Steuerung von Biogas-Blockheizkraftwerken

Modulare und skalierbare Lösung zur Umsetzung vielfältiger Anforderungen

Biogas-BHKW mit Biogasreinigung auf einem Bauernhof in Norddeutschland  

Biogas-BHKW mit Biogasreinigung auf einem Bauernhof in Norddeutschland

Nach der Ankündigung der Bundesregierung, bis zum Jahr 2022 ganz auf Atomkraftwerke zu verzichten, liegen die erneuerbaren Energien voll im Trend. Außer Solarparks und Windenergieanlagen zählt die Stromerzeugung aus Biomasse hier zu den wichtigsten Standbeinen. Seit dem Inkrafttreten des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 verzeichnet dieser Bereich ein hohes Wachstum. Kleinsteuerungen von Phoenix Contact tragen dazu bei, dass sämtliche Regelungs- und Steuerungsfunktionen zuverlässig umgesetzt werden.

Applikation

Die Dreyer & Bosse Kraftwerke GmbH hat sich in den letzten Jahren zu einem der führenden Hersteller für Blockheizkraftwerke auf Basis von Biogas entwickelt. Das in Gorleben ansässige Unternehmen verfügt dazu über ein vollständiges Produkt-Portfolio zur energetischen Nutzung von Biogas und Biomethan. Neben dem Kerngeschäft der Biogas-Blockheizkraftwerke in einer Größenordnung von 75 bis 2000 kW bietet Dreyer & Bosse von Zusatzaggregaten für die Gasreinigung bis zu kompletten Anlagen zur Aufbereitung von Biogas für das Erdgasnetz alle relevanten Komponenten und Lösungen in diesem Bereich an. Aufgrund des großen Spektrums unterschiedlicher Anwendungen suchten die Verantwortlichen nach einem modularen und skalierbaren Steuerungskonzept, das den vielfältigen Anforderungen gerecht wird. Überzeugt haben sie letztendlich die Inline Controller der 100er und 300er Leistungsklasse von Phoenix Contact.

Lösung

Benjamin Wolf, Leiter der Elektroabteilung Service bei der Dreyer  Bosse Kraftwerke GmbH

Benjamin Wolf, Leiter der Elektroabteilung Service bei der Dreyer & Bosse Kraftwerke GmbH

Einheitliche Programmieroberfläche für alle Steuerungen

Ein wesentliches Entscheidungskriterium, das für den Einsatz der Inline-Steuerungen spricht, ist die durchgängig verwendbare Automatisierungs-Software PC Worx. Von den Kleinsteuerungen ILC 1xx 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 der Umstieg auf eine leistungsfähigere SPS notwendig sein, wird das Programm einfach ohne Änderungen auf das neue Gerät portiert. Als weiteren Vorteil führt Benjamin Wolf, Leiter der Elektroabteilung Service bei Dreyer & Bosse, die Erweiterbarkeit der Steuerungen auf bis zu 4096 I/O-Signale sowie die zahlreichen Kommunikationsmöglichkeiten über Ethernet und industrielle Feldbussysteme wie Profibus DP oder CANopen an.

Regelungsfunktionen einfach realisieren

Um ein Blockheizkraftwerk sicher betreiben zu können, sind viele Regelungsfunktionen zu realisieren. Abgesehen von der eigentlichen Leistungsregelung über einen speziellen Aktuator an der Drosselklappe des Motors muss 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 Blockheizkraftwerks. Zu diesem Zweck werden sämtliche relevanten Temperaturen mit Hilfe von Temperatursensoren (PT100) und Thermoelementen (Typ K) erfasst und über bis zu acht Regelkreise in der Inline-Steuerung durch so genannte Software-Regler verarbeitet. 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.
 

Einfache Einbindung unterlagerter CANopen-Systeme

Moderne Verbrennungsmotoren werden bereits vom Hersteller mit unzähligen Sensoren ausgestattet, die für das Auffinden von Störungen und die Langzeitdiagnose genutzt werden können. Die Kommunikation mit den Motordiagnose-Boxen basiert in der Regel auf diversen CAN- Protokollen. Vor diesem Hintergrund verwendet Dreyer & Bosse die CAN-Masterklemme aus dem Inline-Automatisierungssystem von Phoenix Contact, 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 Dreyer & Bosse die Installation zusätzlicher Sensoren am Motor erspart.

Die CAN-Masterklemme verbindet darüber hinaus 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, die zudem zum optimalen Zeitpunkt ausgewechselt wird. Das reduziert die Materialkosten und Stillstandszeiten.

Steureungsanlage  

ILC 170 ETH 2TX als Steuer- und Regelungszentrale

Flexible Kommunikation per Kabel oder über das Mobilfunknetz

Das Blockheizkraftwerk erzeugt neben der elektrischen auch eine Menge thermischer Energie, die im besten Fall vollständig genutzt werden sollte. In diesem Fall spricht man von der so genannten Kraft-Wärme-Kopplung. 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. Als Beispiel seien mittlere und große Industriebetriebe sowie Schulen, Krankenhäuser oder Schwimmbäder genannt.

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 Lichtwellenleiter-Kabel ausgetauscht, das parallel zur Biogasleitung verlegt ist. Teilweise greifen die Anwender auch auf das Telefon- oder Mobilfunknetz zurück. Die in die Kleinsteuerung ILC 170 ETH 2TX 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 Blockheizkraftwerks reduzieren oder es unter Umständen komplett abschalten.

Umfassende Datenaufzeichnung über eine steckbare SD-Karte

Die komfortable Vor-Ort-Bedienung des Blockheizkraftwerks wird für Dreyer & Bosse 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 Bildschirm-Diagonale 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 mit Visu+ 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 aus der Produktfamilie Factoryline von Phoenix Contact an die Kleinsteuerung angebunden.

Zusätzlich zur eigentlichen Steuerungsfunktion übernimmt der ILC 170 ETH 2TX die Datenaufzeichnung im Blockheizkraftwerk, 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 (File Transfer Protocol) 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 wie den PSI-Modem-3G/Router von Phoenix Contact, der direkt im Schaltschrank montiert wird.

Fazit

1997 gegründet, hat Dreyer & Bosse mittlerweile mehr als 700 Blockheizkraftwerke installiert. Die meisten Anlagen befinden sich in Deutschland, doch auch im Ausland verzeichnet das Unternehmen eine stetige Nachfrage. Dies liegt unter anderem an den Kleinsteuerungen von Phoenix Contact, die sämtliche Regelungsfunktionen zuverlässig realisieren und so für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen sorgen. Ein weiteres Standbein von Dreyer & Bosse ist die Biogasaufbereitung zu Biomethan, das in das Erdgasnetz eingespeist wird. Auch diese Anwendungen werden durch Inline Controller von Phoenix Contact gesteuert.

PHOENIX CONTACT
Deutschland GmbH

Flachsmarktstraße 8
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