Energiesparende Pumpen

Ob in der Heizung, der Kaffeemaschine, an der Tankstelle oder in großen Industrieanlagen – fast überall nutzen wir Pumpen. Gerade weil ihr Einsatz so weit verbreitet ist, sollten sie möglichst wenig Energie verbrauchen. Nun hat eine Forschungsgruppe eine Möglichkeit für effizientere Pumpen gefunden – inspiriert vom menschlichen Herzen. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet das Team, wie es gelang, Flüssigkeiten durch pulsierendes Pumpen energiesparend zu transportieren.

Wenn Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl durch Rohre fließen, entstehen Turbulenzen: Die Flüssigkeit verwirbelt. Das wiederum führt zu Reibung zwischen ihr und der Wand des Rohrs. Je größer diese Reibung ist, desto ineffizienter wird die Flüssigkeit transportiert. Genau an dieses Problem haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Davide Scarselli vom Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg bei Wien gewagt. Ihr Ziel: die Turbulenzen und damit die Reibung minimieren.

Teammitglied Björn Hof im Labor

Hierzu verwendete das Team eine Pumpe aus einem motorbetriebenen Kolben und variierten in mehreren hundert Laborexperimenten deren Einstellungen. So untersuchten sie, wie sich die jeweiligen Parameter auswirkten. Denn einerseits benötigt Pumpen in regelmäßigen Pulsen mehr Energie als herkömmliche stetige Pumpen – schließlich muss die Flüssigkeit immer wieder beschleunigt werden. Andererseits sorgen sie für weniger Reibung in den Rohren und sparen damit wiederum Energie. So erzeugten Scarselli und sein Team verschiedenste Pumpstöße – zum Beispiel solche, die das Wasser in den Rohren erst schnell beschleunigten und dann langsam abbremsten, und solche, die das Gegenteil bewirkten. Um auftretende Turbulenzen zu verfolgen, gaben sie reflektierende Teilchen ins Wasser. Mit einem Laser konnten sie diese beobachten und die Turbulenzen sichtbar machen.

Optimiertes Pumpen senkt Energiebedarf

Schließlich fanden sie heraus, dass eine kurze Pause zwischen den Pumpstößen die Turbulenzen in den Rohren drastisch senkt – genau wie bei Herzschlägen. Zudem zeigte sich, dass die Dauer der Pause entscheidend ist. Wie lang sie sein sollte, hängt zwar von den genauen Einstellungen der Pumpanlage ab, als Faustregel halten die Forschenden jedoch fest: Die Pause sollte etwa halb so lange sein wie Beschleunigungs- und Bremsphase zusammen. So gelang es dem Forschungsteam, die Reibung um 27 Prozent und den Energiebedarf um 9 Prozent zu verringern – den Mehraufwand an Energie eingerechnet. Damit überwiegt der energieeinsparende Effekt durch weniger Reibung in den Rohren.

Da Pumpanlagen Schätzungen zufolge 10 bis 20 Prozent des weltweiten Strombedarfs ausmachen, könnten bereits solch kleine Veränderungen einen bedeutenden Fortschritt ausmachen. Dass seine Pumpe sich im Labor bewährt habe, heiße allerdings nicht, dass sie sich einfach in bestehende Industrieanlagen integrieren lasse, betont Scarselli. Denn Pumpen müssten ausgetauscht oder umgebaut werden. Immerhin sei das jedoch weniger kostspielig als Rohrleitungen oder Antriebe umzurüsten.