Erhöhung der Brennstoffflexibilität und des Lastmodulationsverhaltens von Festbett-Biomasse-Vergaser durch modellbasierte Regelungsstrategien

Aufgrund der CO2-Neutralität wurde die energetische Nutzung von Biomasse in den letzten Jahrzehnten sehr wichtig. Die Verbrennung von Biomasse für kleinere Anwendungen, typischerweise für die Wohnungserwärmung, bis hin zu mittleren und großen Anwendungen für die kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom ist gut entwickelt und deshalb weitestgehend verbreitet. Parallel zur Entwicklung von in der Praxis umgesetzten Biomasseverbrennungssystemen wurde ein starker Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung auf die Biomassevergasung gelegt. Der Hauptunterschied zwischen Biomasseverbrennung und Vergasung ist die unvollständige Verbrennung in der Vergasung, die zu einem brennbaren Produktgas führt. Dieses resultierende Produktgas überzeugt durch dessen sehr hohe Flexibilität bei der Herstellung von Wärme und Strom, Transportbrennstoffen, Chemikalien oder wertvollen Gasen. Für die kombinierten Wärme- und Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung im Sinne der Biomassevergasung werden im kleinen Leistungsbereich typischerweise auto-therme, atmosphärische Luft-Vergasungsanlagen eingesetzt. Neben Wirbelschichtvergasern oder Strömungsreaktoren wurden insbesondere für Kraft-Wärme-Kopplung Festbettvergaser erfolgreich für Kleinanlagen vermarktet. Diese aktuellen Kleinanlagen der Biomassevergasung können als robust genug für die praktische Anwendung angesehen werden, wobei deren Begrenzung auf sehr spezifische Treibstoffeigenschaften, Lastmodulationsfähigkeiten und einen stationären Betrieb eine Barriere für den Weg zu einer breiteren Marktentwicklung darstellt. Um die Brennstoffflexibilität und die Lastmodulationsfähigkeit des Vergasers zu erhöhen, soll eine entsprechende Verbesserung der Automatisierung und Regelung in Betracht gezogen werden. Derzeit ist die Automatisierung und Regelung in den verschiedenen Kleinanlagen der Biomassevergasung einfach gehalten, da die externen Störungen a priori vermieden werden, indem die Brennstoffeigenschaften sowie die Lastanforderung möglichst konstant gehalten werden. Folglich muss die Regelung das System lediglich in einem stationären Betriebspunkt halten, was durch einen vergleichsweise geringen Grad an Komplexität ausreichend gut erreicht werden kann. Bisher konzentrierte sich die Forschung der Kleinanlagen der Biomassevergasung auf prozedurale und mechanische Fragenstellungen, um in möglichst kurzer Zeit eine beträchtliche Menge an Anlagen praxistauglich und wirtschaftlich betreibbar machen zu können. In Bezug auf Automatisierung und Regelung wurden bislang jedoch keine umfangreichen Studien bezüglich Kleinanlagen im Bereich der Biomasse-Festbettvergasung durchgeführt. Der vielversprechendste Ansatz für eine Regelung derart komplexer Systeme sind modellbasierte Regelungsstrategien, die eine explizite Berücksichtigung der Kopplungen und nichtlinearer Korrelationen zwischen den verschiedenen Prozessvariablen ermöglichen. Das System wird durch ein vergleichsweise einfaches, aber nichtlineares, mathematisches Modell beschrieben, das als Grundlage für den Reglerentwurf verwendet wird. Die unterschiedlichen Vorteile solcher modellbasierten Regelungsstrategien resultieren im Wesentlichen aus der expliziten Berücksichtigung aller Kopplungen und nichtlinearen Korrelationen zwischen den verschiedenen Variablen, die in weitere Folge zu einer erhöhten Brennstoffflexibilität, einer erhöhten Lastmodulationsfähigkeit, einem verringerten Wartungsaufwand für die Betreiber, einer erhöhten Effizienz und verringerten Schadstoffemissionen führen. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von modellbasierten Regelungsstrategien für ausgewählte Prozesse einer Biomasse-Festbettvergasung in Kombination mit einem Verbrennungsmotor zur kombinierten Wärme- und Stromerzeugung. Die Regelung soll die Brennstoffflexibilität der Systeme sowie die Lastmodulationsfähigkeit erhöhen können. Die Entwicklung der modellbasierten Regelungsstrategien erfolgt sowohl experimentell anhand der Biomassevergasungsanlage der Urbas Maschinenfabrik Ges.m.b.H, als auch theoretisch auf der Basis von regelungstheoretischen, wärmetechnischen oder thermochemischen Überlegungen. Schlussendlich sollen die modellbasierten Regelungsstrategien für die ausgewählten Prozesse an der Biomassevergasungsanlage der Urbas Maschinenfabrik Ges.m.b.H implementiert und experimentell validiert werden.