Den Energiehunger von Pumpen senken – und Kosten sparen

Ob sie nun Wasser, Kraftstoffe oder Öle befördern – Pumpen sind unermüdlich im Einsatz, der ständige Betrieb ohne Rücksicht auf ihre tatsächliche Auslastung steigert oft den Energieverbrauch und treibt die betrieblichen Kosten in die Höhe, zum Beispiel bei älteren Umwälzpumpen in Heizungsanlagen. In einem neuen Verbundprojekt untersuchen Forschende, wie sich die Energieeffizienz von Pumpen verbessern lässt. Prof. Dr. Constantinos Sourkounis und Prof. Dr. Volker Staudt mit ihrem Team der Ruhr-Universität Bochum (RUB) arbeiten zusammen mit Gruppen der Fachhochschule Münster und des Dortmunder Technologieunternehmens Wilo. Das Projekt „Holistische Optimierung von elektrischen Antriebssträngen für Pumpenapplikationen“, kurz HEAP läuft über drei Jahre und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Das Ziel von HEAP ist es, ein Simulationswerkzeug zu entwickeln, das es ermöglicht, das gesamte Pumpensystem zu optimieren. So will das Projektteam den höchsten Wirkungsgrad bei bestmöglicher Energieeffizienz und den geringsten Kosten erzielen. „Bisher werden die vielen einzelnen Komponenten von Pumpen oft noch getrennt optimiert – vielfach mit Bezug auf einen Nenn-Arbeitspunkt, welcher in der Praxis nur selten benötigt wird“, erklärt Constantinos Sourkounis. „Diese Auslegung enthält meist unnötige Reserven – und ist deshalb meist nicht optimal im Sinne von Gesamtwirkungsgrad, Materialeinsatz und Kosten.“ Sein Team des Instituts für Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik (ENESYS) der RUB beschäftigt sich insbesondere mit der systemübergreifenden Modellbildung und Optimierung.

Im aktuellen Projekt werden auch innovative Halbleiter aus Siliziumcarbid beziehungsweise Galliumnitrid untersucht. Sie werden in den Stromrichtern eingesetzt, die den an die Aufgabe angepassten Betrieb der Pumpen ermöglichen. Durch ihre besonderen Eigenschaften lässt sich der Gesamtwirkungsgrad wahrscheinlich steigern. Viele Nebenbedingungen sind dabei zu beachten: „Aufwand und Kosten spielen gerade bei Massenprodukten eine wichtige Rolle“, erklärt Sourkounis. Dieser Aspekt ist für den Industriepartner Wilo von großer Bedeutung, denn die Pumpen sollen gleichzeitig effizient und kostengünstig sein.

Die Münsteraner Gruppe konzentriert sich vor allem auf den Stromrichterentwurf, Wilo arbeitet intensiv an einer geeigneten Modellbildung und Optimierung der Pumpe selbst sowie an der Entwicklung des Simulationstools, welches Modelle und Optimierungsverfahren bündeln wird. Von den neuen optimierten Pumpensystemen sollen sowohl die Umwelt als auch Nutzende und Herstellerfirmen profitieren. „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“, hofft Constantinos Sourkounis.