Fluidsysteme, wie Kühlkreisläufe oder die Wasserversorgung, sind essenziell für Industrie und Gesellschaft. Aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs, ca. 1/3 des weltweiten Strombedarfs, sind jedoch Maßnahmen zur Reduktion der benötigten Eingangsleistung notwendig. Anhand der in dieser Arbeit betrachteten Pumpensysteme zeigen sich zwei Wege, dies zu realisieren: Zum einen kann die benötigte hydraulische Leistung durch dezentrale, verteilte Pumpen gesenkt werden. Zum anderen kann der Systemwirkungsgrad erhöht werden, wofür die Komponenten bestmöglich aufeinander abgestimmt werden müssen. Aus der sich hieraus ergebenden Komplexität folgen bei konventioneller Planung häufig subjektive, intransparente und vor allem suboptimale Entscheidungen.
In der Arbeit wird sowohl das Potenzial für Kosten- und Energieeinsparungen durch Dezentralisierung, also auch die algorithmisch gestützte Planung zu Beherrschung der Komplexität behandelt. Dazu wird das Planungsproblem als gemischt-ganzzahliges, nichtlineares Optimierungsproblem formuliert und mittels problemspezifischer, algorithmisch gestützter Methoden gelöst. Als Anwendungsfälle werden Druckerhöhungsanlagen für die Wasserversorgung in Gebäuden sowie ein industrieller Kühlkreislauf betrachtet. Die Ergebnisse werden aus techno-ökonomischer Sicht diskutiert und experimentell validiert.
In den Anwendungen können hohe Energie- und Kosteneinsparungen durch Dezentralisierung aufgezeigt werden. Aufgrund der erhöhten Komplexität ist hierzu jedoch eine algorithmisch gestützte Planung notwendig. Es wird zudem gezeigt, dass der Entscheidungsfindungsprozess transparenter gestaltet werden kann, indem Zielkonflikte mittels Pareto-Fronten klar dargelegt werden und energetische Schranken zum Aufzeigen des Potenzials genutzt werden.
Aktualisiert: 2023-02-16
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Aktualisiert: 2023-04-04
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Pumpen und Pumpensysteme sind in Summe einer der größten Verbraucher elektrischer Energie im heutigen Europa. Die problemspezifische Systemauslegung ist der Schlüssel zu einem System, das genau die gewünschte Funktion erfüllt und dabei sparsam arbeitet. Dem gegenüber steht ein großes Angebot technischer Komponenten unterschiedlicher Hersteller, die ihre Produktpalette verstärkt nicht nur in Katalogen präsentieren, sondern auch die automatische Auswahl eines Produkts für einen gegebenen Betriebspunkt durch einfache Software anbieten.
Die Auswahl einzelner Pumpen mithilfe von Computern ist nicht nur möglich sondern bereits Realität. Wünschenswert ist als nächster Schritt die automatisierte Zusammenstellung und Bewertung von Systemen. Die Anwendung exakter Optimierungsverfahren zur Systemauslegung garantiert dafür die globale Optimalität einer gefundenen Lösung.
Der Einsatz exakter Verfahren zur Systemplanung und Bewertung erfordert einen einfachen Zugang zu deren Nutzung. In dieser Arbeit wird deshalb die strukturierte Modellbildung für Fluidfördersysteme allgemein und Druckerhöhungsanlagen im Speziellen erarbeitet, begründet und beschrieben. Auf der Grundlage eines Flussgraphen werden die technischen Bedingungen zur Modellierung einer Menge möglicher Systeme formuliert und für unterschiedliche praxisrelevante Probleme angewandt.
Die exakte Optimierung wird genutzt, um eine energetisch optimale Steuerung für den Betrieb von Druckerhöhungsanlagen unterschiedlicher Konfiguration auszulegen. Durch die Überlagerung von Betriebs- und Kaufentscheidung erfolgt die automatisierte Auswahl und Zusammenstellung von Einzelpumpen zu optimalen Anlagen für unterschiedliche Lastprofile. Die Garantie der globalen Optimalität erlaubt die Nutzung der Modelle zur Bewertung von Anlagen.
Diese Arbeit zeigt Modellierungstechniken und Praxisanwendungen für Verfahren der exakten Optimierung zur Planung und Bewertung von Fluidsystemen und Druckerhöhungsanlagen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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