In Deutschland sollen bis 2020 25% des Stroms in sogenannten Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-Anlagen erzeugt werden, um Energie einzusparen und Umwelt und Klima zu schützen. KWK-Anlagen erzeugen gleichzeitig elektrische Energie wie auch nutzbare Wärme für Heizzwecke oder Produktionsprozesse. Dadurch lässt sich ein Brennstoffnutzungsgrad von 80% bis 90% erreichen. Eine Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll den Ausbau beschleunigen. Das Steinbeis-Innovationszentrum Optimierung, Steuerung und Regelung in Grasberg und die enable energy solutions GmbH in Bad Rothenfelde haben im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „Hochgenaue Modellierung, Simulation und Optimierung von KWK-Anlagen“ neueste mathematische Verfahren zur Entwicklung eines universellen Modellierungsansatzes und zur Optimierung von KWK-Anlagen eingesetzt.
Die Methodik nutzt ausschließlich vorhandene oder leicht zu erfassende Messdaten, um hochgenaue Modelle der KWK-Anlagen zu entwickeln und diese während des Betriebs anzupassen oder sogar automatisch zu optimieren. Dieses Prinzip stellt erstmalig die flexible Anwendbarkeit auf Neuanlagen und auf bereits bestehenden Anlagen unterschiedlicher Bauart sicher. Der Industriepartner enable energy solutions lieferte fachrelevante Informationen und aufbereitete Daten von KWK-Anlagen und unterstützte bei der Erstellung einer graphischen Benutzeroberfläche, die die entwickelten Methoden für den Anwender anschaulich und leicht bedienbar macht.
KWK-Anlagen bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die in verschiedensten Verschaltungen errichtet und betrieben werden. Bei der Steuerung dieser Anlagen gibt es viele Möglichkeiten, wie beispielsweise die Zuschaltung von Wärmespeichern oder Lastregelungen an Turbinen. Dabei müssen gleichzeitig innere und äußere Einflüsse, wie die Außentemperatur, der Luftdruck oder Verschmutzungen berücksichtigt werden. Diese komplexe Vernetzung macht es für den Anlagenbetreiber unmöglich, daraus direkt einen ökonomisch und ökologisch optimalen Betrieb abzuleiten. Bisher wurden die Anlagen überwiegend auf Basis von Erfahrungswerten orientiert am thermischen oder elektrischen Leistungsbedarf betrieben. Marktübliche Systeme zur allgemeinen Modellierung von KWK-Anlagen oder Kraftwerken beschreiben die Anlagen auf Basis thermodynamischer und physikalischer Modelle, die kleine Änderungen an der Anlage durch Reinigung, Austausch von Komponenten oder ähnliches unzureichend oder gar nicht berücksichtigen. Folglich können diese Simulationsmodelle die Wirklichkeit nur bedingt genau abbilden und müssten zur Verbesserung unter hohem Zeit- und Personalaufwand angepasst werden.
Das nahmen die Steinbeis-Experten in Grasberg zum Anlass für die Entwicklung eines geeigneten Online-Optimierungssystems. Das neue System unterstützt den Anlagenbetreiber bei der Steuerung der Anlage und berücksichtigt dabei den Bedarf an elektrischer Energie und Wärme im Unternehmen, als auch wirtschaftliche Faktoren wie Energiepreise und Einspeisevergütungen. Das System nutzt aus dem Live-Betrieb gewonnene Daten für ein sich selbst aktualisierendes Modell. Der Anlagenbetreiber wird nun nicht mehr für die Modellierung selbst, sondern nur für die Auswahl der Messdaten des abzubildenden Bauteils benötigt. Die entwickelten datenbasierten Modellierungsansätze gewährleisten effiziente Berechnungen und ermöglichen schnelle Online-Updates der Modelle. Diese unkomplizierten Anpassungen sind Voraussetzung für den Einsatz von automatischen Optimierungsroutinen, da für diese zahlreiche Modellauswertungen notwendig sind. Die verwendete Optimierungsroutine WORHP (We Optimize Really Huge Problems, www. worhp.de) entstand ebenfalls am Steinbeis-Innovationszentrum Optimierung, Steuerung und Regelung und ist in der Lage Optimierungsprobleme mit hunderten Millionen von Freiheitsgraden und Beschränkungen effizient zu lösen. Gerade für KWK-Anlagen wurde mit dem in diesem Projekt entwickelten Tool eine Schnittstelle zu WORHP definiert, die zur Optimierung unterschiedlicher KWK-Anlagen genutzt werden kann.
Mit Blick auf den Klimawandel, den steigenden Energieverbrauch und die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe stehen Effizienzsteigerung und Senkung von CO2-Emissionen im Mittelpunkt der aktuellen Diskussion. Steinbeis und enable energy solutions haben mit ihrer innovativen Entwicklung beispielhaft an einer Realanlage aufgezeigt, welches große Einsparpotenzial in KWK-Anlagen steckt: Sie haben mit Hilfe datenbasierter Modellbildung und anschließender Optimierung eine Fahrweise berechnet, die eine jährliche Reduktion der Treibhausgasemission von etwa 7.200 Tonnen und des Erdgasverbrauchs von etwa 34 GWh erzielen kann. Dies entspricht einer gleichzeitigen Senkung der Kosten um etwa 1,2 Millionen Euro.
Professor Dr. Christof Büskens
Steinbeis-Innovationszentrum Optimierung, Steuerung und Regelung (Grasberg)
su1328@stw.de