Optimierung im Biomasse Heizwerk durch Puffereinbau

Die Ökoenergie Bad Kreuzen eGen betreibt seit dem Jahr 2002 die Fernwärme-versorgungsanlage Bad Kreuzen, welche über zwei Biomasse-Heizkessel mit Wärme versorgt wird und nunmehr auch ein Pufferspeicher mit 70 m³ die Anlage in Spitzen- und Schwachlastzeiten unterstützt.

Nachdem in den letzten Jahren das Fernwärmenetz ständig erweitert und verdichtet wurde, sind die beiden bestehenden Biomassekessel an Ihre Leistungsgrenze gelangt.

Leistungsdaten der beiden Biomassekessel:

Kessel 1 Nennleistung 1000 kW maximale Wärmeleistung 1700 kW

Kessel 2 Nennleistung 700 kW maximale Wärmeleistung 1100 kW

Die beiden Kessel können bei Einsatz eines hochwertigen Brennstoffes kurzfristig (ca. 1-1,5 Stunden) mit einer Überlast betrieben werden.

Unter Berücksichtigung folgender Daten ist der Einbau eines Pufferspeichers samt der entsprechenden Regelung erfolgt:

Abnehmerleistung gesamt 4600 kW

Gleichzeitigkeitsfaktor 68 %

Netzverluste 170 kW

Spitzenlast Netz (-15°C AT) 3150 kW

Kesselauslastung Nennlast 1700 kWrd. 150 %

Früher wurden für die Spitzenlastabdeckung im Bereich der frühen Tagesspitzen (4.00 Uhr bis 8.15 Uhr) und Abendspitzen (16.00 bis 20.15 Uhr) jeweils die Netztemperaturen um 5°C im Winter und um 3° C im Sommer angehoben, womit damit auch zusätzliche Netzverluste auftreten. Diese Netzverluste können nun vermieden werden (grobe Abschätzung von mind. rd. 13.000 kWh Netzverluste), die durch diese Netztemperaturanhebung über das Jahr gesehen verloren gehen.

Auch der Umstand, dass auch in Zukunft weitere Kunden an das Fernwärmenetz angeschlossen werden sollen (Netzverdichtung und Netzausbau) war eine Optimierung der Anlage sowie der erfolgte Umbau erforderlich.

In den Schwachlastzeiten (Mai bis September), wurden die Kessel je nach Leistungsanforderung einzeln, teilweise mit einer Leistung von unter 20 % (16 %– 42 % im Mittel rd. 23 %) und damit mit einem schlechten Wirkungsgrad (< 70%) betrieben.

In den Sommermonaten wurde der Kessel sogar teilweise unter 10% und sehr häufig im Gluterhaltungsbereich betrieben, was zu einer weiteren Wirkungsgradsenkung auf bis zu 60% führte und die Kessel auch mechanisch stark belastete (Verschleiß von Rostelementen, Schamott usw.)

In der Übergangszeit müssten beide Kessel parallel betrieben werden um eventuell auftretende Lastspitzen abdecken zu können. Durch diesen Parallelbetrieb entstanden in Schwachlastzeiten wiederum Betriebszustände wie Gluterhaltungsphasen bzw. Lastbereiche von unter 20% der einzelnen Kessel.

Es ist nun die Betriebsoptimierung mit der Ergänzung eines Pufferspeicher mit einem Volumen von 70 m³ abgeschlossen.

Der Pufferspeicher ist nun zur Spitzenlastversorgung sowie zur Reduzierung von Gluterhaltungsphasen und zur Wärmepufferung bei geringer Abnahmeleistung von großem Vorteil.

Außerdem werden die mechanischen Belastungen für die Kessel wesentlich verringert und damit Service-, Wartungs-und Reparaturkosten eingespart. Zusätzlich werden der Brennstoffverbrauch und der Stromverbrauch, aufgrund der Wirkungsgradsteigerung reduziert und die Schadstoffbelastung gesenkt und somit ein positiver Umwelteffekt erwirkt.

Im Zuge der oben angeführten Optimierungsmaßnahmen wurde auch eine Betriebsoptimierung an der bestehenden MSR der Heizzentrale umgesetzt. Dies ist nun auch auch für eine ordnungsgemäße Datenauswertung bzw. für das Monitoring entsprechend der Vorgaben QM-Heizwerke und die Betriebsoptimierung von großer Bedeutung.

Folgende Anlagenkomponenten wurden um- bzw. nachgerüstet:

Nachrüstung Pufferspeicher mit 70 m³ mit Errichtung des Pufferfundaments neben Heizwerk samt Zu- und Ablaufleitungen und Herstellen der erforderlichen Mauerdurchbrüche
Umbau der Rücklaufanhebepumpen der Kessel auf Kesselkreispumpen mit Mischer für Kessel 1 u. 2. Zur Steigerung der Energieeffizienz werden drehzahlgeregelte Pumpen der Effizienzklasse IE 4 eingesetzt
Umbau der Netztemperaturregelung - bisher nach dem druckbehafteten Verteiler eingebaut, ist jetzt im Zuge des Umbaus nach dem Puffer und drucklosen Verteiler eingebaut, unmittelbar vor den Netzpumpen
Einbau eines Haupt-Wärmemengenzählers im Netzabgang zur Messung der Gesamtausgangsleistung und Energie
Demontage der Regelklappen für Biomassekessel 1 u. 2
Änderung der Kesselfolgeschaltung zur Optimierung des Kesseleinsatzes, nunmehr ist durhc den Puffer in der Übergangszeit nur mehr ein Kessel erforderlich
Puffermanagement entsprechend den Anforderungen QM-Heizwerke
Datenaufzeichnung und Monitoring entsprechend den Anforderungen QM-Heizwerke
Erneuerung bzw. Optimierung der bestehenden Kesselhausregelung samt Visualisierung/Leittechnik (Netzpumpen- mit Differenzdruck Schlechtpunkt-Regelung, Netztemperaturregelung, Einbindung der bestehenden Kesselanlage in die Visualisierung/Leittechnik)
Erneuerung und Erweiterung der Netzvisualisierung/Leittechnik (Kundenanlagen) für Optimierung der Kundenanlagen und Monitoring entsprechend QM-Heizwerke
Nachrüstung der getrennten Strommessungen der einzelnen Heizhaus-Anlagenkomponenten (Kessel 1, Kessel 2, Netzpumpen, Allgemein)
Erweiterung der Druckhalteanlage mit einem Zusatzgefäß für Puffervolumen
Nachrüstung einer Wassernachspeisung

Durch die umgesetzten Maßnahmen wird zusätzlich ein positiver Umwelteffekt aufgrund der Verringerung des Schadstoffausstoßes erwirkt.

Für die Betriebsoptimierung und das Monitoring der einzelnen Kundenanlagen entsprechend QM-Heizwerke sind auch bei den Kundenanlagen Maßnahmen wie, Reglerumrüstung und Datenübertragung per Funk erfolgt.

Durch diese Maßnahmen während der ersten Inbetriebnahme, als auch bei den Erweiterungen ist die gleichzeitige Erfassung von Änderungen der Parameter in verschiedenen Kombinationen (Schaubilder und Trendlinien) seitens des Betriebspersonals möglich. Dies bedeutet nicht nur ein schnelles Erkennen der Einflüsse von Parameterwechsel, sondern auch die Möglichkeit einer zielführenden Optimierung der Prozesse.

Auf Basis einer Langzeiterfassung kritischer Parameter dient dieses System als Instrument zur Früherkennung von notwendigen Service- und Reparatur- und Optimierungsarbeiten.

Aufgrund der Maßnahmen wird mit Effizienzsteigerung wie folgt gerechnet:

besserer Netzbetrieb durch Wegfall der kurzfristigen Erhöhung der Vorlauftemperatur als Pufferung und Absenkung der Netzverluste um mind. 13.000 kWh p.a.,
Verbesserung der Biomasse-Kesselwirkungsgrade und damit Brennstoffeinsparung von rd. 210 Srm p.a.
Einsparung des Stromverbrauches der Pumpen in der Kesselperipherie durch drehzahlgeregelte Kesselkreispumpen und Wegfall der starren Rücklaufanhebepumpen in der Größenordnung von rd. 11.000 kWh p.a..
Verbesserung der Regelfunktion der Netzregelung und Einsparung des Strombedarfs durch Umbau im Heizhaus auf drucklosen Verteiler (Absenkung des Differenzdrucks im Heizhaus) um rd. 4.000 kWh Strom
Insgesamt wird mit einer Reduktion des Stromeinsatzes um rd. 1-2 kWh/MWh gerechnet