Der Einsatz modularer Anlagen wird in der Prozessindustrie immer beliebter. Da Modulhersteller ihre Applikationen weitestgehend kapseln, um ihr Know-How zu schützen, müssen Strukturen und Applikationen entwickelt werden, die das Monitoring und die Diagnose auch im Rahmen der vorausschauenden Instandhaltung dieser Module ermöglichen. Die Implementierung solcher Funktionen in das übergeordnete Leitsystem der Gesamtanlage ist bei modularen Anlagen bislang ähnlich umständlich wie die Einbindung von Fremdkomponenten in ein Leitsystem. Um ein vollständiges modulares Anlagenkonzept erfolgreich zu etablieren, ist eine einfache Implementierung dieser Funktionalitäten somit unumgänglich. Im Rahmen dieses Beitrags wird daher untersucht, wie Strukturen und Applikationen zum Monitoring und Diagnose einfach in übergeordnete Systeme implementiert werden können. Hier wird auch betrachtet, welche dieser Informationen für Anlagenfahrer relevant, welche Funktionalitäten auf externe Systeme (z. B. eine Cloud) ausgelagert werden sollten und wie diese optimal dargestellt werden. Weiterhin wird ein Konzept zur Modularisierung von Plant Asset Management Funktionen vorgestellt, anhand dessen eine Strukturierung des NAMUR Open Architecture (NOA)-Kanals vorgenommen wird.

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Die Dynamik in der Produktentwicklung und die zunehmende Bedeutung von Flexibilität in der Produktion prägen die heutige Wirtschaftslandschaft, insbesondere für Unternehmen in der Prozessund Güterindustrie. Die Antwort auf die wachsenden Anforderungen an die modulare Produktion in der Prozessindustrie kommt aus der Zusammenarbeit der deutschen Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR) und dem Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) [1]. Gemeinsam erarbeiten sie eine Spezifikation für Prozessmodule unter dem Namen Module Type Package (MTP). Parallel dazu treibt die Plattform Industrie 4.0 die Entwicklung der Verwaltungsschale (VWS) voran und die Industrial Digital Twin Association (IDTA) entwickelt Spezifikationen, um ein gemeinsames Verständnis der Verwaltungsschale zu schaffen [2][3]. In dieser Arbeit soll ausgehend von [4] der Automatisierungsgrad eines Dampferzeugers erhöht werden, indem ein Konzept entwickelt werden soll, dass eine nahtlose Interaktion zwischen den Themen MTP und VWS unter Berücksichtigung der Namur Open Architecture (NOA) [5] ermöglichen soll.

Unternehmen werden zu digitalen Unternehmen. Das verlangt nach neuen Maschinen und Anlagenkonzepten, wodurch neue Anforderungen an den Anlagen- und Maschinenbau entstehen. Gefordert werden digitale Planung und Simulation, Integration in industrielle Kommunikationsnetzwerke, Anbindung an höchste Sicherheitsfunktionalitäten und durchgängige Datenschnittstellen für neue Servicekonzepte. [... aus dem Text]

Unternehmen werden zu digitalen Unternehmen. Das verlangt nach neuen Maschinen und Anlagenkonzepten, wodurch neue Anforderungen an den Anlagen- und Maschinenbau entstehen. Gefordert werden digitale Planung und Simulation, Integration in industrielle Kommunikationsnetzwerke, Anbindung an höchste Sicherheitsfunktionalitäten und durchgängige Datenschnittstellen für neue Servicekonzepte. [... aus dem Text]

Der vorliegende 38. Band der Reihe "Leipziger Beiträge zur Informatik" fasst die Ergebnisse der Fachtagung "Betriebsführung und Instandhaltung regenerativer Energieanlagen (BIREA)" am 24. und 25. September 2012 in Leipzig zusammen. Die Fachtagung adressierte aktuelle Herausforderungen der Energiewirtschaft im Allgemeinen und der Branche der Erneuerbaren Energien im Speziellen. Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch wird sich von derzeit ca. 17 % im Jahre 2020 auf 35% verdoppeln und langfristig bis auf 80% steigen. Mit der wachsenden Bedeutung steigen auch die Anforderungen an die regenerative Energiebranche. Dabei stehen im Vordergrund: a) die Versorgungssicherheit und Netzstabilität, b) sinkende Einspeisevergütungen, c) die Betriebsoptimierung regenerativer Energieanlagen, d) die effiziente Instandhaltung regenerativer Energieanlagen, e) die Vernetzung von Energieerzeugern und -verbrauchern zu virtuellen Kraftwerken, f) Verfügbarkeitsgarantien für Energieanlagen sowie Strom- und Ausfallprognosen. Die Fachtagung fokussierte folgende Themen des Betriebs und der Instandhaltung regenerativer Energieanlagen: a) neuartige Dienstleistungen (z. B. Wirkungsgradanalyse, Ertragsprognosen, Ausfallprognosen), b) Standardisierungsprozesse (z. B. RDS-PP, IEC 61850 / IEC 61400-25), c) die IKT-unterstützte Optimierung (z. B. Lebenslaufakte, Betriebsführung, Instandhaltungsplanung).

In Flüssigkeitskreisläufen energietechnischer Anlagen sind nahezu immer Gase eingeschlossen. Diese befinden sich im Fluid gelöst, können aber auch als freie Gase in Form von im Medium mittransportierten Gasblasen oder als Gasansammlung an einem Ort des Kreislaufs auftreten. Freie Gase in geschlossenen Fluidkreisläufen können den Betrieb der Anlage in vielfältiger Weise stören. Das Löslichkeitsverhalten von Gasen im Fluid und Bedingungen für die Über- bzw. Unterschreitung der Löslichkeitsgrenzen beeinflussen die Menge und Existenz freier Gase. Damit negative Effekte in Anlagen analysiert und verstanden sowie durch angepasste Konstruktion, Auslegung und Betriebsweise, aber auch durch geeignete Befüllung, Entlüftung und Entgasung der Anlagen, gezielt vermieden werden können, ist die Kenntnis der Löslichkeitsgrenze essentiell und deshalb Kernpunkt dieser Arbeit. Als physikalische Größe zur Beschreibung der Löslichkeit wird der Technische Löslichkeitskoeffizient gewählt. Wichtige energietechnische Anlagen, wie bspw. Solarthermieanlagen, Rückkühlwerke und Erdwärmesonden bzw. -kollektoren nutzen Frostschutzgemische auf Wasser-Glykol-Basis als Wärmeträger. Für Wasser-Glykol-Gemische sind keine temperaturabhängigen Löslichkeitskoeffizienten verfügbar. Oft wird in der Literatur postuliert, dass „für ein in geringer Verdünnung gelöstes Gas bzw. für geringe Drücke“ das vollständig das Phasengleichgewicht beschreibende Gleichungssystem „in guter Genauigkeit“ auf das Henry-Gesetz reduziert werden kann. Insbesondere in Praxis-Anwendungen wird dies ohne Nachweis nahezu immer genutzt. Am Beispiel Stickstoff-Wasser wird gezeigt, dass alle betrachteten Vereinfachungen im fokussierten Druck- und Temperaturbereich summarisch eine Abweichung im ermittelten Gasgehalt von maximal 1,8 % bewirken und damit für praktische Untersuchungen als ausreichend angesehen werden können. Ein deutlicher Genauigkeitsgewinn mit einer resultierenden Abweichung von maximal 0,3 % lässt sich erreichen, wenn die Poynting-Korrektur des Gases berücksichtigt wird. Es ist gelungen ein Verfahren zur Bestimmung von der Löslichkeit umzusetzen, das zu plausiblen Messergebnissen für die gegebenen Anforderungen führt. Ermittelte Löslichkeitskoeffizienten konnten durch vergleichende Versuche mit dem gut beschriebenen Lösungsmittel Wasser kalibriert werden. Es wurden entsprechende Messunsicherheitsalgorithmen entwickelt, die auch mathematisch zeigen, dass vorhandene Messunsicherheiten durch die Kalibrierung stark reduziert werden können. Die Messmethodik zeichnet sich dadurch aus, dass gewisse Mengen an Störgasen bzw. eine gewisse, bereits im Ausgangszustand bestehende Beladung der Flüssigkeit mit Arbeitsgas bei der hier entwickelten differentiellen Ermittlung der Löslichkeitskoeffizienten zwischen zwei Phasengleichgewichten – im Gegensatz zu vielen Verfahren der Literatur – keinen relevanten Einfluss haben. Der Versuchsaufwand lässt sich damit erheblich reduzieren und ermöglicht auch die Bestimmung der Gaslöslichkeit in einem Flüssigkeitsgemisch mit stark flüchtigen Komponenten. Für Stickstoff sind Löslichkeitskoeffizienten für drei Wasser-Proylenglykol- bzw. Wasser-Ethylenglykol-Gemische (25 Gew.-%; 41,84 Gew.-% und 75 Gew.-% Glykol) sowie reines Propylen- bzw. Ethylenglykol bei Temperaturen im Bereich 10 °C bis 110 °C ermittelt worden. Löslichkeitskoeffizienten für Sauerstoff wurden für Wasser-Glykole mit 41,84 Gew.-% Propylen- bzw. Ethylenglykol ermittelt. Es zeigt sich, verglichen mit Wasser, eine grundlegend andere Temperaturabhängigkeit der Löslichkeitskoeffizienten. Ergebnisse von dem sehr häufig in Solarthermieanlagen eingesetzten Wasser-Propylenglykol-Gemisch mit 41,84 Gew.-% Glykol zeigen beispielsweise für Stickstoff und auch Sauerstoff eine deutlich niedrigere Löslichkeit bei geringen Temperaturen und mit steigender Temperatur stark steigende Löslichkeitskoeffizienten. Durch die Bereitstellung von Regressionskurven sind die neuen Erkenntnisse den Anwendern einfach zugänglich. Der Einfluss von in Fertiggemischen zugesetzten Additiven auf die Stickstoff-Löslichkeit der Wasser-Glykole kann als gering eingeschätzt werden. Sauerstoff wird in Tyfocor LS allmählich chemisch gebunden. Die chemische Bindung ist bei einem Versuch bei 49,5 °C noch nicht beobachtbar, bei 78 °C jedoch deutlich sichtbar. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur. Bei Tyfocor-Wasser-Gemisch sowie beiden reinen Wasser-Glykol-Gemischen mit 41,84 Gew.-% Glykol ist hingegen keine chemische Bindung beobachtbar. Additive des Tyfocor-Wasser-Gemischs haben auch für Sauerstoff keinen signifikanten Einfluss auf die Löslichkeit. Aus den ermittelten Regressionen der Löslichkeitskoeffizienten ist die sich ergebende Löslichkeit im Phasengleichgewicht in sogenannten Henry-Diagrammen dargestellt worden. Auch hier bestätigt sich deutlich von Wasser abweichendes Verhalten der (Wasser-)Glykole. Vereinfachte theoretische Untersuchungen zur Gaslöslichkeit in einigen energietechnischen Anlagen unter Verwendung von statischer Druckhaltung mittels Membranausdehnungsgefäß und weiteren praxisnahen Randbedingungen zeigen die deutlichen Unterschiede im Verhalten zwischen Wasser und Wasser-Glykol, insbesondere bei der Solarthermie. Für die in der Literatur durchgeführten Analysen und beobachteten Phänomene zu Solarthermie-Anlagen mit Fokus Gasbeladung liefern die Erkenntnisse dieser Arbeit zu Wasser-Glykol-Gemischen auf Propylenglykol-Basis plausible Erklärungen. Auch eine durchgeführte umfassende Gasanalyse eines realen Rückkühlkreislaufes lässt sich mit den ermittelten Löslichkeitskoeffizienten für Wasser-Glykole auf Ethylenglykol-Basis logisch darstellen; aufgetretene Phänomene lassen sich schlüssig erklären. Beide Untersuchungen können somit als ergebnisvalidierende Praxisbeispiele gelten. In der Solartechnik wurde vor dieser Arbeit für Belange der Befüllung, Entlüftung, Entgasung und Stagnation aufgrund fehlenden besseren Wissens von einem dem Wasser ähnelnden temperaturabhängigen Löslichkeitsverhalten ausgegangen. In der Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass ein Wasser-Glykol-Gemisch ein völlig anderes Löslichkeitsverhalten zeigt (Löslichkeitskoeffizienten, Henry-Diagramm und Löslichkeitsgrenzen in realen Anlagen). Dementsprechend kann die Annahme von wasserähnlichem Verhalten zu völlig falschen Ansätzen in Konstruktion und Betrieb von Wasser-Glykol-Kreisläufen sowie Fehlinterpretationen des Anlagenverhaltens in der Praxis, aber auch in Forschung und Entwicklung führen. Mit den auf dieser Arbeit basierenden Veröffentlichungen konnte v. a. die Solarbranche diesbezüglich sensibilisiert werden. Die Arbeit stellt mit den ermittelten Löslichkeitskoeffizienten, zugehörigen Regressionsgleichungen und Henry-Diagrammen die Grundlagen für die Nutzung der Erkenntnisse in der Praxis bereit. Von dem hier vorgestellten Gesichtspunkt der Löslichkeit sollte eine Wasser-Glykol basierte Solarthermieanlage weniger Gasblasenprobleme aufweisen als eine Anlage mit Wasser. In der Praxis treten jedoch auch bei Wasser-Glykol-Anlagen teils erhebliche Probleme mit Gasen auf. Dort sind folglich v. a. andere Mechanismen, die die Vorgänge bei Befüllung, Entlüftung und Betrieb bestimmen, für die Probleme mit freien Gasen verantwortlich. Das Löslichkeitsverhalten kann aber als direkte Ursache weitgehend ausgeschlossen werden.:1 Ausgangspunkt und Motivation 2 Löslichkeit von Gasen 3 Wasser-Glykol-Gemische 4 Methodik zur experimentellen Bestimmung von Löslichkeitskoeffizienten 5 Durchgeführte Versuche und deren Auswertung 6 Löslichkeit von Stickstoff und Sauerstoff in Wasser-Glykol-Gemischen in Theorie und Praxis (Anwendung auf Anlagen) 7 Zusammenfassung und Fazit 8 Literaturverzeichnis A Anhang

Heutzutage gewinnt die Simulation von Gebäuden und Anlagen zunehmend an Bedeutung, um die Betriebsweise der Anlagen zu diagnostizieren bzw. zu bewerten und den Energiebedarf vorherzusagen. Dabei hängt die erzielte Genauigkeit von dem Kompliziertheitsgrad des angewendeten Simulationsprogramms ab. Deshalb ist Modellbildung und -validierung ein sehr wichtiger Bestandteil eines Softwareentwicklungsprozesses, um die Zuverlässigkeit zu sichern. Am Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung liegen zahlreiche Simulationsmodelle vor. Im Rahmen dieser vorliegenden Arbeit wurden weitere benötigte Modelle (hygrisches Verhalten der Wände (vereinfachtes Verfahren), Rippenrohrwärmeüberträger, Wärmeregenerator et al.) entwickelt und in das Programm TRNSYS eingefügt sowie die vorhandenen Modelle an ihre Genauigkeit angepasst. Insbesondere sind dies die Modelle für Splitsysteme bei stetiger und nichtstetiger Regelung mit der detaillierten Betrachtung des Anlagenverhaltens sowohl beim Voll- als auch beim Teillastbetrieb. Damit ist es erstmals gelungen, das gesamte Anlagensystem der Splittechnik ausführlich zu beschreiben. Um die analytische Validierung durchführen zu können, wurden die analytischen Modelle für eine Splitanlage bei stetiger und nichtstetiger Regelung unter den vordefinierten Randbedingungen entwickelt. Zur analytischen Validierung finden auch die vorhandenen Simulationsmodelle Anwendung, so dass sich die meisten Komponenten und das Simulationsprogramm TRNSYS verifizieren ließen. Diese Validierung erfolgte im Rahmen des IEA-SHC/HVAC BESTEST TASK 22. Da an diesem TASK verschiedene Forschungsinstitutionen mit jeweils unterschiedlichen Simulationsprogrammen teilnahmen, ergab sich die beste Möglichkeit, vergleichende Tests durchzuführen. Wenn dabei ein Programm signifikante Unterschiede zu den anderen liefert, liegt dies nicht immer an Programmfehlern. Aber kollektive Erfahrungen aus diesem TASK zeigen, dass bei Abweichungen meistens Fehler bzw. fragwürdige Algorithmen gefunden wurden. Nachdem das Simulationsprogramm TRNSYS validiert war, erfolgte die Erstellung eines Konzeptes zur Fehlererkennung und Diagnose der Regelstrategien von RLTA. Das Verfahren erlaubt sowohl die Beseitigung der möglichen Fehler in der Planungsphase beim Entwurf der Regelstrategien als auch den Test der vorhandenen Regelstrategien. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und damit die Sicherheit beim Anlagenbetrieb. Schließlich dient das Verfahren als Werkzeug zur Optimierung der Betriebsweise von RLTA. Das Regelverhalten wurde anhand typischer Fälle vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe des Verfahrens zur Fehlererkennung und Diagnose der Betriebsweise von RLTA ließen sich vorhandene Regelstrategien testen und verbessern.

Heutzutage gewinnt die Simulation von Gebäuden und Anlagen zunehmend an Bedeutung, um die Betriebsweise der Anlagen zu diagnostizieren bzw. zu bewerten und den Energiebedarf vorherzusagen. Dabei hängt die erzielte Genauigkeit von dem Kompliziertheitsgrad des angewendeten Simulationsprogramms ab. Deshalb ist Modellbildung und -validierung ein sehr wichtiger Bestandteil eines Softwareentwicklungsprozesses, um die Zuverlässigkeit zu sichern. Am Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung liegen zahlreiche Simulationsmodelle vor. Im Rahmen dieser vorliegenden Arbeit wurden weitere benötigte Modelle (hygrisches Verhalten der Wände (vereinfachtes Verfahren), Rippenrohrwärmeüberträger, Wärmeregenerator et al.) entwickelt und in das Programm TRNSYS eingefügt sowie die vorhandenen Modelle an ihre Genauigkeit angepasst. Insbesondere sind dies die Modelle für Splitsysteme bei stetiger und nichtstetiger Regelung mit der detaillierten Betrachtung des Anlagenverhaltens sowohl beim Voll- als auch beim Teillastbetrieb. Damit ist es erstmals gelungen, das gesamte Anlagensystem der Splittechnik ausführlich zu beschreiben. Um die analytische Validierung durchführen zu können, wurden die analytischen Modelle für eine Splitanlage bei stetiger und nichtstetiger Regelung unter den vordefinierten Randbedingungen entwickelt. Zur analytischen Validierung finden auch die vorhandenen Simulationsmodelle Anwendung, so dass sich die meisten Komponenten und das Simulationsprogramm TRNSYS verifizieren ließen. Diese Validierung erfolgte im Rahmen des IEA-SHC/HVAC BESTEST TASK 22. Da an diesem TASK verschiedene Forschungsinstitutionen mit jeweils unterschiedlichen Simulationsprogrammen teilnahmen, ergab sich die beste Möglichkeit, vergleichende Tests durchzuführen. Wenn dabei ein Programm signifikante Unterschiede zu den anderen liefert, liegt dies nicht immer an Programmfehlern. Aber kollektive Erfahrungen aus diesem TASK zeigen, dass bei Abweichungen meistens Fehler bzw. fragwürdige Algorithmen gefunden wurden. Nachdem das Simulationsprogramm TRNSYS validiert war, erfolgte die Erstellung eines Konzeptes zur Fehlererkennung und Diagnose der Regelstrategien von RLTA. Das Verfahren erlaubt sowohl die Beseitigung der möglichen Fehler in der Planungsphase beim Entwurf der Regelstrategien als auch den Test der vorhandenen Regelstrategien. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und damit die Sicherheit beim Anlagenbetrieb. Schließlich dient das Verfahren als Werkzeug zur Optimierung der Betriebsweise von RLTA. Das Regelverhalten wurde anhand typischer Fälle vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe des Verfahrens zur Fehlererkennung und Diagnose der Betriebsweise von RLTA ließen sich vorhandene Regelstrategien testen und verbessern.

Der vorliegende 38. Band der Reihe 'Leipziger Beiträge zur Informatik' fasst die Ergebnisse der Fachtagung 'Betriebsführung und Instandhaltung regenerativer Energieanlagen (BIREA)' am 24. und 25. September 2012 in Leipzig zusammen. Die Fachtagung adressierte aktuelle Herausforderungen der Energiewirtschaft im Allgemeinen und der Branche der Erneuerbaren Energien im Speziellen. Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch wird sich von derzeit ca. 17 % im Jahre 2020 auf 35% verdoppeln und langfristig bis auf 80% steigen. Mit der wachsenden Bedeutung steigen auch die Anforderungen an die regenerative Energiebranche. Dabei stehen im Vordergrund: a) die Versorgungssicherheit und Netzstabilität, b) sinkende Einspeisevergütungen, c) die Betriebsoptimierung regenerativer Energieanlagen, d) die effiziente Instandhaltung regenerativer Energieanlagen, e) die Vernetzung von Energieerzeugern und -verbrauchern zu virtuellen Kraftwerken, f) Verfügbarkeitsgarantien für Energieanlagen sowie Strom- und Ausfallprognosen. Die Fachtagung fokussierte folgende Themen des Betriebs und der Instandhaltung regenerativer Energieanlagen: a) neuartige Dienstleistungen (z. B. Wirkungsgradanalyse, Ertragsprognosen, Ausfallprognosen), b) Standardisierungsprozesse (z. B. RDS-PP, IEC 61850 / IEC 61400-25), c) die IKT-unterstützte Optimierung (z. B. Lebenslaufakte, Betriebsführung, Instandhaltungsplanung).