Durch maßgeschneiderte Steuerstrategien kann in drehzahlregelbaren Pumpensystemen der Energiebedarf reduziert und folglich die Kosten für die Betreiber eingespart werden. Für verschiedene Anwendungen bieten sich verschiedene Regelmöglichkeiten an. Dies sind hauptsächlich Druck, Volumenstrom, aber auch Füllstände, Temperaturen, Mengen und vieles mehr sind als Regelgrößen in Anlagen anzutreffen. In diesem Themenschwerpunkt werden Steuerungen entwickelt, welche derartige Anlagen optimal unter Anbetracht der Energieeffizienz betreiben können.

Energieflussdiagram eines Pumpenantriebs
Abbildung 1: Energieflussdiagram eines Pumpenantriebs

Motivation

Einen großen Anteil am elektrischen Energiebedarf in Industrienationen besitzen Pumpensysteme (bis zu 20 %). In Deutschland verursachen Pumpen ca. 12 % des gesamten Stromverbrauchs im Industriesektor. Weltweit betrachtet zählen Pumpen ebenfalls zu den großen Verbrauchern. Schätzungen zufolge beläuft sich der weltweite Energiebedarf der Trinkwasserversorgung auf 7 %, wobei hiervon wiederum bis zu 90 % auf die Förderung und Verteilung selbst entfallen. Auch wenn der immer wieder zu lesende geschätzte Anteil am weltweiten elektrischen Energiebedarf von 20 % durch den Betrieb von Pumpen etwas hochgegriffen erscheint, lässt diese Zahl doch Rückschlüsse über die enorme installierte Pumpenleistung zu. Es heißt, dass von 75 % der Pumpensysteme 20 % zu groß ausgelegt seien. Wird die installierte Leistung betrachtet, kann durch verbesserte Betriebsweise ein gewaltiger Hebeleffekt bei effizienzsteigernden Maßnahmen, wie durch eine optimierte Drehzahlregelung, erwartet werden. In Abbildung 1 ist ein entsprechendes Energieflussdiagramm von der elektrischen Energie bis hin zur hydraulischen Energie dargestellt.

Arbeitsthemen

Um eine wirklich maßgeschneiderte Pumpenregelung realisieren zu können, müsste das reale Verhalten einer Anlage genau bekannt sein, was in der Realität nur unter großem Aufwand möglich wäre. Pumpen- und Anlagenkennlinien weichen zudem von berechneten Größen ab. Auch transiente Effekte, wie sie durch An- und Abfahren entstehen, sind nur unzureichend bekannt und nicht in vorhandenen Steuerungen implementiert. Aus diesen Gründen werden am Nuremberg Campus of Technology energie- und ressourceneffiziente Regel- und Steueralgorithmen für Pumpensysteme entwickelt.

Aktuelle Schwerpunkte sind:

Für die Entwicklung von Regel- und Steueralgorithmen sind Modelle notwendig, welche das transiente aber auch das stationäre Verhalten von Pumpen und Rohrsystemen abbilden zu können. Hierzu kann zum einen auf die bestehende Infrastruktur am Stammgelände der TH Nürnberg zurückgegriffen werden. Im Turbomaschinenlabor befindet sich ein Kreiselpumpenversuchsstand, welcher sich aufgrund seiner relativ langen Rohrgeometrie für dynamische Versuche sehr gut eignet (Abbildung 2). Hier kann auch das Beschleunigungsverhalten von Fluidsäulen durch Kreiselpumpen untersucht werden. Zum anderen ist am Nuremberg Campus of Technology ein Versuchsstand in Betrieb, mit welchem weiterführende Modelle verifizierbar sind und an welchem Regelalgorithmen getestet werden können (Abbildung 3).

Pumpenversuchsstand im Turbomaschinenlabor
Abbildung 2: Pumpenversuchsstand im Turbomaschinenlabor

 

 

Pumpenversuchsstand am NCT
Abbildung 3: Pumpenversuchsstand am NCT