Case Story

Pumpensteuerung von Rückkühlanlagen: Ein digitaler Zwilling spart Energie.

Die Rückkühlanlage, umgangssprachlich auch Kühlturm genannt, beruht auf einem recht energieaufwendigen Konzept: In der Produktion erhitztes Prozesswasser wird unter hohem Stromverbrauch vernebelt, um die überschüssige Wärme in die Atmosphäre abzugeben. Gut 20 solcher Anlagen gibt es allein im Industriepark Höchst. Leider existiert im industriellen Maßstab noch keine Technologie, die die thermische Energie des anfallenden Heißwassers nutzbar machen könnte. Um den Betrieb dieser über Jahrzehnte gewachsenen Infrastruktur dennoch nachhaltiger zu gestalten, suchten die Experten der Infraserv Höchst nach alternativen Ansätzen. Sie fanden sie in der Digitalisierung.

Unser Ziel: Energetische Optimierung

Kleinvieh macht auch Mist – diese Volksweisheit gilt ganz besonders, wenn es um die Reduktion von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß geht. Wobei von „Kleinvieh“ bei einer Jahreseinsparung von 173 t CO2 oder 411 MWh für nur eine einzelne Rückkühlanlage kaum die Rede sein kann. Zumal die erforderliche Investition minimal war – nichts musste umgebaut werden. Ein digitaler Zwilling der Pumpensteuerung ist alles, was es für die Optimierung braucht. Dem Roll-out dieser Technologie auf andere Rückkühlanlagen steht nun nichts mehr im Wege.

Das Pilotprojekt: Rückkühlwerk H 211 im Industriepark Höchst

Wo lässt sich also Strom sparen? Betrachten wir das Pilotprojekt des Teams um Frank Mollard, der Abteilung Data Science & Data Engineering bei Infraserv Höchst: das Rückkühlwerk H 211. Hier stehen fünf Pumpen zur Verfügung, um das zu kühlende Wasser zuzuführen. Vier davon sind sogenannte Binärpumpen mit einer Nennleistung von jeweils 1.000 m3. Diese können nur ein- oder ausgeschaltet werden. Die fünfte Pumpe ist eine hoch leistungsfähige Umrichterpumpe mit einer variablen Leistung von bis zu 1.500 m3.

Der Hebel: Finde die günstigsten Schaltkombinationen

Nicht alle der Binärpumpen sind ständig im Einsatz. Je nach Förderbedarf gibt es deshalb nur für diese 16 mögliche Schaltkombinationen, um die erforderliche Wassermenge bereitzustellen. Bei Hinzunahme der Umrichterpumpe wird es nochmal komplexer. Nur als Beispiel: Würde eine Fördermenge von 3.500 m3 benötigt, würde man drei der vier Binärpumpen laufen lassen und den Rest mit der Umrichterpumpe bereitstellen. Soweit die Theorie.

Die Realität ist ein bisschen komplizierter. Zum einen bringen die Binärpumpen nicht die angegebene Nennleistung. Vielmehr hängt der tatsächliche Output von einer Reihe von Faktoren ab: Rohrwege, Standort, Wartungszustand und Alter, um nur einige zu nennen. Entsprechend gibt es verschiedene mögliche Kombinationen, die wiederum jeweils zu unterschiedlichen Anforderungen an die Umrichterpumpe führen. Dabei ist zu beachten, dass nicht nur die volle Auslastung der Umrichterpumpe energetisch suboptimal ist, sondern auch ihre Unterforderung. Zudem ist das Verhältnis zwischen eingesetzter Energie und Fördermenge nicht linear.

Es gilt also zu ermitteln, wie man einen gegebenen Wasserbedarf mit minimalem Energieeinsatz fördern kann. Gleichzeitig möchte man den Verschleiß der einzelnen Pumpen gleichmäßig verteilen. Dazu müssen alle Pumpen in etwa gleichmäßig ausgelastet werden. Die Rechenaufgabe lautet also: Welche Pumpenkombination verursachen in der Summe den geringsten Energieverbrauch bei geringstmöglichem Verschleiß? Und wie lange bleibt jede Kombination über den Zeitraum der konstanten Fördermenge hinweg in Betrieb?

Die Lösung: Signifikante Einsparung bei vertretbarem Rechenaufwand

Mit bisherigen Methoden hätte jede Änderung des Wasserbedarfs dafür eine nicht zu bewältigende Anzahl von Rechenoperationen erfordert. Frank Mollard und seine Leute fanden in enger Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Meistern des Bereichs Kälte, Kühlung, Wasser die Lösung: Über einen Zeitraum von einem Jahr analysierten sie sämtliche relevanten Parameter der Pumpen und erstellten auf dieser Basis einen „digitalen Zwilling“ des Rückkühlwerks H 211. Ändert sich nun die tatsächliche Leistung einer Pumpe, sei es durch Wartung oder Verschleiß, misst man diese separat neu durch. Das geht relativ schnell – binnen weniger Tage. Dann werden die neuen Daten in den digitalen Zwilling eingelesen, und der kann unverzüglich die neuen Idealkombinationen zur Verfügung stellen.

Das Resultat: Allein an H 211 wurden in der Testperiode Januar bis April 2023 137 MWh eingespart. Hochgerechnet aufs Jahr entspricht das 411 MWh. In CO2 ausgedrückt: 58 Tonnen im Versuchszeitraum; 173 Tonnen pro Jahr. Oder anders ausgedrückt: Eine Einsparung von 2,6% - 5,6% - je nach Jahresbedarf. Klingt erstmal nicht viel. Aber stellen Sie sich das mal als Zinsen vor. Kleinvieh macht eben doch Mist.