Energieverbrauch von Pumpen optimieren
Forschungsprojekt mit Beteiligung der FH Münster gestartet
Prof. Dr. Tilman Sanders (l.) und Marcel Gebing vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der FH Münster sind Teil des Projektteams „HEAP“. Das Ziel ist, den Energieverbrauch von Pumpen, die zum Beispiel in Heizungsanlagen zum Einsatz kommen, zu optimieren. (Foto: FH Münster/Jana Schiller)
In ihrem Teilvorhaben an der FH Münster fokussieren sich Prof. Dr. Tilman Sanders (l.) und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Marcel Gebing auf die Leistungselektronik und damit auf die sogenannten Umrichter, die in Pumpen verbaut werden. (Foto: FH Münster/Jana Schiller)
Pumpen laufen meist im Dauerbetrieb, jedoch fast nie unter Volllast. Indem alle Pumpenbauteile bestmöglich aufeinander abgestimmt werden, könnten Energie und Material eingespart werden. (Foto: FH Münster/Jana Schiller)
Münster/Steinfurt (24. August 2021). Ob Öl, Kraftstoff oder Wasser – Pumpen fördern Flüssigkeiten in unterschiedlichen Anwendungsbereichen, oft rund um die Uhr. Der ständige Betrieb ohne Berücksichtigung ihrer tatsächlichen Auslastung verbraucht jedoch teilweise unnötig viel Energie und treibt die Stromkosten in die Höhe, zum Beispiel bei älteren Umwälzpumpen in Heizungsanlagen. In einem neuen Verbundprojekt untersuchen Prof. Dr. Tilman Sanders und Marcel Gebing von der FH Münster gemeinsam mit Kolleg*innen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Dortmunder Technologieunternehmens Wilo, wie sich die Energieeffizienz von Pumpen verbessern lässt. Das Vorhaben „Holistische Optimierung von elektrischen Antriebssträngen in Pumpenapplikationen“ (HEAP) läuft über drei Jahre und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Das Ziel von HEAP ist, ein Simulationswerkzeug zu entwickeln, mit dem die Ingenieure*innen das gesamte Pumpensystem so optimieren können, dass der höchste Wirkungsgrad bei bestmöglicher Energieeffizienz und den geringsten Kosten erzielt wird. Sanders, Leiter des Labors für Leistungselektronik und elektrische Energietechnik am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Gebing beschäftigen sich in ihrem Teilvorhaben insbesondere mit Umrichtern, also elektronischen Bauteilen, die die Motordrehzahl regulieren. „Pumpen setzen sich aus mehreren Komponenten zusammen, die bislang aber größtenteils getrennt optimiert werden“, erklärt der Hochschullehrer. „Zwar werden die Komponenten auch aneinander angepasst, das Optimum des Gesamtsystems wird dabei aber selten getroffen. Da Pumpen fast nie in Volllast, also der maximal möglichen Leistung, betrieben werden müssen, ist das Energie- und Materialeinsparpotenzial sehr groß.“
In einem ersten Schritt bauen Sanders und Gebing nun verschiedene Umrichter auf Basis sogenannter Wide-Bandgap-Halbleiter. Diese neuartige Technologie, die leistungsfähiger als die klassische Silizium-Leistungselektronik ist, kommt in der industriellen Produktion von Pumpen bisher kaum zum Einsatz, da Messdaten und Erfahrungswerte fehlen. Die FH-Wissenschaftler planen daher, ihre Umrichterentwürfe umfassend zu vermessen, während sie die äußeren Rahmenbedingungen wie die Ansteuerung oder den Antrieb variieren und zugleich stets die möglichen Produktionskosten im Blick behalten. „Mit diesem Ansatz wollen wir unverhältnismäßig teure Lösungen direkt ausschließen“, erklärt Sanders.
Die Projektpartner*innen der RUB und von Wilo fokussieren sich in ihren Teilvorhaben auf die weiteren Pumpenkomponenten und entwickeln das Simulationstool, in das schließlich auch die Ergebnisse der FH Münster einfließen. Von den neuen optimierten Pumpensystemen, die mithilfe dieses Tools entwickelt werden können, profitierten sowohl die Umwelt als auch Nutzer*innen und Hersteller*innen, betont Sanders. „Wir können mittelfristig mehr als siebeneinhalb Terawattstunden Energie sowie vier Millionen Tonnen CO2 einsparen. Damit kommen wir den klima- und energiepolitischen Zielen in Deutschland ein kleines Stück näher.“