Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Rund ein Viertel des weltweiten industriellen Stromverbrauchs wird derzeit von Pumpensystemen ben\u00f6tigt. Insbesondere Abwasserpumpstationen werden oftmals nicht energieeffizient betrieben. Ein Grund daf\u00fcr ist die ineffiziente Steuerung der Pumpen, welche meist in Abh\u00e4ngigkeit vom Wasserstand in der Pumpenvorlage in Zweipunktsteuerung erfolgt und mit gro\u00dfen Reibungsverlusten verbunden ist. Der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung der Pumpen erm\u00f6glicht hier beachtliche Energieeinsparungen. Ziel des Projektes war es verschiedene Ablaufszenarien zu analysieren und hinsichtlich ihrer Energiebilanz zu optimieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst wurden theoretische Untersuchungen an ausgew\u00e4hlten Testszenarien von Abwassernetzen elementarer Struktur durchgef\u00fchrt. Es wurden Standardszenarien zugrunde gelegt und die Abl\u00e4ufe mit besonderer Beachtung der Energiebilanz modelliert. Insbesondere wurden mathematische Optimierungsaufgaben unter Verwendung von Zuflussprognosen formuliert, in deren Fokus die Minimierung des Energieverbrauchs stand. Die L\u00f6sung der Probleme erfolgte schlie\u00dflich unter Beachtung verschiedener Nebenbedingungen. Zur Erstellung von Zuflussvorhersagen wurden zun\u00e4chst Tagesganglinien \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum erfasst und analysiert und M\u00f6glichkeiten zur Ermittlung der Prognosen entwickelt. Zur technischen Umsetzung der entwickelten Strategien und Erfassung von Messungen wurde eine ausgew\u00e4hlte Pumpstation geeignet nachger\u00fcstet. Die Ergebnisse der optimalen Steuerstrategien f\u00fcr drehzahlgeregelte Pumpen wurden schlie\u00dflich mit den Standardl\u00f6sungen (Zweipunktsteuerung bzw. modellfreie Drehzahlregelung) verglichen. In einem Folgeprojekt soll eine solche Strategie in einer Pumpstation getestet werden, um so ihre Praxistauglichkeit und die Energieersparnis konkret nachzuweisen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Als Referenzobjekt wurde eine Abwasserpumpstation in Prerow auf dem Dar\u00df ausgew\u00e4hlt. Dort sind zwei Pumpen verbaut, die in Zweipunktsteuerung betrieben werden. Da diese Pumpen nicht drehzahlbetrieben werden d\u00fcrfen, wurde eine neue Pumpe der Fa. WILO SE installiert, an der Versuche durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Zudem wurden ein Frequenzumrichter, ein Sinusfilter und eine Energiemessger\u00e4t installiert. Ein Steuercomputer erfasst Messdaten und realisiert die Drehzahlregelung der Pumpe \u00fcber den Frequenzumrichter. Die gew\u00e4hlte Pumpstation in Prerow hat den Vorteil, dass bereits Messtechnik zur Aufzeichnung des Wasserstandes in der Pumpenvorlage, des Durchflusses und des Druckes in der Druckleitung vorhanden ist. Eine Datenreihe der Zul\u00e4ufe zur Pumpstation von der L\u00e4nge eines Jahres konnte zur Untersuchung der Energieeinsparpotentiale herangezogen werden. Des Weiteren wurden die Daten der Pumpstation auf Besonderheiten \u00fcberpr\u00fcft und mit weiteren Daten, wie z. B. dem Niederschlagsgeschehen, verglichen, um Einzelereignisse aus den Zulaufganglinien herausfiltern zu k\u00f6nnen. Dar\u00fcber hinaus wurden M\u00f6glichkeiten zur Ermittlung von Zuflussprognosen getestet, die bei der Optimierung der Pumpenbetriebsweise hilfreich sein k\u00f6nnen. So kann eine solche Prognose \u00fcber einen Zeitraum von z. B. 24 Stunden verwendet werden, um auf dieser Basis eine optimale F\u00f6rderstrategie einer drehzahlregelbaren Abwasserpumpe f\u00fcr einen Tag zu bestimmen. Dazu wird ein Optimierungsproblem formuliert und z. B. mit den Methoden der dynamischen Optimierung gel\u00f6st. Treten in der Realit\u00e4t Abweichungen der tats\u00e4chlichen Zufl\u00fcsse von der Prognose auf, so wird die Strategie geeignet angepasst. Eine solche Strategie wurde bisher f\u00fcr einfache Szenarien (z. B. bestehend aus einer Pumpe, einer Pumpenvorlage und einer Druckrohrleitung) untersucht. F\u00fcr komplexere Abwassernetze ist diese Strategie ebenfalls geeignet und kann deshalb insbesondere im urbanen Bereich zum Einsatz kommen.
\nF\u00fcr einfache Systeme und unter gewissen Voraussetzungen kann die Steuerung auch aus wenigen Regeln abgeleitet werden. Dies beg\u00fcnstigt die Implementierung der Steuerstrategie in die vorhandene SPS, die in jeder Pumpstation vorhanden ist. Die entwickelten Regeln liefern insbesondere Vorgaben f\u00fcr die Drehzahl auf Basis des aktuellen Pegels in der Pumpenvorlage und des derzeitigen Abwasseraufkommens. Von besonderer Bedeutung ist hier der F\u00f6rderstrom, der der geringsten spezifischer Energie (Leistungsaufnahme je gef\u00f6rdertem Kubikmeter Abwasser) entspricht. Ein solcher F\u00f6rderstrom kann auf Basis der Pumpen- und Rohrdaten a priori berechnet werden und liefert eine untere Schranke f\u00fcr die vorzugebende Drehzahl\/Frequenz. Die Energiekosten dieser regelbasierten Strategie liegen f\u00fcr einfache Szenarien in einigen F\u00e4llen nur geringf\u00fcgig \u00fcber den Kosten der optimalen Steuerung. Zudem kommt diese Strategie weitestgehend ohne eine Zuflussprognose aus. Damit ist diese M\u00f6glichkeit der Steuerung sowohl in Trenn- als auch Mischsystemen anwendbar. Insbesondere f\u00fcr komplexe Systeme sind diese Regeln jedoch nicht anzuwenden, da hier das Einsparpotential durch eine geschickte Abstimmung der beteiligten Pumpen verschenkt wird.
\nSimulationsrechnungen f\u00fcr die Pumpstation Prerow unter Ber\u00fccksichtigung der ausgew\u00e4hlten Pumpe und der zur Verf\u00fcgung stehenden Messdaten bei einem optimalen Einsatz einer Steuerung der Drehzahl ergab eine j\u00e4hrliche theoretische Energieeinsparung von ca. 26%. In Abh\u00e4ngigkeit von der Rohrcharak-teristik k\u00f6nnen deutlich h\u00f6here Einsparwerte erzielt werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des 10. Symposiums an der Universit\u00e4t Rostock wurde das Projekt im Mai 2012 einem breiten Publikum vorgestellt. Dazu wurde eine Posterpr\u00e4sentation durchgef\u00fchrt, die auf der 13. Regionalen Nachhaltigkeitsausstellung in Rostock sowie im Rathausfoyer Rostock (04.06. – 18.06.2012), im Landes-amt f\u00fcr Umwelt, Naturschutz und Geologie G\u00fcstrow (18.06. – 02.07.2012), im Natur- und Umweltpark G\u00fcstrow (02.07. – 20.08.2012) und im Rathaus Graal-M\u00fcritz (20.08. – 14.09.2012) als Wanderausstellung stattfand. Zudem ist die Ver\u00f6ffentlichung der Ergebnisse in Fachzeitschriften vorgesehen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
In diesem Projekt konnten f\u00fcr verschiedene Anwendungsf\u00e4lle M\u00f6glichkeiten zur Berechnung des Energieeinsparpotentials beim Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen in der Abwassertechnik entwickelt werden. Dar\u00fcber hinaus wurden Strategien entwickelt, die dieses Einsparpotential gr\u00f6\u00dftm\u00f6glich aussch\u00f6pfen. Mithilfe der dynamischen Optimierung konnte in einer Simulation eine Energieeinsparung von 26% prognostiziert werden.
\nZur Umsetzung der entwickelten Strategien wurde das HPW Prerow mit einer drehzahlregelbaren Pumpe, einem Frequenzumrichter und einem Sinusfilter ausgestattet. In den folgenden Praxistests sollen die Strategien auch hinsichtlich der Gew\u00e4hrleistung der Betriebssicherheit \u00fcberpr\u00fcft und optimiert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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