Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Globaloptimale Topologiefindung bei Pumpensystemen

In Europa wird 35% der verfügbaren elektrischen Leistung in Fluidleistung gewandelt und in den zugehörigen Fluidsystemen dissipiert. Den Eingang in diese bedeutende Energiesenke bilden Fluidenergiemaschinen. Zunächst scheint es daher verständlich, dass der Gesetzgeber daran denkt, allein deren energetische Qualität zu sichern. In der Tat ist dies in der Vergangenheit erfolgreich geschehen.

Für Wasserpumpen wird heute ein sog. Mindest-Effizienz-Index vorgeschrieben, der abhängig von Bauform und -größe Mindestwirkungsgrade einfordert (sog. Product Approach). Jedoch bemisst der Wirkungsgrad allein die inneren Verluste der Maschine. Der Extended Product Approach erweitert die Systemgrenze, indem er Pumpe, elektrischen Antriebsmotor und Frequenzumrichter gemeinsam behandelt. Die wissenschaftlichen Grundlagen für Product und Extended Product Approach wurden und werden an der beantragenden Forschungsstelle erarbeitet. Der VDMA Pumpen+Systeme hat auf Basis dieser Ergebnisse mit der Dachorganisation Europump die Ecodesignrichtlinie gestaltet.

Trotz dieser erfolgreichen Arbeiten bleibt die bisherige Betrachtung unvollständig. Neben optimaler Anzahl, Größe und Betriebspunkten von Pumpen muss auch die optimale Anordnung der Pumpen zueinander (Reihen-/Parallelschaltung), die Topologie des Systems, bestimmt werden. Durch Betrachtung der Interaktion der Komponenten im Gesamtsystem erschließt sich weiteres Optimierungspotential, das sonst ungenutzt bleibt. Ziel des Projektes ist es, eine Methode zu erarbeiten und zu validieren, die eine globaloptimale energetische Referenz für Pumpensysteme liefert.

Zurzeit ist die Auslegung eines Pumpensystems noch die kreative Aufgabe eines Ingenieurs. Mit Hilfe der in diesem Projekt zu erarbeitenden Methoden und Erkenntnisse wird algorithmische Systemplanung für KMU zugänglich gemacht. Dieses Wissen beeinflusst den Entwurfsprozess von Fluidsystemen ganz entscheidend und generiert für Pumpenhersteller einen außerordentlichen Wettbewerbsvorteil.

Ergebniszusammenfassung:

Die Europäische Kommission verfolgt ehrgeizige Ziele hinsichtlich der C02-Reduzierung und ein systemischer Ansatz bei der Planung und dem Betrieb von Pumpensystemen ist hierbei ein entscheidender Faktor. Ein Systemansatz hat zwar hohes Einsparpotenzial, doch die hohe Komplexität der Systeme macht es sehr schwierig dieses Potenzial zu erschließen. lm Projekt wurden Methoden und Algorithmen entwickelt um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Erstens konnte gezeigt werden, dass die Methode des Technical Operations Research (TOR) geeignet ist um die Komplexität bei der Systemplanung und dem Betrieb zu beherrschen. Diese kann zukünftig genutzt werden um Systeme mit einer höheren Qualität zu planen, was sowohl zu Kosten- als auch Energieeffizienz führt.

Zweitens können die systematisch erzielten Ergebnisse direkt genutzt werden. Es wurden Systemvarianten erarbeitet, welche noch nicht in der Praxis Anwendung finden, aber hohes Potenzial aufweisen. Hierbei werden neue Topologien deutlich und die Einflussfaktoren auf Kosten, Energie und Komplexität werden transparent dargelegt.

Drittens wird eine Methode zur Bewertung von Systemen geliefert. Durch die Garantie der Globaloptimalität der Lösungsverfahren wird eine Schranke geliefert, welche nicht unterschritten werden kann. Dies kann sowohl bei der Planung als auch in der Gesetzgebung berücksichtigt werden.

Viertens sind die Disziplinen des lngenieurswesen, der Mathematik und Teilen der lnformation näher zusammengeführt worden. Dies ist von entscheidender Bedeutung bei immer komplexeren Systemen und dem Einzug der Digitalisierung und künstlichen lntelligenz im lngenieurwesen.

Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erzielten Ergebnisse leisten somit ein Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller von Pumpen und Pumpensystemen. Einerseits kann die Methodik weiterentwickelt und genutzt werden, andererseits können die direkten Projekterkenntnisse und Handlungsempfehlungen im Planungsprozess integriert werden.