Erschienen am: 12.06.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 6 2018

Energy Harvesting für entlegene Standorte

Energie aus Abwärme

Bei industriellen Prozessen fallen große Mengen Energie an - etwa in Form von Abwärme. Eigentlich schade, dass diese oft einfach nur an die Umgebung abgegeben wird. Sinnvoller wäre es, sie zusätzlich zur Stromerzeugung zu nutzen. Gerade in Zeiten knapper werdender Ressourcen kommen vermehrt Lösungen auf den Markt, um nicht genutzte Prozessenergie weiter zu verwenden. Dabei kann die Fernwartung eine wichtige Rolle einnehmen.


Der Kolbenexpansionsmotor arbeitet nach dem ORC-Prinzip und kann thermische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Bild: Wachendorff Prozesstechnik GmbH & Co. KG

Bei Viking Heat Engines entstand die Idee, das Thema Abwärmeverstromung noch einmal neu zu beleuchten. Die bisher in diesem Segment verwendeten Anlagen arbeiteten vornehmlich auf Turbinen- oder Scroll-Basis, was in der Praxis oft wenig praktikabel ist. So ist hier der passende Arbeitsbereich sehr schmal und erlaubt eine zufriedenstellende Effizienz nur unter ganz speziellen Umgebungsbedingungen. Daher wurde bewusst ein anderer Ansatz verfolgt: Zusammen mit AVL Schrick wurde die CraftEngine entwickelt, ein Kolbenexpander, der die Eigenschaften eines Kältemittels nutzt, um über dessen Phasenwechsel bei unterschiedlichem Druck einen Kolben anzutreiben. Eine kompakte 10kW Einzylinderversion sorgt dafür, dass Abwärme ab 80°C aufwärts verstromt werden kann. Von Vorteil gegenüber den sonst üblichen Turbinenlösungen ist die Flexibilität. So kann die Abwärme flüssiger oder auch gasförmiger Medien gleichermaßen genutzt werden. Der Betrieb kann auch in Teillast erfolgen, ohne dass der Wirkungsgrad leiden soll. Drehzahlen zwischen 500 und 1.500rpm werden toleriert, wobei ein Umrichtersystem die benötigte Netzfrequenz herstellt. Die Kolbenmaschine ist zudem robust und lässt sich vergleichsweise kostengünstig herstellen.

Einsatz in der Ferne

Obwohl bei den aktuell niedrigen Energiepreisen in Deutschland die Amortisationszeiten eher hemmend wirken, kann die Neuentwicklung für abgelegene Standorte ohne Stromnetz eine lang ersehnte Lösung sein. Hier nutzt man üblicherweise Dieselgeneratoren, um Energie zu erzeugen, aber auch dieser Diesel muss angeliefert werden. Die Kolbenmaschine dagegen ist völlig autark - sie nutzt z.B. die Abwärme eines Holzofens, um den Strom, den man braucht gleich mit zu erzeugen. Bei der Reisernte in Kolumbien etwa, werden die Pflanzenabfälle verbrannt und der Reis mit der so entstehenden Wärme getrocknet. Für die Regelung dieses Prozesses braucht man aber auch elektrische Energie, die man bisher über Dieselgeneratoren erzeugte. Leider war der Transport des Diesels zu den abgelegenen Reisfeldern teuer und riskant. Durch den Einsatz des Kolbenexpanders nutzt man nun die Wärme nicht nur für die Reistrocknung, sondern zusätzlich auch zur Stromerzeugung und wird auf diese Weise unabhängig. Ähnlich kann die Situation bei der Reststoffverbrennung von Früchten auf Plantagen in Afrika oder auch bei mobilen Müllverbrennungsanlagen sein, wie sie beispielsweise nach Naturkatastrophen in Zeltstädten aufgestellt werden. Hier kann der gewonnene Strom wiederum für die Trinkwasseraufbereitung verwendet werden. Es versteht sich daher von selbst, dass gerade in diesen Fällen der Service und die Analysefähigkeit der Maschinen automatisiert werden müssen. Zum einen ist die Verfügbarkeit besonders wichtig - zum anderen kommen Techniker nur mit erheblichem finanziellen und zeitlichen Aufwand zum Einsatzort. Darum setzt Viking konsequent auf Fernwartung sowie eine anlageninterne Datenverbindung und -kommunikation durch einen Industrial Ethernet Switch. Als Partner wurde dafür Wachendorff ins Boot geholt, deren Produkt auf Anhieb unter den gewünschten Bedingungen funktionierte. Ebenfalls ausschlaggebend waren die weltweite Verfügbarkeit der Komponenten und die stabile Verbindung. Das Risiko, den Zugriff auf eine Anlage und deren Ethernet-fähige Kommunikationskomponenten zu verlieren, sollte möglichst weit reduziert werden. Auch die Möglichkeit, Softwareupdates aus der Ferne aufzuspielen, musste gegeben sein, um die Maschinen auch im laufenden Betrieb anzupassen. Ebenso werden die Serviceintervalle überwacht, um die Wartung vorausschauend zu gestalten und Komponenten auszutauschen, bevor ein Schaden an der Anlage entsteht. Für diese Anwendungen wählte man den modular aufgebauten Routertyp Ewon Flexy, der in Verbindung mit dem unmanaged Switch ETHSW500 die Erweiterung der verfügbaren Ports, die Verbindung zum internen LAN und auch WAN via Mobilfunk ermöglicht.

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Fernwartung via Internet

Der Router baut auf Anforderung eine sichere VPN-Verbindung zum Talk2M-Serviceportal auf und passiert so Firewall und Proxy-server. Am anderen Ende stellt der authentifizierte Benutzer eine sichere VPN-Verbindung zum Talk2M-Portal her. Das Portal ist also die Vermittlungsstelle zwischen den zwei Endpunkten. Die entscheidenden Mehrwerte des Online-Serviceportals sind die vollständige Integration von IT-Sicherheitsstandards und Verschlüsselungstechnik über VPN und HTTPS (SSL, TLS), sowie umfangreichen Möglichkeiten für ein zentrales Benutzer- und Gerätemanagement. Hierbei sind keine Änderungen der Sicherheitseinstellungen des IT-Netzwerks erforderlich, denn die Kommunikation erfolgt bei ausgehenden Verbindungen normalerweise über sowieso freigegebene Standard-Ports. Aufgrund dieses Systems ist der Maschinenbauer nun in der Lage, auf die Visualisierung der Steuerung und die Daten der angeschlossenen internen Netzwerkteilnehmer mit jedem beliebigem Endgerät mit Webbrowser zuzugreifen. So können sich die Servicetechniker einen Überblick verschaffen und bei Problemen aushelfen - selbst, wenn sie gerade am anderen Ende der Welt unterwegs sind. Mit Hilfe der Software eCatcher kann sich der Servicetechniker direkt mit der Steuerung verbinden und das Programm anpassen. Die Umrichter werden über eine CAN-Schnittstelle angesprochen. Zur Kontrolle und Sicherheit ist jeder Umrichter zusätzlich über einen Industrial Ethernet Switch von Wachendorff an das anlageninterne LAN angebunden. Unterschiedliche Varianten und Ausführungen von Ethernet Media Convertern mit zwei Ports bis zu Switches mit neun Anschlussmöglichkeiten - wahlweise als Kombination aus RJ45- und Fiber-Ports - stehen im Bereich der unmanaged Switches zur Verfügung. Die DIN-Hutschienen-Switches mit IP30 und Fast Ethernet bieten in diesem Fall die Basis für eine Kommunikation über Industrial Ethernet.

Mehr Leistung geplant

Für die Zukunft steht sowohl eine Aufzeichnung der Anlagendaten und ein umfassendes Alarm-Management auf dem Plan, um damit weitere Verbesserungen und auch die vorausschauende Wartungen zur Routine werden zu lassen. Neben den kompakten 10kW Maschinen sind auch neu entwickelte Powerpacks in der Vorbereitung, die bis zu 40kW liefern können. Und das ist noch nicht das Ende der Fahnenstange: So will Viking zusammen mit Partnern große Mehrzylindermotoren bauen, um irgendwann auch Leistungen im dreistelligen KW-Bereich zu erzielen.

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