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Aufbau des VREM-Kombinationssystems auf Basis der speicherprogrammierbaren Steuerung. (Quelle: Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP))

Forscher am Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) entwickelten gemeinsam mit den Unternehmen HDG Bavaria und LAMTEC ein Kombinationssystem zur Früherkennung von Bedienungsfehlern durch die Betreiber von Heizkesselanlagen. Die Verbesserung der Verbrennung bei kontinuierlicher Prozessüberwachung reduziert nicht nur in erheblichem Maße schädliche Emissionen, sondern erhöht auch den Wirkungsgrad im Praxisbetrieb auf über 93 Prozent.

VREM-System soll Wirkungsgrad von Biomasseheizkesseln erhöhen

Die Debatte um Feinstaub aus Kleinfeuerungsanlagen wird heiß geführt. Einerseits erzeugen die ca. 11 Mio. Holzkamine und 0,7 Mio. Heizkessel in Deutschland einen hohen Anteil an erneuerbarer Wärme und tragen zum Klimaschutz bei, auf der anderen Seite alarmieren Zahlen des Umweltbundesamts. Denn Holzfeuerungsanlagen verursachen einen vergleichsweise hohen Ausstoß an Feinstaub und anderen Schadstoffen, etwa organischen Verbindungen aus einer unvollständigen Verbrennung. Einige dieser Stoffe, vor allem polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind krebserregend. Mit Blick auf den Trend zum gemütlichen „Komfortkamin“ in den eigenen vier Wänden und dem Ausbau der Erneuerbaren durch Wärmegewinnung aus Biomasse werden dringend Lösungen für saubere Feuerungsanlagen gesucht. Nun gibt das Forschungsprojekt „Kombinationssystem“ (FKZ-Nr.: 03KB109) Hoffnung auf rauchfreiere Zeiten. Das Projekt wird im BMWi-Förderbereich „Energetische Biomassenutzung“ im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms gefördert.

Der Fokus des Vorhabens liegt speziell auf Heizkesseln, die nicht nur die kleine Stube, sondern ganze Wohnanlagen beheizen. „Unsere Idee war, dass neben den konstruktiven Gegebenheiten der Verbrennungstechnik, vor allem das Verhalten des Betreibers von entscheidender Bedeutung für die Verbrennungsqualität und somit die Feinstaubemissionen ist.“, so Dr. Mohammad Aleysa, Projektleiter am IBP. Denn nur durch eine gute Auswahl des Brennstoffs und die richtige Bedienung der Verbrennungstechnik kann ein effizienter und schadstoffarmer Betrieb des Kessels gewährleistet werden. Das aktuell von den Forschern entwickelte VREM-System (Verbrennungsregelungs- und Emissionsmonitoringsystem) zur kombinierten regelungstechnischen Optimierung der Verbrennung bei gleichzeitiger Überwachung der Prozesse soll künftig eine Fehlbedienung der Biomasseheizkessel vermeiden. 

Wie funktioniert das VREM-System?

O2/COe-sondengestützte Analysen und intelligente Überwachungsalgorithmen regeln den Verbrennungsprozess mit niedrigerem Sauerstoffüberschuss und der Vermeidung hoher Wärmeverluste. Letztere können über nicht verbrannte Bestandteile oder über die freie Wärme im Abgas entstehen. Die Regelung des Verbrennungsprozesses ermöglicht eine präzise Luftzufuhr, welche wiederum eine optimale Verbrennung gewährleistet – ganz unabhängig vom eingesetzten Brennstoff. Beim Auftreten von Komplikationen bzw. Betriebsstörungen, die sich regelungstechnisch nicht beheben lassen, wie z. B. beim Einsatz illegaler Brennstoffe, wie Haushaltsabfällen und Althölzern, oder technischen Defekten, wird der Betreiber per E-Mail und SMS informiert. Durch diese frühzeitige Fehlererkennung und ihre Beseitigung können gefährliche Schadstoffe wie etwa Feinstaub, CO, CnHm (Kohlenwasserstoffe) oder PAKs vermieden werden. Darüber hinaus werden laut IBP durch das VREM-System nicht nur Emissionen erheblich reduziert, sondern auch der Wirkungsgrad auf über 93 Prozent erhöht. 

Die Überwachungsalgorithmen mit der O2/COe-Sonde wurden nach der Erprobung auf dem Prüfstand erfolgreich in zwei in der Praxis befindlichen Biomasseheizkesseln der Firma HDG Bavaria über eine Heizperiode dauererprobt. Hierbei handelte es sich um hand- und automatisch beschickte Heizkessel für die Verbrennung von Scheitholz und Holzpellets. Sowohl die O2/COe-Sonde, als auch die Überwachungsalgorithmen haben eine sehr gute Eignung für den Dauereinsatz in der Praxis gezeigt.

Fazit und Ausblick

Die Forscher am IBP bewerten die Erkenntnisse aus dem Projekt hinsichtlich energetischer und wirtschaftlicher Optimierung und umweltverträglicherer Gestaltung des Betriebs von Biomasseheizkesseln als sehr gut. Entscheidend für die Umsetzung der Projektergebnisse sei die Entwicklung einer kompakten für den Einsatz in Biomasseheizkesseln angepassten Elektronik für die O2/COe-Sonde, welche im Rahmen eines laufenden ZIM-Projekts (Zentrales Innovations-programm Mittelstand, BMWi) in Kooperation mit der Firma SABO Elektronik GmbH seit eineinhalb Jahren erfolgt. Auf Basis der beiden Projekte soll in einem Nachfolgeprojekt eine hard- und softwaremäßig praxistaugliche O2/COe-Regelung entwickelt werden. Diese soll anschließend im Praxisbetrieb an fünf Heizkesseln unterschiedlicher Hersteller über zwei Heizperioden erprobt werden. Die Beantragung des Folgeprojekts soll bis April 2020 erfolgen.

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