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Prozessleittechnik Worauf es bei der Steuerung von Biogasanlagen ankommt

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Franz Joachim Roßmann* / Dr. Jörg Kempf

Anfang 2014 veränderte sich der Markt für Biogasanlagen in Deutschland aufgrund einer Gesetzesänderung schlagartig. Ein führender Biogasanlagen-Hersteller hat diesen Umstand für sich genutzt und seine Anlagen entscheidend verbessert. Entscheidende Zutat im Erfolgsrezept: eine neue Steuerung, die skalierbare Lösungen sowie kurze Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten ermöglicht.

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Mit dem Automatisierungspaket von B&R in Verbindung mit dem Prozessleitsystem Aprol haben „Biogas-Köche“ ganz schön was auf der Pfanne.
Mit dem Automatisierungspaket von B&R in Verbindung mit dem Prozessleitsystem Aprol haben „Biogas-Köche“ ganz schön was auf der Pfanne.
(Bild: ©Anton, Nattawut, kovaleva_ka - stock.adobe.com; [M]Dominik Kron)

In Deutschland waren bis 2014 vor allem größere Biogasanlagen mit einer Leistung von 250 kWel und mehr bei Landwirten gefragt, die damit Strom aus nachwachsenden Rohstoffen und Bioabfällen erzeugten. Danach fokussierte sich das Interesse auf 75-kWel-Anlagen. Grund für diese rapide Marktverschiebung war die Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes. Die Folge: Die Förderung von Neuanlagen größer 75 kWel wurde drastisch gekürzt.

Nur wenige Monate, bevor die Details dieser geplanten Gesetzesänderung bekannt wurden, hatte Agrikomp, Experte für Biogastechnik, eine neue Steuerungslösung auf Basis von B&R-Technik für die gefragten 250-kWel-Anlagen eingeführt. Die bis dato eingesetzte proprietäre Steuerungssoftware hätte nur mit großem Aufwand an die allgemein gestiegenen Anforderungen angepasst werden können.

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„Sowohl die umfassenderen Sicherheitsauflagen als auch der Wunsch der Anwender nach individuelleren Anlagenkonfigurationen brachten unsere alte Steuerungslösung an ihre Grenzen“, konkretisiert Andreas Ströhlein, Leiter der Elektrokonstruktion bei Agrikomp. „Insbesondere der fehlende Migrationsweg zu leistungsfähigerer Steuerungshardware sowie die eingeschränkte Zahl der unterstützten Kommunikationsschnittstellen für die Einbindung von Fremdsystemen, wie Solaranlagen oder Überwachungskameras, bereitete uns zunehmend Probleme.“

Anforderungsprofil mit über 100 Kriterien

Als die Entscheidung für die Einführung einer neuen Steuerung gefallen war, erstellte das Team um Ströhlein einen 75-seitigen Katalog mit über 100 Anforderungskriterien und holte entsprechende Angebote bei allen namhaften Automatisierungsanbietern aus dem deutschsprachigen Raum ein. Am Ende der Evaluierung erhielt B&R den Zuschlag. „Das integrierte und umfangreiche Automatisierungspaket von B&R in Verbindung mit dem Prozessleitsystem Aprol hat uns überzeugt. Damit können wir unsere kompletten Anforderungen besonders effizient abdecken“, erklärt Ströhlein. „Wichtig war uns beispielsweise, dass das Paket eine integrierte Sicherheitstechniklösung enthält und die Schnittstellen vorbildlich unterstützt werden. Auf B&R-Seite gibt es für jede physikalische Schnittstelle das passende Gegenstück. Ein zentrales Kriterium war auch, dass sich die B&R-Steuerungslösung problemlos skalieren lässt.“

Eine Steuerungslösung für mehrere Leistungsklassen

Diese Fähigkeit war bei Agrikomp gefragt, als das Unternehmen mit einer komplett neu entwickelten 75-kWel-Anlage für die Biogaserzeugung aus Gülle und Mist auf das novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz reagieren wollte. Um den Aufwand für die Entwicklungsabteilung und den Service in Grenzen zu halten und die Ersatzteilhaltung zu vereinfachen, entschieden sich die Verantwortlichen, die gleiche Steuerungslösung wie bei den großen 250-kWel-Anlagen zu verwenden. „Dabei unterscheiden sich sowohl der erforderliche Funktionsumfang als auch die finanziellen Rahmenbedingungen der Leistungsklassen erheblich“, sagt Ströhlein.

Agrikomp nahm auch diese Hürde mit der B&R-Lösung erfolgreich. Das modulare und fein abgestufte X20-System erlaubt es dem Unternehmen, die I/O- und Schnittstellenmodule sowie die CPU-Performance exakt auf die unterschiedlichen Konfigurationen der 75-kWel-Anlagen zuzuschneiden und so den enger gesteckten Kostenrahmen für die Hardware einzuhalten. Bei größeren Anlagen verbaut das Unternehmen dagegen unabhängig von der Anlagenkonfiguration wegen des niedrigeren Handlings-Aufwands eine einheitliche Standardstation.

Effiziente und komfortable Programmierung

Auch die Aprol-Software konnte Agrikomp wegen ihres modularen Aufbaus an die neuen Anforderungen anpassen und so für die neuen 75-kWel-Anlagen zur Wirtschaftsdüngerverwertung das gleiche Softwareprojekt verwenden wie für die Großanlagen. Die Modularität hat das Team um Ströhlein mithilfe der Hypermakro-Technik des Prozessleitsystems realisiert. Die Hypermakros ermöglichen es Anwendern, eigene Bibliotheken zu entwerfen. Dies ist fast in jeder Anwendung vonnöten. Selbst umfangreiche Standardbibliotheken, wie B&R sie mitliefert, können nicht alle individuellen Anforderungen der unterschiedlichen Branchen und Anwender abdecken.

„Um automatisch einen neuen Behälter mit Rührwerken und allen anderen benötigten Komponenten zu erzeugen, reicht es, bei einem Hypermakro eine Variable zu ändern“, erläutert Emmanuel Hahn, bei Agrikomp für die Softwareentwicklung verantwortlich. „Die Programmierung mit Aprol ist insgesamt sehr effizient und elegant gelöst. Beispielsweise können wir die Steuerungsanwendung für die Maschinensteuerung sehr komfortabel in der Entwicklungsumgebung von Aprol mitprogrammieren und müssen auf kein separates Tool zurückgreifen.“ Für die Hardwarekonfiguration und die Programmierung der Sicherheitsfunktionen nutzt das Agrikomp-Team die Entwicklungsumgebung Automotion Studio und dessen integrierten Safety Designer.

Transparenz für Betreiber und Servicemannschaft

Die Software der Anlagen einschließlich der Updates können von einer Stelle aus verwaltet, gewartet und auf alle angeschlossenen Anlagen weltweit via Fernwartungsverbindung aufgespielt werden. Zudem lässt sich die Benutzerverwaltung zentral steuern. Gleichzeitig sammelt Agrikomp, wenn der Betreiber dies wünscht, Anlagendaten und bietet darauf basierende Zusatzleistungen an.

„Aprol stellt standardmäßig zahlreiche und umfangreiche Reports zur Verfügung. Darüber hinaus erzeugen wir auf Basis der gesammelten Daten anlagenrelevante Reports zur Dokumentation oder Anlagenoptimierung, die der Betreiber bequem vor Ort oder mit seinem PC im Büro von unserem Server abrufen kann“, konkretisiert Hahn. „Dazu gehört beispielsweise ein Fütterungsplan, der auflistet, welche Materialien der Betreiber in die Biogasanlage eingebracht hat.“

„Die umfassenden Aufzeichnungsfunktionen erlauben es, sämtliche Prozesse und Aktivitäten nachzuvollziehen“, sagt Ströhlein. „Das ist besonders hilfreich, wenn sich der Betreiber mit einem Problem oder einer Frage hilfesuchend an uns wendet. Wir können den Anlagenstatus und dessen Historie auf Basis der objektiven Daten bewerten und so eine zielgerichtete und effizientere Unterstützung bieten.“ Für den Anwender bedeutet das in Summe weniger Ärger und eine höhere Anlagenverfügbarkeit.

Schnellere Inbetriebnahme

Für eine höhere Anlagenverfügbarkeit sorgt auch die integrierte Sicherheitstechnik von B&R. Bis zur Einführung der neuen Steuerungslösung setzte Agrikomp auf festverdrahtete Sicherheitsrelais. „Der Aufwand, den wir für die Sicherheitstechnik treiben mussten, war zu dieser Zeit sehr hoch. Allein für die erforderliche sichere Verriegelung der Pumpen einer Anlage kommen schnell 60 Relais zusammen, die installiert und verdrahtet werden müssen“, sagt Ströhlein. Das kostet nicht nur viel Zeit, sondern ist auch fehleranfällig. Die Montage und der Test der Sicherheitstechnik haben daher in der Vergangenheit einen erheblichen Teil der Inbetriebnahme einer Anlage ausgemacht.

Das stellt sich mit der integrierten Sicherheitstechnik ganz anders dar, wie Ströhlein berichtet: „Wir haben deutlich weniger Verdrahtungsaufwand, die Fehlerquote hat sich erheblich reduziert, und es sind nur noch Tests in geringem Umfang bei der Inbetriebnahme vor Ort erforderlich.“

Retrofit erhöht Prozesssicherheit

Die B&R-Lösung hat sich auch bei der Modernisierung älterer Anlagen bestens bewährt. Das zeigt das Beispiel einer Bestandsanlage in Deutschland, bei der sich die Fehler zuletzt häuften. Bis zu 200 verzeichnete der Betreiber im Monat. „Nach dem Wechsel zur neuen Steuerungslösung ist diese Zahl auf unter zwölf gesunken und die Prozesssicherheit spürbar gestiegen“, verrät Ströhlein. „Unsere Erfahrung zeigt, dass der Umbau selbst bei großen Anlagen zügig umgesetzt werden kann.“ Dazu trägt bei, dass vorhandene I/O-Module von Drittanbietern in der Regel weiterverwendet werden können und nur die Signale der sicherheitsrelevanten Komponenten auf die Safety-Module umgelegt werden müssen.

Die B&R-Technik hat wegen ihrer Flexibilität und Effizienz einen wichtigen Beitrag zum Markterfolg von Agrikomp geleistet, urteilt Hahn: „Seit wir auf das B&R-System setzen, hat die Produktentwicklung deutlich Fahrt aufgenommen. Wir haben neue Lösungen in höherer Zahl und kürzeren Abständen auf den Markt gebracht.“ Der Markt hat dies honoriert. Bis Ende 2019 hat der Biogasanlagenhersteller rund 200 Anlagen mit B&R-Technik ausgeliefert oder nachgerüstet – trotz weiterer Gesetzesänderungen auf wichtigen Märkten wie Frankreich. Auch das bestätigt: Mit der B&R-Lösung kann Agrikomp schnell auf sich ändernde Marktbedingungen reagieren und maßgeschneiderte Lösungen effizient und wirtschaftlich entwickeln und anbieten.

* F. J. Roßmann, B2B Kommunikation, Gauting.

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