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

Projekt: Foschungsprojekt

Beschreibung

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.
StatusLaufend
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/03/1728/02/20