Untersuchung der Möglichkeiten eines energieeffizienten Betriebsmanagements von Abwasserfördersystemen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Tränckner

Förderung: Deutsche Bundesumweltstiftung (DBU)

Kooperation: Institut für Mathematik Universität Rostock, Prof. Dr. K. Neymeyr

Zeitraum: 01.04.2012 bis 31.07.2014

Einordung:
Institut: Professur Wasserwirtschaft

Projektbeschreibung:
Rund ein Viertel des weltweiten industriellen Stromverbrauchs wird derzeit von Pumpensystemen benötigt. Dabei könnten 40% des Energiebedarfs von Pumpensystemen eingespart werden, wobei allein 75% davon durch Optimierung des Betriebes (Steuerung und Anpassung) erreicht werden können. Aufgrund von steigenden Energiekosten rückt daher die Ausschöpfung dieses Potenzials zunehmend in den Fokus der Industrie. Insbesondere im Abwasserbereich werden derzeit Techniken zur Förderung von Abwasser genutzt, die dieses Einsparpotenzial bei weitem nicht nutzen.
Abwasserpumpstationen werden derzeit nach DWA A 134 bemessen. Die Steuerung der Pumpen erfolgt derzeit meist in Abhängigkeit vom Wasserstand der Pumpenvorlage in Zweipunktsteuerung. Die Pumpen arbeiten dabei zwar mit hohem Wirkungsgrad, jedoch auch mit großen Reibungsverlusten in diskontinuierlicher Betriebsweise. Durch die Nutzung moderner Technologien können hier bessere Anpassungen erreicht werden und stellen inzwischen den Stand der Technik dar. Die Drehzahlregelung ermöglicht dabei ein beachtliches Einsparvolumen, dem ein vergleichsweiser geringer technischer Mehraufwand gegenübersteht. Der Betrieb von Abwasserförderanlagen lässt sich darüber hinaus verbessern, wenn die Regelung in Abhängigkeit vom Abwasserzufluss zur Pumpstation erfolgt. Erste eigene Berechnungen führten zu Energieeinsparwerten von mehr als 20%. Durch geschickte Steuerung von miteinander verbundenen Abwasserförderanlagen sind weitere Energieeinsparungen zu erwarten. Bei einer geschätzten Anzahl von 100.000 Abwasserförderanlagen in der Bundesrepublik ist damit eine bedeutende Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs zu erwarten. Für die deutsche Pumpenindustrie ließe sich durch intelligente Steuersysteme ein Wettbewerbsvorteil erzielen.
Die Untersuchungen werden zunächst an ausgewählten Testszenarien von Abwassernetzen elementarer Struktur ausgeführt. Es werden Standardszenarien zugrunde gelegt und die Abläufe mit besonderer Beachtung der Energiebilanz modelliert. Insbesondere werden mathematische Optimierungsaufgaben formuliert, in deren Fokus die Minimierung des Energieverbrauchs steht. Die Lösung der Probleme erfolgt schließlich unter Beachtung verschiedener Nebenbedingungen und Regularisierungen.
Die Bestimmung von energieminimalen Steuerstrategien für Pumpen kann dabei unter Verwendung von Zuflussprognosen erfolgen. Zur Erstellung solcher Vorhersagen sind Tagesganglinien über einen längeren Zeitraum zu erfassen und zu analysieren. Auf Basis dieser Messungen werden daraufhin Lernstrategien zur Bestimmung von Zuflussprognosen erstellt, die in das mathematische Modell einfließen. Zur technischen Umsetzung der entwickelten Strategien und Erfassung von Messungen ist eine ausgewählte Pumpstation des Rostocker Abwassernetzes geeignet nachzurüsten.
Die Ergebnisse der optimalen Steuerstrategien für drehzahlgeregelte Pumpen werden schließlich mit den Standardlösungen (Zweipunktsteuerung bzw. modellfreie Drehzahlregelung) verglichen. Insbesondere kann in einem Folgeprojekt eine solche Strategie in einer Rostocker Pumpstation getestet werden, um so ihre Praxistauglichkeit und Energieersparnis konkret nachzuweisen.

Bearbeiter: M.Sc. Anita Knubbe, Dipl.-Math. oec. Alexander Fricke

Zum Projekt: Mitarbeiter, Publikationen
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