Forschungsprojekt „DigitalFire” will Biomassefeuerungen digitalisieren

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Symbolbild Biomassekraftwerk
Symbolbild Biomassekraftwerk (Quelle: Konstantin Romanov/stock.adobe.com)

Für einen wirtschaftlichen Betrieb müssen Biomasse-Kesselanlagen und -Heizkraftwerke mehr und mehr in der Lage sein, auch Brennstoffe niedrigerer Qualität inklusive biogener Reststoffe verarbeiten zu können. Dabei kann die Digitalisierung von Biomassefeuerung helfen. Forschende vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht arbeiten im Rahmen des Projekts „DigitalFire“ daran, dieses Potenzial zu heben. „Entlang der gesamten Prozesskette werden wir Module entwickeln und im Realbetrieb testen, die eine Fülle an zusätzlichen Daten erzeugen. Diese können dann genutzt werden, um die Anlagen effizienter und damit wirtschaftlicher zu machen“, erklärt Projektleiter Martin Meiller.

In Deutschland existieren dem Fraunhofer Umsicht zufolge ca. 900.000 Biomasse-Kesselanlagen und ca. 700 Biomasseheizkraftwerke. Zwar sind die meisten Systeme grundsätzlich im Stande Einsatzstoffe wie Pellets, Hackschnitzel oder Späne zu verarbeiten und verfügen auch über entsprechende Programme. Für Brennstoffe wie Waldrestholz oder biogene Reststoffe müssen die Parameter aber manuell eingestellt werden. Dies sei aufwändig und erfordere viel Erfahrung.

„Ökonomischer Nutzen stellt sich schnell ein“

Die Verbrennungsregelung müssen dabei so eingestellt werden, dass ein stabiler Verbrennungsprozess mit hoher Ausbrandqualität von Feststoff und Gasphase und damit ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Fehler bei der Einstellung der Feuerung führen zu höheren Emissionen und im schlimmsten Fall zu höherem Verschleiß mit Wartungsfolgen und Ausfallzeiten. Hier kommt die Digitaltechnik ins Spiel: Wenn es gelingt, durch Fortschritte in der Steuerungs- und Regelungstechnik niedrigere Brennstoffqualitäten bei gleichbleibender Leistung zu fahren, stellt sich schnell ein ökonomischer Nutzen ein.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden im Projekt DigitalFire zunächst verschiedene Sensoren, „Soft“-Sensoren und Datenerfassungsysteme installiert. Die darüber erzeugten Daten – beispielsweise zum Heizwert, der Brennstoffzusammensetzung und -qualität, Rosttemperatur und zum Anlagenzustand – werden gesammelt, aufbereitet und visualisiert. Anschließend kommen Methoden des Machine Learning bzw. künstliche neuronale Netze zum Einsatz, um die Daten auszuwerten und nutzbar zu machen, zum Beispiel für eine automatisierte Einstellung der optimalen Feuerungsparameter oder Warnungen vor kritischen Anlagenzuständen. Durch ein benutzerfreundliches Frontend – auch für mobile Endgeräte (z. B. eine App) – sollen diese Informationen dem Betreiber immer direkt zur Verfügung stehen.

Prozessüberwachung auch für kleinere Anlagen

Normalerweise wird eine solch durchgängige digitale Prozessüberwachung der Feuerung nur in großen Biomasseheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen eingesetzt, vor allem aus Kostengründen. Im Projekt sollen diese Funktionen nun auch für Feuerungen in kleineren Leistungsklassen (Kesselanlagen bzw. kleinere Biomassekraftwerke von 100 kW bis zu 20 MW Feuerungswärmeleistung) verfügbar gemacht werden.

Damit die Technik bezahlbar bleibt, machen sich die Wissenschaftler vom Fraunhofer Umsicht sinkende Kosten für elektrotechnische Komponenten, Sensorik und Softwarelösungen zunutze. „Wir werden uns einerseits marktverfügbare Hardware, also Sensoren, Mess-Komponenten oder Kamerasysteme ansehen. Andererseits auch Open Source Software und KI-Bibliotheken, beispielsweise für optische Bilderkennung“, sagte Meiller. „Dann prüfen wir, was wir für Biomassefeuerungen verwenden können, und welche Modifikationen wir brauchen. Insgesamt hoffen wir, dadurch die Investitionen für die Betreiber gering zu halten, um schnell in die wirtschaftliche Gewinnzone zu kommen.“

Projekt wird von BFAutomation und dem BMEL unterstützt

Die BFAutomation GmbH & Co. KG ist als Projektpartner dabei. Sie unterstützt die Forschenden bei der Entwicklung und Einbindung der neuen Module. Der Aufbau und die Einbindung in die Serverinfrastruktur, die Datenauswertung sowie die Anwendungsentwicklung wird von IT-Spezialisten der Umsicht-Standorte in Oberhausen und Sulzbach-Rosenberg durchgeführt.

Das Projekt DigitalFire wird über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) vom Bundesagrarministerium (BMEL) finanziert und hat ein Volumen von 814.402 €. Das Kick-off-Meeting Anfang September 2019 markierte den Projektstart.

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