Elektronik hilft Zustandsabhängige Wartung verbessert die Trinkwasserversorgung

Redakteur: Kristin Rinortner

Die zustandsbasierte Wartung hilft dabei, die Energieeffizienz von Meerwasser-Entsalzungsanlagen um bis zu 50 Prozent zu verbessern. Das könnte das künftige Trinkwasserproblem in allen Teilen der Welt lösen.

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Trinkwasserversorgung: Um auch Trockengebiete mit Trinkwasser zu versorgen eignet sich die Meerwasserentsalzung. Die Zustandsüberwachung bietet hier viel Potenzial, die Prozesse energieeffizienter zu machen.
Trinkwasserversorgung: Um auch Trockengebiete mit Trinkwasser zu versorgen eignet sich die Meerwasserentsalzung. Die Zustandsüberwachung bietet hier viel Potenzial, die Prozesse energieeffizienter zu machen.
(Bild: ©Sebastiano Fancellu - stock.adobe.com)

Wasser ist der Quell des Lebens und ohne ist Leben nicht möglich. Menschen, Pflanzen und Tiere – ganze Ökosysteme und Nahrungsketten – hängen, um zu überleben von sauberem Trinkwasser ab. Und obwohl nahezu 70% der Erde von Wasser bedeckt sind, sind nur 2,5% davon sauberes Trinkwasser und für den Verzehr geeignet. Der verbleibende Anteil ist salziges Meerwasser.

Darüber hinaus kann der Mensch auf nur etwa 1% der Trinkwasser-Ressourcen auf der Erde einfach zugreifen. Von diesen 1% ist zudem noch ein Großteil in Gletschern und Schnee gespeichert. Und es sieht so aus, dass sich die Situation weltweit eher verschlimmert als verbessert, denn die UN berichtet, dass bis zum Jahr 2025 geschätzte 1,8 Mrd. Menschen in Gegenden leben werden, die von Wassermangel betroffen sind.

Infolge des hohen Wasserverbrauchs vor allem in Industrieländern, des weltweiten Bevölkerungswachstums und der klimatischen Veränderungen werden zwei Drittel der Weltbevölkerung dann in wasserarmen Regionen leben.

Was können wir tun, um auf der Erde 6,8 Mrd. Bewohner mit Trinkwasser zu versorgen, vor allem in Ländern, in denen Trockenheit herrscht? Danfoss ist eines der Unternehmen, das sich mit seinen Wasser­entsalzungsanlagen dieser Herausforderung stellt. Die Dänen arbeiten dabei eng mit Analog Devices zusammen: In ihren Entsalzungsanlagen wird die zustandsbasierte Wartungstechnik (Condition-based Monitor­ing = CbM) von ADI eingesetzt.

Die Welt mit Innovation verbessern

Bei diesen Anlagen erfolgt die Meerwasser­entsalzung mit Umkehrosmose (seawater reverse osmosis, SWRO), um Trinkwasser aus dem Ozean zu gewinnen. Die Dänen haben jahrzehntelange Erfahrung in der Pumpentechnik. Durch diese Expertise wurde das Unternehmen zu einem führenden Anbieter bei Anlagen für Entsalzungsanlagen.

Der Entsalzungsprozess verläuft in fünf Schritten, wie in Bild 1 dargestellt. In Stufe 1 (Pumpen) wird Salzwasser aus dem Meer gepumpt. Im zweiten Schritt (Vorbehandlung) werden Materialien und Partikel aus dem Meerwasser entfernt. In Stufe 3 erfolgt die Umkehrosmose. Hier wird mit speziellen Pumpen konzentriertes Salzwasser zurück ins Meer gefördert. In diesem Prozess gewinnt man kontinuierlich frisches Süßwasser.

Bild 1: Die fünf Stufen der Meerwasserentsalzung – 1. Pumpen, 2. Vorbehandlung, 3. Umkehrosmose, 4. Nachbehandlung, 5. Speichern.
Bild 1: Die fünf Stufen der Meerwasserentsalzung – 1. Pumpen, 2. Vorbehandlung, 3. Umkehrosmose, 4. Nachbehandlung, 5. Speichern.
(Bild: istock)

Das so erzeugte Trinkwasser wird in Schritt 4 (Nachbehandlung) re-mineralisiert und stabilisiert, um die pH-Werte anzupassen. In Stufe 5 (Speichern) wird das Süßwasser gesammelt, so dass eine zuverlässige Versorgung der Verbraucher mit entsalztem Trinkwasser gewährleistet ist.

Eine unerschöpfliche Quelle für Trinkwasser

Die Meerwasserentsalzung ist momentan eines der besten Verfahren, um dem Trinkwassermangel zu begegnen. Problematisch ist allerdings der hohe Energiebedarf (und die damit verbundenen hohen Kosten) derartiger Entsalzungsanlagen. Ein großer Teil dieser Energie ist nötig, um die chemische Verbindung des im Wasser gelösten Salzes aufzubrechen und zu extrahieren.

Danfoss senkt den Energieverbrauch durch die Kombination seiner Hochdruckpumpen, Antriebe, Energierückgewinnungskomponenten sowie Druck- und Durchfluss-Steuerungen. Das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglichen hocheffiziente, kosteneffektive und langlebige Lösungen für die Wasseraufbereitung.

Die Hochdruckpumpen des dänischen Unternehmens sind Bestandteil von mehr als 20.000 Entsalzungssystemen, die weltweit im Einsatz sind. Derartige Anlagen werden häufig von Inselbewohnern und auf Kreuzfahrtschiffen genutzt, für die eine kontinuierliche Versorgung mit Trinkwasser essenziell ist.

Diese Pumpen sind mit nur wenig beweglichen Teilen bewusst einfach aufgebaut, um eine effiziente Wartung mit langen Wartungsintervallen sicherzustellen. Der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 92%, abhängig von der Pumpengröße.

Interpretation der erfassten Daten in der Qualitätskontrolle

Analog Devices arbeitet mit Danfoss zusammen, um die nachhaltigen Techniken und Systeme weiter zu verbessern. Eine zentrale Komponente dieser Anlagen ist die Zustandsüberwachung OtoSense, und dabei insbesondere deren Funktionen zur Qualitätskontrolle. Bei OtoSense handelt es sich um eine KI-Plattform, die in Echtzeit Schall, Vibration, Druck, Strom oder Temperatur erfasst und für eine kontinuierliche zustandsbasierte Überwachung und Diagnose auf Abruf interpretiert.

Die KI-Plattform detektiert Abweichungen von der Norm und lernt aus der Interaktion mit Fachspezialisten und kreiert dabei einen digitalen Fingerabdruck, der dabei hilft, Fehler in einer Maschine aufzufinden. Damit lässt sich ein Ausfall vorhersehen, bevor ein Schaden oder ein katastrophaler Fehler auftritt.

Danfoss setzte die KI-Plattform OtoSense in einem Pilotprojekt für den Test seiner Pumpen ein. Mit den Tests werden Zustand und korrekte Funktion der Pumpen sichergestellt, wozu sehr viel Energie notwendig ist. Durch Einsatz von OtoSense konnte der Energieaufwand um 23% gesenkt werden. In der Zukunft bietet die zustandsbasierte Wartung das Potenzial, den Energieaufwand um bis zu 50% zu senken.

Qualitätskontrolle in der Produktionslinie

Die KI-Plattform stellt sicher, dass die Pumpen bei optimalen Pegeln arbeiten und langfristig weniger Wartungsaufwand notwendig ist. Dadurch ist künftig eine bessere Vorhersehbarkeit, höhere Konsistenz, verbesserte Produktivität und höhere Produktqualität bei gleichzeitig reduziertem Energiebedarf möglich. Die KI-Software analysiert dazu die von den Sensoren aufgenommenen Daten in Echtzeit. Damit verbunden ist eine verbesserte Modellierung und einfachere Detektion von Abweichungen.

Um einen besseren Zusammenhang herzustellen, kann OtoSense die Asset-Seriennummer oder zusätzliche Erfassungsmethoden abrufen, was zu besseren Detailinformationen führt. Der Computer zeigt dann in Echtzeit den Zustand der Pumpen an. Ist dieser schlechter als vorgegeben, schlägt die KI auf Basis des Erlernten die wahrscheinlichsten Fehler vor. Abschließend kann der Werker eine Rückmeldung geben, wie gut/schlecht das System arbeitet und weitere Kommentare einpflegen.

Dateninterpretation an der Edge in Echtzeit

„OtoSense löst zwei große Probleme: Die Dateninterpretation an der Edge in Echtzeit, die kontinuierlich Signale schneller übersetzt als die Geschwindigkeit, mit der die Daten ankommen; und der Einsatz von KI für diese Interpretation der Datenerfassung, die das Wissen menschlicher Experten und Ingenieure nutzt, damit OtoSense lernt und schrittweise selbst zum Experten wird“, erklärt Sebastian Christian, ADI „AI Engineer­ing Director“ und Entwickler von OtoSense.

Analog Devices und Danfoss arbeiten seit mehr als 20 Jahren eng zusammen, inzwischen auch bei Komplett-Lösungen auf Systemebene. Die Partnerschaft wird durch die Vision getragen, die Welt durch neue Technologien zu verbessern. Heute ermöglicht die intensive Zusammenarbeit beiden Unternehmen als Innovatoren für das Gemeinwohl und Katalysator des Wandels zu agieren. Dazu zählt auch die Meerwasserentsalzung zur Trinkwassergewinnung mit energiesparenden Verfahren, die die Umwelt schonen.

„Der „Aha-Effekt“ kam für uns, als wir realisierten, dass mit der zustandsbasierten Überwachung viele Ereignisse in unseren Pumpen sowohl zu erkennen als auch zu diagnostizieren sind. Das ist ein Unterschied zu bisher, wo nur vage Bereiche potenzieller Probleme angegeben werden, bei denen es uns überlassen bleibt, Rückschlüsse zu ziehen. Dies hat uns dabei geholfen, Fehler schneller zu erkennen. Wir sehen jetzt das Potenzial für schnellere und energieeffizientere Tests am Ende der Produktion“, resumiert Georg Herborg Enevoldsen, Entwicklungsleiter bei Danfoss Pumpen.

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