SENSORGESTÜTZTE VERBRENNUNGSLUFTREGELUNG ZUR MINIMIERUNG DER EMISSIONEN VON BIOMASSEHEIZKESSELN SENSTEF*

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1 SENSORGESTÜTZTE VERBRENNUNGSLUFTREGELUNG ZUR MINIMIERUNG DER EMISSIONEN VON BIOMASSEHEIZKESSELN SENSTEF* *Forschungsvorhaben im Rahmen des Förderprogramms Nachwachsende Rohstoffe des BMEL, vertreten durch die FNR, mit dem Förderschwerpunkt Feste Bioenergieträger ; FKZ Dr. Markus Dambacher SICK AG, Division Analyzers, Reute Agritechnica Hannover,

2 GESAMTZIELE DES FORSCHUNGSVORHABENS Projektziele Entwicklung eines intelligenten Feuerungsprozess-Regelungssystems, mit dem die Grenzwerte der 1. BImSchV weit unterschritten werden können automatisch beschickte und manuell betriebene Kleinfeuerungsanlagen Erhebliche Reduzierung der gasförmigen als auch partikulären Emissionen ohne Sekundärmaßnahmen (Abgaskatalysator, Feinstaubfilter, etc.) Emissionsminimierung durch Einsatz überwiegend verfügbarer Sensorik Kontinuierliche Überwachung sowie Darstellung der Güte der Verbrennung Maßnahmen Etablierung von langzeitstabilen CO/HC-Sensoren im in-situ-einsatz des Abgases von Holzverbrennungsanlagen Grundlage für die Entwicklung neuartiger Regelungsalgorithmen CO/HC Anzeige von sich abzeichnenden Fehlfunktionen, Wartungs- oder Prozesszuständen der Anlagen mit einem Feuerungsprozess-Monitor O2 Messen TEMP Monitor Überwachen Sekundärluft Regeln Primärluft 2

3 CHANCEN UND RISIKEN Chancen Technologiesprung in Feuerungsprozess-Sensorik, -Regelungstechnik und -Monitoring: Emissionsärmerer Betrieb als in 2. Stufe der 1. BImSchV gefordert Anzeige der Verbrennungsqualität bzw. der Minderungen im Betrieb Erweiterung der Möglichkeiten zur Bewertung des aktuellen Verbrennungszustandes durch den CO/HC-Sensor zusätzlich zur marktüblichen Sauerstoffmessung Marktpotenzial bei der Nachrüstung vorhandener und Ausrüstung neuer Anlagen Risiken Qualifizierung eines geeignetes CO/HC-Sensorelementes im Abgas der Holzfeuerung Bisher kein langzeitstabiler und ausreichend sensitiver CO/HC-Sensor am Markt verfügbar Realisierung des Feuerungsprozess-Monitors zur Überwachung der gasförmigen Emissionen bzw. zur Feuerungsprozess-Regelung auf einem am Markt durchsetzbaren Preisniveau Wirtschaftliches Risiko, bedingt durch den Neuheitsgrad und die innovative Ausrichtung Förderung notwendig 3

4 FÖRDERPROGRAMM DER FNR IM AUFTRAG DES BMEL Primäre Emissionsminderungsmaßnahmen Fokus primäre Maßnahmen! Emissionsarme Verbrennungstechnik von automatisch beschickten Biomassefeuerungen mit Ausnahme von Prüfstandsuntersuchungen: Einsatz innovativer Lösungen zur Regelung und Steuerung von Verbrennungsprozessen CO/HC-Sensor Festlegung, Organisation und Umsetzung von erweiterten Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen Gewährleistung eines technisch einwandfreien Anlagenzustandes Feuerungsprozessmonitor Förderung seit Mai 2015 durch die FNR im Auftrag des BMEL! 4

5 PROJEKTSTRUKTUR IN 3 TEILVORHABEN (TV) TV 1: Sensorisch unterstützte Verbrennungsluft-Regelungstechnik für Kleinfeuerungsanlagen Projektleitung: Institut für Sensorik und Informationssysteme (ISIS), Hochschule Karlsruhe Unterauftragnehmer: Brunner GmbH und Lamtec GmbH Assoziierter Partner: Robert Bosch GmbH, Automotive Aftermarket TV 2: Verbrennungsoptimierung, Anlagenentwicklung sowie Feld- und Demonstrationsmessungen für automatisch beschickte Hackschnitzel-Feuerungsanlagen Projektleitung: Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig Unterauftragnehmer: A.P. Bioenergietechnik GmbH (Ökotherm) und ETE EmTechEngineering GmbH TV 3: Verbrennungsprozess-Monitoring für Kleinfeuerungsanlagen Projektleitung: SICK AG, Reute Gesamtkoordinator für den Projektverbund 5

6 TEILVORHABEN 1 VERBRENNUNGSLUFT-REGELUNGSTECHNIK FÜR KLEINFEUERUNGSANLAGEN Institut für Sensorik und Informationssysteme (ISIS), Hochschule Karlsruhe Zusammenschluss von forschungsaktiven Hochschulmitgliedern mit dem Ziel, Sensor basierte Informationssysteme zu entwickeln, und zwar mit ganzheitlichem Ansatz: Sensorelement Signalverarbeitung Vernetzung Informations- und Prozessregelung SenSTEF: Sensorik, Verbrennungsluft-Regelungstechnik, Abgasanalytik, Feuerungsprozessmonitor Robert Bosch GmbH - Automotive Aftermarket, Karlsruhe Einer der weltweit größten Zulieferer von Kraftfahrzeugtechnik Automotive Aftermarket Einsatz von Automobil-Ersatzteilen in alternativen Anwendungen SenSTEF: Luftmassenströmungssensorik, Restsauerstoff-Abgassensorik Brunner GmbH, Eggenfelden Hersteller von Ofen- und Heiztechnik: Kachelöfen, Heizkamine, wasserführende Einzelfeuerstätten, Systemöfen und Systemkamine, etc. SenSTEF: Heizwasser gekoppelte Stückholzverbrennungsanlage Lamtec GmbH, Walldorf Hersteller von Sensoren und Systemen für die Feuerungstechnik (insb. CO/O2-Regelung) SenSTEF: CO/HC- und Restsauerstoff-Abgassensorik 6

7 TEILVORHABEN 1 VERBRENNUNGSLUFT-REGELUNGSTECHNIK FÜR KLEINFEUERUNGSANLAGEN Ziele: Qualifizierung langzeitstabiler CO/HC-Sensor im Abgas einer Kleinfeuerungsanlage Reduzierung Optimierung Verbrennungsluft-Regelung mit CO/HC- und Massenstromsensoren Emissionen! } CO/HC-Sensorik MOX-Array CarboSen Lambda-Sonde Massenstrom LSU4.9 Kachelofeneinsatz SF10SK HFM7 7

8 TEILVORHABEN 1 VERBRENNUNGSLUFT-REGELUNGSTECHNIK FÜR KLEINFEUERUNGSANLAGEN Reduzierung der Emissionen durch angepasste Regelung am Beispiel einer Pellet-Heizung Reduzierung der Emissionen in den Zündphasen [(1), (4)] auf Niveau der stationären Phasen [(2), (5)] 8

9 TEILVORHABEN 2 VERBRENNUNGSOPTIMIERUNG, ANLAGENENTWICKLUNG, FELDMESSUNGEN Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig Gegründet in Berlin, alleiniger Gesellschafter ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) Effiziente Integration von Biomasse als wertvolle Ressource für nachhaltige Energiebereitstellung SenSTEF: Verbrennungsoptimierung und Anlagenentwicklung, Feld- und Demonstrationsmessungen für automatisch beschickte Hackschnitzel-Feuerungsanlagen A.P. Bioenergietechnik GmbH (Ökotherm), Hirschau Hersteller von Biomasse-Heizanlagen und Feuerungssystemen für die Verbrennung von fester Biomasse inklusive Abgas-Reinigungsanlagen und Brennstoff-Fördertechnik SenSTEF: Regelung/Schnittstelle automatische Verbrennungsanlage verschiedener biogener Brennstoffe ETE EmTechEngineering GmbH, Leipzig Start-up-Unternehmen als Ausgründung des DBFZ mit Ingenieurdienstleistungen und Produkthandel zur Emissionsminderung und Effizienzsteigerung bei Verbrennungsprozessen SenSTEF: Feldversuche mit Hackschnitzelanlage 9

10 TEILVORHABEN 2 VERBRENNUNGSOPTIMIERUNG, ANLAGENENTWICKLUNG, FELDMESSUNGEN Ziele: Evaluierung der CO/HC-Sensoren an einer automatisch beschickten Hackschnitzel-Anlage Konzeption eines Feuerungsprozess-Monitors für automatisch beschickte Anlagen Betreuung, Durchführung und Koordination der Feld- und Demonstrationsmessungen ISIS MOX-Array Lamtec CarboSen Bosch HFM7 10

11 TEILVORHABEN 3 VERBRENNUNGSPROZESS-MONITORING FÜR KLEINFEUERUNGSANLAGEN SICK AG Weltweit einer der führenden Hersteller von Sensoren und Sensorlösungen für industrielle Anwendungen mit knapp Mitarbeitern und einem Umsatz von ca Millionen Euro (Geschäftsjahr 2014) Division Analyzers Fabrikautomation Logistikautomation Prozessautomation Automobil und Zulieferer Druck, Glas, Holz Elektronik und Halbleiter Konsumgüter Kunststoff und Gummi Nahrungsmittel Werkzeugmaschinen Flughafen, Hafen Gebäudemanagement Handel und Distribution Industrielle Fahrzeuge Krane Kurier, Express, Paket, Post Lager und Fördertechnik Bergbau, Zement Chemie und Petrochemie Kraftwerk Metall und Stahl Müllverbrennung, Recycling Öl und Gas Schiffsbau, Werften Messgeräte und Systemlösungen für die kontinuierliche Emissionsüberwachung (In-Situ und Extraktiv) Analysatoren für die unterschiedlichsten Prozessmessungen, auch mit mehreren Messkomponenten 11

12 TEILVORHABEN 3 VERBRENNUNGSPROZESS-MONITORING FÜR KLEINFEUERUNGSANLAGEN Ziele: Entwicklung von Funktionsmustern des modularen Feuerungsprozess-Monitors für automatisch Kesselanlagen und handbeschickte Einzelraumfeuerungen: Aufbau der Hardware und Programmierung der Software zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren Automatische Regelung (nur Stückholzeinzelraumfeuerungen!) und Überwachung sowie Darstellung der Güte des Verbrennungsprozesses Anzeige von notwendigen und Service- und Wartungsmaßnahmen Umsetzung von Schnittstellen zu externen Anwendern sowie zu vorhandenen Steuerungen der Ofenhersteller 12

13 ÜBERSICHT ARBEITSPAKETE Teilprojekt Projektleitung Leitender Partner Arbeitspaket AP-Schlüssel SICK Projektleitung APS0 - Projektleitung SICK M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M Projektjahr Monat Bearbeitender Partner Feuerungsstätten SICK für Sensortests Aufbau ERF ISIS und Konzept Sensorik, Anpassung Regelungs-Software API1 - Feuerstätte ISIS Konzeptionelle Vorbereitung des Monitors APS1 - Konzept Feuerungsprozessmonitor SICK Bereitstellung und Inbetriebnahme ERF APB1 - Feuerstätte BRUNNER Konzeption Luftregelung und Schnittstellen Monitor APB2 - Monitorkonzept BRUNNER Konzeption Automatische Beschickung APD1 - Monitorkonzept DBFZ Sensorevaluierung ERF Sensorevaluierung HHS-K ISIS ISIS Aufbau und Test 4-fach-Sensorarray API2 -MOG-Array ISIS Kalibrierung und Installation CO/HC-Sensoren API3 - CO/HC-Sensoren Installation ISIS Mehrfach-Betrieb der CO/HC-Sensoren API4 - Sensorevaluation 1 ISIS Modifizierung des Sensorbetriebs API5 - Sensorbetrieb-Optimierung ISIS CO/HC-Sensorstabilität API6 - Sensorevaluation 2 ISIS Installation CO/HC-Sensoren an der HHS API7 - Sensorinstallation HHS ISIS Installation und Tests CO/HC-Sensoren APD2 - Sensortests DBFZ Konzept und SICK Funktionsmuster Monitor Anpassung Verbrennungsluftregelung und Vorbereitung Feldtests ERF API8 - Vorbereitung ERF für Feldtests ISIS Konzeption der Regelung für Monitor, Implementierung Regel-Algorithmen API9 - Monitorkonzept und Software ISIS Aufbau Plattform, Umsetzung Sensorsignale, Leistungselektronik APS2 - Feuerungsprozessmonitor Hardware SICK SW-Treiber, Schnittstellen, Implementierung Webserver APS3 - Feuerungsprozessmonitor Software SICK Inbetriebnahme SICK Monitor Anpassung der Feuerstätte an Regelungskonzept APB3 - Optimierung Verbrennungsluftregelung BRUNNER Aufbau Funktionsmuster am ISIS mit Feuerungsexperimenten, Vorbereitung Feldtests API10 - Monitorfunktionsmuster ISIS Aufbau und Inbetriebnahme sowie Messungen mit Monitor-Funktionsmuster APS4 - Feuerungsprozessmonitor Inbetriebnahme SICK Aufbau Funktionsmuster an HHS-Kessel (Technikum), Anpassung Regelung APD3 - Monitorfunktionsmuster DBFZ Feldmessungen Dokumentation DBFZ DBFZ Nachweis Praxistauglichkeit Verbrennungsprozess-Monitor Feld APD4 - Feldmessungen DBFZ Nachweis Praxistauglichkeit Verbrennungsprozess-Monitor Feld APS5 - Feldmessungen SICK Zwischen- / Endbericht API11 - Dokumentation ISIS Zwischen- / Endbericht APD5 - Dokumentation DBFZ Zwischen- / Endbericht APS6 - Dokumentation SICK Entwicklung Monitor Monitor-Konzept und Aufbau Öfen Inbetriebnahme Monitor Feldtest Sensorik ISIS Evaluation DBFZ Projektlaufzeit 25 Monate von Anfang Mai 2015 bis Ende Mai 2017 Aktueller Stand Teilvorhaben 1 Unteraufträge Teilvorhaben 1 Teilvorhaben 2 Teilvorhaben 3 13

14 AKTUELLER STAND DES PROJEKTES Teilvorhaben 1 Inbetriebnahme einer Versuchsanlage von Brunner (SF10SK) am ISIS Aufbau einer Messstrecke für den Einsatz verschiedener Sensoren Installation der ersten CO/HC-Sensoren im Abgas der Feuerung Implementierung der Massenstromsensoren in die Regelung Teilvorhaben 2 Inbetriebnahme einer Versuchsanlage von Ökotherm am DBFZ Aufbau einer Messstrecke für den Einsatz verschiedener Sensoren 50 kw Teilvorhaben 3 Definition der relevanten Schnittstellen zu Sensoren, Aktoren und Steuerungen Konzeption der Hardware des Funktionsmusters des Verbrennungsprozess-Monitors für den Betrieb mit allen relevanten Feuerungsanlagen, welche im Verbundprojekt zum Einsatz kommen Konzeption der Software zur Messwerterfassung und Weiterverarbeitung sowie zur Regelung 14

15 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Projektziele Entwicklung eines intelligenten Feuerungsprozess-Regelungssystems für automatisch beschickte und manuell betriebene Feuerungsanlagen Erhebliche Reduzierung von gasförmigen und partikulären Emissionen ohne Sekundärmaßnahmen Deutliche Unterschreitung der in der 1. BImSchV ab 2015 festgelegten Grenzwerte Etablierung von langzeitstabilen CO/HC-Sensoren im Abgas von Holzverbrennungsanlagen Grundlage für die Entwicklung neuartiger, innovativer Verbrennungsluft-Regelungsalgorithmen Anzeige von sich abzeichnenden Fehlfunktionen sowie Wartungs- oder Prozesszuständen Abgeschlossene Arbeiten Aufbau der Feuerungsanlagen und Installation von Luftmassenstrom- und ersten CO/HC-Sensoren Konzeptionelle Vorbereitung der Hardware und Software des Feuerungsprozessmonitors Kommende Arbeiten Untersuchung der Langzeitstabilität der CO/HC-Sensoren im Abgas verschiedener Feuerungsanlagen Aufbau und Inbetriebnahme des Feuerungsprozessmonitors sowie Nachweis der Funktion im Feld 15

16 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Dr. Markus Dambacher SICK AG, Division Analyzers, Reute