässiges Unternehmen, welches durch innovative Entwicklungen insbesondere im Energiesektor zum Strukturwandel des Standorts Ruhrgebiet beiträgt. Mittlerweile wurden 42 Vollzeitarbeitsplätze geschaffen und das Unternehmen sucht kontinuierlich weitere Mitarbeiter, da der Umsatz stetig gesteigert werden konnte. Die Feuerungsoptimierung von Powitec, der PiT Navigator, integriert eine elektronische Flammenanalyse durch Kameras mit einer selbstlernenden, adaptiven Regelungssoftware. Kontinuierlich nutzt der PiT Navigator die konventionellen Prozessdaten und die Kamerabilder um ein PC-gestütztes Verfahrensmodell zu berechnen. Auf Basis der Vorhersagen von Prozessergebnissen kalkuliert der PiT Navigator die erforderlichen Regeleingriffe stetig und selbstlernend. Die vom Anlagenbetreiber zuvor vorgegebenen Optimierungsziele erzielt er dann im geschlossenen Regelkreis über die Veränderung der Brennstoff-Luft-Verhältnisse in der Brennkammer. Der PiT Navigator ist vergleichbar mit einem, sehenden Autopiloten', der über die Kommunikation mit der bisherigen Regelung letzterer zur,intelligenz' verhilft. Im Jahr 2004 entschied sich STEAG Saarenergie AG, durch den Einsatz des PiT Navigator von Powitec den Wirkungsgrad der Feuerung und damit die Energieeffizienz des MKV Fenne zu steigern. Zuvor hatte Powitec während einer mehrmonatigen Messstudie die Machbarkeit und die Potentiale evaluiert, welche allein mit Hilfe der optimierten Regelung erzielbar wären. Auf Basis dieser Evaluierungsstudie bot Powitec die Lieferung, Installation und den Betrieb des PiT Navigator im Wege des Performance Contractings an. Das war für die Entscheidung der STEAG Saarenergie ausschlaggebend! Powitec installiert, betreibt und wartet den PiT Navigator auf eigene

2 Kosten über einen definierten Zeitraum im MKV. Allein auf Basis der tatsächlich realisierten Optimierungserfolge erhält Powitec einen Anteil an dem generierten Gewinn. Das Geschäftsmodell des Performance Contractings verteilt die wesentlichen Investitionsrisiken allein auf den Systemlieferanten Powitec und erhöht damit grundsätzlich die Bereitschaft des Kraftwerkbetreibers, sich für diese innovative Technologie zu entscheiden. Optimierte technische Prozesse + innovatives Geschäftsmodell = Energieeffizienzsteigerung Die Umsetzung In 2005 wurde im MKV Fenne ein 'PiT Navigator' inklusive 8 PiT Multisensoren (optische Feuerraumkameras) installiert. Durch die PiT Multisensoren werden die Flammen der Kohlebrenner permanent mittels digitaler Bildverarbeitung und Mustererkennung analysiert. Sie liefern damit einzigartige Informationen zum Zünd- und Ausbrandverhalten sowie der Strömungseigenschaften der Flammen. 8 PiT Multisensoren 8 x Sekundärluft geregelt 4 x Kohlemühle geregelt Aber nicht nur die Flammenbilder dienen bei Powitec als neu erschlossene Informationsquellen. Veränderungen an den Kohlemühlen werden akustisch beobachtet und ausgewertet. Die akustischen Signale liefern signifikante Informationen über Kohlequalität und Ausmahlgrad. Da diese Größen die Flammen wesentlich beeinflussen sind es wertvolle frühzeitige Informationen die der Flammenveränderung sogar noch vorausgehen. Dies hilft die Prognosemodelle für die Prozessergebnisse schneller und genauer zu machen. Die PiT Navigator Software stellt auf Grundlage der vom Nutzer vorgegebenen Ziele und Prioritäten ausgewählte Stellgrößen bereit. Dabei hilft die kontinuierliche Rückkopplung der neuen Ergebnisse mit den Eingangsgrößen das Prozessmodell autark lernfähig und Adaptiv zu machen (Non-linear Model Predictive Control, NMPC). Im Gegensatz zu herkömmlichen Reglern in der Industrie kann diese Art der Regelung auch mehrdimensionale, ggf. widersprüchliche Zielgrößen berücksichtigen. Im MKV Fenne der Saarenergie wurden nach einer kurzen Trainingsphase von ca. 6 Wochen die ersten Kundenziele erreicht. Heute regelt der PiT Navigator auch Stellgrößen die durch die Anlagenfahrer des MKV Fenne nicht permanent genutzt wurden. Sollwertkorrekturen - wie sie vorher durch den Leitstandfahrer vorgenommen wurden - werden durch das neue Regelungssystem vollautomatisch an die bestehende Kesselregelung weitergegeben.

3 Systemquerschnitt PiT Navigator Feuerraum Feld Leittechnikraum Brenner Brenner PiT Multisensoren -Kameras mit On-Board-PC- mit Kamera und Onboard- PC Kühlluft Feldschrank mit HUB System PC mit PiT Navigator Software (modellbasierte Regelung) Brenner Netzwerk Internetverbindung zur Fernwartung Brennstoff / Luft Leitsystem/ Regelung Sollwertkorrekturen via Schnitttstellezur LT Optimierungsziele und Anlagengrenzwerte Wirkung Mit der Einführung des Systems im MKV wurde eine Absenkung der Gesamt-Verbrennungsluftmenge erreicht, was neben der Ersparnis der Gebläseleistung für die Frischlufterzeugung auch mit der Reduzierung des Rauchgasvolumens und damit der Saugzuggebläseleistung einhergeht. Des Weiteren wurde ein optimierter Ausbrand des Brennstoffs verbunden mit Emissionsreduktion erreicht. Unter anderem bewirken 4,8% weniger Lufteinsatz eine 0,39%-tige Wirkungsgradsteigerung am Dampferzeuger Im ersten Abrechnungsjahrs ( bis ) wurden belegbare Verbesserungen dokumentiert, die Herr D. Kiehn, Leiter Produktion MKV Fenne, wie folgt zusammenfasst: Nach unseren Berechnungen ist ein technischer Nutzen für die ersten 12 Monate wie folgt entstanden: Verbrennungsluft 5%, Unverbrannter Kohlenstoff in der Flugasche -0,3%, Kohlenmonoxidemission (Rohgas) von 75 auf 25 mg/m³ sowie eine deutliche Verbesserung der Kesselwandatmosphäre. Letzteres ist umso erstaunlicher, als die Reduktion der Verbrennungsluft anderes erwarten lies. Folgende Einsparungen (Durchschnittswerte als Abrechnungsbasis für das Performance-Contracting), ergeben sich: Tonnen weniger Kohle Einsatz / Jahr Tonnen weniger CO 2 Emissionen / Jahr MWh weniger elektrischer Eigenbedarf-Strom/ Jahr Die durchaus erzielte geringere Leitwartenbelastung und Instandhaltungsreduktion wurden nicht in die Abrechnungsbasis aufgenommen.

4 Darüber hinaus lassen sich weitere Verbesserungen feststellen: Reduktion der Stickoxide (NOx) im Abgas Reduktion des Rauchgasvolumens Reduzierung der Instandhaltungsmaßnahmen Reduzierung der Handeingriffe durch das Bedienpersonal Verwendung eines breiteren Brennstoffbandes z.b. bei Importkohlen Vermehrter Einsatz von Ersatzbrennstoffen wie Klärschlamm oder SBS Kontrolle der Flammenlage und des Ausbrandverhaltens Vermeidung von Verschlackungen im Brennerbreich, Überhitzerheizflächen und Kesseltrichter Steigerung der Verfügbarkeit der Anlage Daraus resultiert eine Senkung der Kesselbetriebskosten. Die oben benannten Einsparerfolge aus dem MKV Fenne sind eher konservativ berechnet. Zu berücksichtigen ist, dass diese Anlage im betrachteten Zeitraum im Spitzenlastbetrieb gefahren wurde (mittlere Kessellast 78%). Wäre die Nutzung im Grundlastbetrieb mit Volllast erfolgt, ergäben sich überproportional höhere Einspareffekte. Die monetären Einsparungen wurden im Wesentlichen durch die Reduzierung der Frischluftmenge erzielt. Der Sauerstoffüberschuss im Rauchgas wurde bei Volllast im Mittel von 4,2% auf 3,2% verringert. Dies entspricht etwa 4,8 % weniger Verbrennungslufterzeugung. Nachfolgende Grafik zeigt den gemessenen Restsauerstoffgehalt im Rauchgas vor der Rauchgasreinigung in Abhängigkeit von der Kessellast/Dampfproduktion. Die blauen Punkte zeigen die Werte für einen vollautomatischen Betrieb des PiT Navigator, die roten Punkte wurden erfasst, als der PiT Navigator wegen Wartungsarbeiten an Anlagenkomponenten des Kraftwerks außer Betrieb war.

5 Diese Darstellung belegt, dass im Durchschnitt eine deutliche Absenkung des Restsauerstoff- Sollwerts vom PiT Navigator fast über den gesamten Lastbereich des Dampferzeugers vorgenommen wurde. Ersichtlich ist auch, dass im volllastnahen Betrieb die Effizienz des PiT Navigator höher ist, als im Teillastbetrieb. Zunächst verständliche Bedenken, dass sich durch die Luftabsenkung die Kesselwandatmosphäre verschlechtern könnte (CO-Strähnen) wurde nicht bestätigt. Im Gegenteil, es wurde durch vorhandene Sauerstoff-Messsonden in der Flossenwand des Kessels nachgewiesen, dass sich die wandnahe Sauerstoff-Konzentration verbessert hat. Dies ist ein weiterer Beleg dafür, dass sich das lokale Brennstoff-/Luftverhältnis in der Flamme so verbessert hat, dass ein vollständigerer Ausbrand erfolgt. Die Ursprungs-Messung zeigt an verschiedenen Stellen (rot eingekreist) eine zu niedrige Sauerstoff Konzentration an der Flossenwand (<0,1% O2). Diese Messung erfolgte ohne Betrieb des PiT Navigator. Wandnahe O2-Messwerte vor der Online-Optimierung Linke Seitenwand Vorderwand Rechte Seitenwand Rückwand Oberluftdüse Schleiluftdüse offen Schleierluftdüse geschlossen Die zweite Messung zeigt nur noch an wenigen Stellen (rot eingekreist) eine zu niedrige Sauerstoff- Konzentration an der Flossenwand. Hier sorgt der PiT Navigator bei fast 5% weniger Verbrennungsluft, das die gezielte Anpassung des örtlichen Brennstoff-Luft-Verhältnisses eine deutliche Verbesserung der Kesselwandatmosphäre mit sich bringt.

6 Wandnahe O2-Messwerte mit PiT Navigator (inkl. Luftabsenkung) Bewertung Der Eigenbedarfsstrom des MKV Fenne wird durch die geringer zu erzeugende Verbrennungsluft (Frischlüftergebläse) und die damit einhergehende Reduzierung des Rauchgasvolumens (Saugzuggebläse) gravierend gesenkt. Der Anteil der vermarktungsfähigen Energieerzeugung wird somit deutlich erhöht. Zusätzlich konnte eine vergleichsmäßige Verbrennung erreicht werden, dies hat die Kesselbetriebskosten bereits innerhalb kurzer Zeit deutlich gesenkt. Durch Erhöhung des Dampferzeugerwirkungsgrades sinkt der Brennstoffbedarf, wodurch sich ebenfalls CO 2 -Einsparungen ergeben. Auch die Minimierung von Stickoxiden bei gleichzeitiger Wärmeverlustreduzierung durch Einsparung von Verbrennungsluft verhilft dem Anlagenbetreiber zu einer idealen Symbiose von ökonomischen und ökologischen Zielen. Dem MKV Fenne entstehen dadurch wesentliche Kosten- und Erlösvorteile obwohl nur geringe Implementierungs-Investitionen notwendig waren. Auch hinsichtlich kommerzieller Risiken ist die Lösung höchst wirtschaftlich, da es sich um eine weltweit einmalige Kombination aus führender Technologie und vollständiger Risikoübernahme sowie Finanzierung durch den Lieferanten handelt. Eine höhere Wirtschaftlichkeit könnte in größeren Kraftwerken erzielt werden, die nicht, wie das MKV Fenne, für die Spitzenlastabdeckung eingesetzt werden. Nach einer Musterrechnung spart ein 750 MW Grundlast-Block ca. 1,2 Mio. / a, ohne Einsparungen aus CO 2 Zertifikaten. Die Wirtschaftlichkeit ist beeindruckend! Bei größeren Kraftwerken beträgt die Return-On-Investment-Dauer i. d. R. weit weniger als 1 Jahr. Aufgrund dieser Optimierung sinkt der CO 2 -Gehalt im Abgas durch einen besseren feuerungstechnischen Wirkungsgrad um 0,4-1%. Damit beträgt die potentielle Reduktion von CO 2 für alle deutschen Kraftwerke zwischen 1 Mio. und 2,8 Mio. to CO 2 pro Jahr! Auf die EU25 bezogen, wäre eine Reduktion von 15 Mio. to CO 2 pro Jahr erreichbar.

7 Der Einsatz des 'PiT Navigator' kann mit fast 3 Mio. Tonnen CO 2 -Reduktion alleine in Deutschland zur Senkung der CO 2 -Emissionen beitragen. (Dies übersteigt den CO 2 Ausstoß aller PKW Thüringens!) Das dargestellte Konzept trifft präzise aktuellste Erfordernisse nach höchstem Tempo bei weltweiter Einführung CO2-reduzierender Maßnahmen, da schnelle Entscheidungen fallen können, weil keine Investitions-Budgets erforderlich sind, Optimierungserfolge bereits wenige Wochen nach der Entscheidung auftreten, nachhaltige Verbesserungen durch die Adaptivität der System-Software erzielt werden, dieses Konzept weltweit anwendbar ist. Hervorzuheben ist, dass durch den Einsatz des 'PiT Navigator' gleichzeitig der Anteil an Sekundärbrennstoffen gesteigert wurde. Dies führt ebenfalls zu einer Schonung knapper Primärbrennstoffe. Dieses Konzept ist übertragbar auf nahezu sämtliche komplexen industriellen Verbrennungsprozesse. Das Marktpotential für einen Einsatz des 'PiT Navigator' wird auf mindestens Kraftwerksblöcke weltweit geschätzt. Der Optimierungsansatz softwaregestützte Prozess-Simulation mit Hilfe statistischer Modelle ist grundsätzlich auf nahezu alle komplexen industriellen Regelungsaufgaben übertragbar. Darüber hinaus verfügt Powitec über zahlreiche Referenzinstallationen in der Zement- und Kalkindustrie sowie in Müllverbrennungsanlagen. Auch hier wurden wesentliche Effizienzsteigerungen durch den Einsatz des PiT Navigator erzielt. Nach Kraftwerken in Korea, Hamburg und im Saarland hat sich nun auch ein Kraftwerk in NRW für den PiT Navigator entschieden. Innovationsgrad Der Einsatz hoch zeit- und ortsnah auflösender speziell entwickelter Multisensorik in Kombination mit Bildverarbeitungs- und Informationsverdichtungsmodulen sowie einem mehrdimensionalen adaptiven und selbstlernenden Regler auf Basis von Neuronalen Netzen ist uneingeschränkt die derzeit weltweit fortschrittlichste Entwicklungsstufe industrieller Feuerungsoptimierung und durch Powitec patentiert. Bestehende technische Prozessregelungen waren bisher nicht in der Lage, die optische Analyse des Anlagenführers zu ersetzen; dies wurde erst möglich durch die Übertragung von Erkenntnissen aus der Robotik auf die automatisierende Regelung von komplexen Feuerungsanlagen und die erstmalige Kombination von Digitaler Bildverarbeitung mit patentierter, weltweit einmaliger selbstlernender und adaptiver Software. Der Innovations- und Entwicklungsvorsprung zu Wettbewerbssystemen wird auf mindestens 3 Jahre geschätzt. Performance Contracting als ausschließlich erfolgsbezogene Variante (ohne Erfolg keine Bezahlung) ist in dieser Ausprägung neuartig für den Industriekunden, weitere Referenzen Dritter hierzu sind nicht bekannt. Fazit Performance Contracting ist aufgrund der Risikoverlagerung ausschließlich auf den System- Lieferanten hervorragend geeignet zur Vermarktung von Technologie-Innovationen wie dem PiT Navigator. Der gesamte Entscheidungsprozess wird durch das Modell beschleunigt, Steigerungen der Energieeffizienz, verbunden mit CO 2 Einsparungen sind kurzfristig (8 Wochen nach Installation) zu verzeichnen aufgrund der selbstprogrammierenden Regelungssoftware.

8 Literaturhinweise Reduction of UBC (Unburnt Carbon in Ash) using an innovative combustion controller for poor quality coals Dirk Schmidt, Powitec Intelligent Technologies GmbH, Germany Dong-ha Kim, Komipo TPP Seocheon, South Korea Moo-Sung Oh, ABB Ltd., South Korea Tagungsband PowerGen 2006, Cologne Performance Contracting für einen Feuerungsoptimierer auf Basis von Neuronalen Netzen in einem kohlegefeuerten Kraftwerk Performance contracting for a combustionoptimiser in the coal fired power plant D. Kiehn, Völklingen, D. Schmidt, Essen. Tagungsband VGB Fachtagung "Kraftwerke im Wettbewerb 2007", Hamburg Optimierung des Verbrennungsvorgangs bei HVC Alkmaar mit selbstlernender Software auf Basis neuronaler Netze Optimised Combustion Control at HVC Alkmaar with Model Predictive Control based on Neural Nets from Powitec Dennis Froeling, HVC Alkmaar Tagungsband Waste to Energy 2007, Bremen Highly Efficient Burning of Clinker Using Flame Analysis and NMPC Bernd Beyer, Powitec Intelligent Technologies GmbH, Germany Tagungsband IEEE 2007, Charleston, USA Increasing Production Efficiency Alexander Hanf, Powitec Intelligent Technologies GmbH, Germany Global Cement, June 2007 Author Alexander Hanf Diplom Kaufmann / Master of Business Administration Business Development Manager Company Profile Powitec Intelligent Technologies GmbH mit Sitz in Essen-Kettwig wurde im Jahre 2001 gegründet hat 43 Mitarbeiter mit weit reichender Kompetenz in Verbrennungsprozessen und Neuronalen Netzen. Powitec Systeme optimieren Prozesse der Zement-, Müllverbrennungs-, Sondermüll-, und Kraftwerksindustrie. Das angebotene Softwaresystem ist selbstlernend und analysiert, steuert und optimiert Verbrennungsprozesse. Die patentierte Software und Hardware werden selbst hergestellt und weltweit eingesetzt. Energieeffizienz, Emissionsreduktion, Verbesserung der Verfügbarkeit der Anlage, Einsparungen bei Primär- und Sekundärbrennstoffen und Qualitätsmanagement sind die deutlichen Vorteile der Powitec Lösungen. Informationen und Bildmaterial erhalten Sie unter oder bei Powitec Intelligent Technologies GmbH Alexander Hanf Im Teelbruch 134 b 4521 Essen Kettwig Fon: +49 (0) Fax: +49 (0) alexander.hanf@powitec.de