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Gut geregelt: Biogas-BHKW mit Biogasreinigung lassen sich mit der richtigen Steuerung effizienter betreiben.
Bioenergie, Erdwärme, Wasserkraft

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Steuerung von Biogas-Blockheizkraftwerken

Text: Thorsten Knöner, Phoenix Contact Fotos: Phoenix Contact
Blockheizkraftwerke sind die heimlichen Stars der Energiewende, weil sie variabel und dezentral Strom und Wärme bereitstellen. Das will allerdings gesteuert und geregelt sein - noch dazu, wenn Satelliten-BHKW ins Spiel kommen, weil die Energie nicht am Ort der Erzeugung benötigt wird. In allen Fällen können Kleinsteuerungen gute Dienste leisten.

Um ein Blockheizkraftwerk (BHKW) sicher betreiben zu können, ist viel zu regeln. So setzt man etwa bei Dreyer & Bosse, die BHKW auf Biogasbasis entwickeln, aufgrund des großen Spektrums unterschiedlicher Anwendungen auf ein modulares und skalierbares Steuerungskonzept. Ein wesentliches Entscheidungskriterium für die Wahl der Inline-Steuerungen ist die durchgängig verwendbare Automatisierungs-Software PC Worx. Von Kleinsteuerungen bis zur Soft-SPS als Bestandteil eines Industrie-PCs lassen sich sämtliche Geräte mit dem Engineering-Tool gemäß IEC 61131 programmieren. Sollte also aus Performance-Gründen eine leistungsfähigere SPS notwendig sein, wird das Programm ohne Änderungen auf das neue Gerät portiert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Steuerungen auf bis zu 4096I/O-Signale erweiterbar ist und die Kommunikation über zahlreiche Wege möglich ist, etwa über Ethernet und industrielle Feldbussysteme wie Profibus DP oder CANopen.

Wichtige Regelungsfunktionen

Abgesehen von der eigentlichen Leistungsregelung über einen speziellen Aktuator an der Drosselklappe des Motors muss bei einem BHKW beispielsweise das Gas-/Luftgemisch kontinuierlich nachgeführt werden. Dies erfolgt durch einen Schrittmotor am Mischer. Eine andere wichtige Regelungsfunktion besteht in der kompletten thermischen Überwachung des BHKW.

Zu diesem Zweck erfassen Temperatursensoren und Thermoelemente sämtliche relevanten Temperaturen und verarbeiten sie durch sogenannte Software-Regler über bis zu acht Regelkreise in der Inline-Steuerung. Analoge Ausgangssignale der SPS steuern die motorbetriebenen Mischer in Form einer stetigen Regelung an. Zur Detektierung einer Fehlfunktion des Mischers wird seine Position über eine analoge Rückmeldung an die Steuerung übertragen.

Einbindung von unterlagerten CANopen-Systemen

Die Hersteller statten moderne Verbrennungsmotoren bereits mit unzähligen Sensoren aus, die Störungen auffinden und für die Langzeitdiagnose genutzt werden können. Die Kommunikation mit den Motordiagnoseboxen basiert in der Regel auf diversen CAN-Protokollen. Vor diesem Hintergrund kommt eine CAN-Masterklemme zum Einsatz, die einfach an die Steuerung angereiht wird.

Sie ermöglicht die Einbindung des unterlagerten CAN-Systems in die Inline-Station und somit in das überlagerte Ethernet-Netzwerk. Die Masterklemme koppelt die CAN-Daten dazu transparent in den Lokalbus der Inline-Steuerung ein. Über Funktionsbausteine lassen sich daher fast alle CAN-Protokolle in die Applikation integrieren. In diesem Fall wird die Kommunikation über das J1939-Protokoll aufgebaut, was die Installation zusätzlicher Sensoren am Motor erspart.

Die CAN-Masterklemme verbindet zudem die Inline-Steuerung via CANopen mit der Zündbox des Verbrennungsmotors. Über die Zündbox kann die Zündenergie an der Zündkerze so eingestellt werden, dass das Gas sauber verbrennt, die Zündkerze jedoch nur mit der Energiemenge beaufschlagt wird, die dafür notwendig ist. Durch diese Regelung erhöht sich die Lebensdauer der Kerze deutlich. Zudem kann sie zum optimalen Zeitpunkt ausgewechselt werden, was die Materialkosten und Stillstandszeiten reduziert.

Kommunikation per Kabel oder Mobilfunknetz

Das BHKW erzeugt neben der elektrischen Energie auch eine Menge thermischer Energie, die im besten Fall mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) vollständig genutzt werden sollte. Elektrische und thermische Energie werden allerdings in vielen Fällen nicht komplett dort benötigt, wo das Biogas hergestellt wird, das sich oftmals lediglich mit großem Aufwand in das Netz des Energieversorgers einspeisen lässt. In derartigen Fällen bieten sich Satelliten-BHKW an, die dort installiert werden, wo ein hoher Bedarf an thermischer Energie besteht. Dazu gehören zum Beispiel mittlere und große Industriebetriebe sowie Schulen, Krankenhäuser oder Schwimmbäder.

Durch die abgesetzte Lösung entsteht jedoch ein erhöhter Kommunikationsbedarf zwischen der Biogasanlage, in der das Biogas erzeugt und gespeichert wird, sowie den einzelnen Satelliten-BHKW, die das Biogas dann in ihren Motoren verbrennen. Bestenfalls werden die Daten über ein Lichtwellenleiterkabel ausgetauscht, das parallel zur Biogasleitung verlegt ist.

Teilweise greifen die Anwender auch auf das Telefon- oder Mobilfunknetz zurück. Die in die Kleinsteuerung integrierte Netzwerkschnittstelle und die kostenlosen Funktionsbausteine zur TCP/IP-Kommunikation setzen die Aufgabe einfach und wirtschaftlich um. Liefert die Anlage beispielsweise nicht genügend Biogas, muss die Steuerung die Leistung des BHKW reduzieren oder es unter Umständen komplett abschalten.

Daten via SD-Karte aufzeichnen

Die komfortable Vor-Ort-Bedienung des BHKW wird immer häufiger zu einem Verkaufsargument. Je nach Anlagengröße und Kundenanforderung kommt in den Applikationen die ganze Bandbreite vom kleinen 7-Zoll-Touch-Panel mit Farb-Display bis zu Industrie-PCs mit einer Bildschirmdiagonale von 15 Zoll zum Einsatz. Dabei zeichnen sich die Touch-Panel neben der hohen mechanischen und chemischen Robustheit aufgrund einer Aluminium-Front durch ihre schnelle Inbetriebnahme aus, da die Hardware vorkonfiguriert und die Software vorinstalliert ist. Auf sämtlichen Geräten läuft eine einheitliche Visualisierungs-Software, die alle relevanten Scada-Funktionen zur Verfügung stellt. Touch-Panel und Industrie-PCs werden über einen im Schaltschrank verbauten industriellen Netzwerk-Switch an die Kleinsteuerung angebunden. Zusätzlich zur eigentlichen Steuerungsfunktion übernimmt der Controller die Datenaufzeichnung im BHKW, was auch als Logging bezeichnet wird. Wichtige Anlagenparameter werden auf der in die Steuerung gesteckten SD-Karte mit File-System gespeichert, sodass sie den Service-Technikern über den integrierten FTP-Server für spätere Auswertungen vorliegen. Sollte während des Betriebs der Anlagen ein Problem auftreten, kann sich das Wartungspersonal zwecks Teleservice in das jeweilige Netzwerk einwählen. Das geschieht entweder über den Internet-Anschluss des Betreibers oder über einen Mobilfunk-Router, der direkt im Schaltschrank montiert wird.

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