1,4 Millionen Wärmepumpen sind derzeit in Deutschland bereits installiert, nach dem Willen der Bundesregierung sollen jährlich 500.000 weitere Geräte hinzukommen. Zudem besteht eine Pflicht, bei Wechsel der Heizungsanlage zur Wärmepumpe (oder einer anderen mindestens zu 65 Prozent mit regenerativen Energien betreibbaren Anlage) zu wechseln.
Hoher Wirkungsgrad
Im Hinblick auf die deutschen Klimaziele und die damit verbundene Energiewende hat die Wärmepumpe ihren besonderen Charme, denn mit beeindruckenden Wirkungsgraden zwischen 250 und 500 Prozent ist die Energieerzeugung (bei Nutzung regenerativer Energiequellen) CO2 frei.
Da die Kosten Beschaffung und Installation einer Wärmepumpe (für ein Einfamilienhaus) durchschnittlich etwa 27.000 Euro betragen (mögliche Förderungen bleiben hier unberücksichtigt), hat der Hauseigentümer ein vitales Interesse an einem störungsfreien Betrieb. Auch in der Industrie und in Gemeinden stellen Großwärmepumpen eine flexible, kosteneffiziente und klimaneutrale Lösung dar.
Laut einer Studie des Fraunhofer IEG waren Anfang 2023 in Deutschland mindestens 30 Wärmepumpenanlagen mit jeweils einer thermischen Leistung über 500 kW in Betrieb, die zusammen eine Gesamtleistung von circa 60 MW aufwiesen. Überdies waren mindestens 30 weitere Großwärmepumpenprojekte mit einer Gesamtleistung von rund 600 MW im Bau oder in Planung. Langfristszenarien im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums ergaben, dass Großwärmepumpen bis 2045 über 70 Prozent der Fernwärme in Deutschland bereitstellen könnten.
Typische Störungen der Wärmepumpe
Doch, so umweltfreundlich die Wärmepumpe auch ist, komplett störungsfrei laufen auch sie nicht. Neben Verschleißerscheinungen an dem den Verdichter antreibenden Elektromotor treten Störungen in der Wärmepumpe zum Beispiel in Form von zu geringen beziehungsweise zu hohen Temperaturunterschieden in Verdampfer und Verflüssiger auf. Beispielsweise könnte die Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem Verflüssiger noch zu hoch sein, sodass sie beim Eintritt in den Verdampfer einen zu geringen Unterschied zur Energiequelle hat. Das hat zur Folge, dass das Kühlmittel weniger Energie aus der Umgebung aufnehmen kann – die Wärmepumpe arbeitet dann ineffizient und bringt zu wenig Leistung.
„Neben einer Hochdruck- und Niederdruckstörung können weitere Störungen im Kältemittelkreislauf auftreten, die einen Ausfall der Wärmepumpe nach sich ziehen können. So führt eine zu geringe Menge an Kältemittel zum Absinken des Saugdrucks im Verdampfer. Ein defektes Expansionsventil führt zu nicht optimalem Kältemittelfluss zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite und sorgt so für zu geringe beziehungsweise zu hohe Temperaturunterschiede, so dass die Energiegewinnung nicht mehr effizient erfolgen kann.
Weitere typische Fehlerquellen sind beispielsweise defekte Verdampferlüfter, defekte Abtauung, verschmutze Register, geschlossene Absperrventile und verstopfte Filtertrockner“, erläutert Viacheslav Gromov, Geschäftsführer des KI-Lösungsanbieters AITAD die Situation noch genauer.
Mit Predictive Maintenance vorbeugen
Mittels Künstlicher Intelligenz (KI) lassen sich nahezu alle potenziellen Schwachstellen der Wärmepumpe überwachen. Kritische Zustände können mit Hilfe intelligenter Sensorik frühzeitig noch vor ihrem Eintreten entdeckt und beseitigt werden. Die Wartung der Heizungsanlage ist somit komfortabel und effizient planbar, ohne dass es zu einem ungeplanten Ausfall kommt (Predictive Maintenance).
Auf der Technologieseite bietet sich der Einsatz intelligenter Sensoren („Embedded-KI Systemkomponenten“) an, bei denen die KI direkt auf dem Sensorboard untergebracht ist und die Überwachung der Wärmepumpe auch ohne Internet- oder Cloudverbindung erfolgen kann. Embedded-KI hat zudem den großen Vorteil, dass sie viel größere Datenmengen (bis zu mehreren Terabyte täglich) verarbeitet, was mit herkömmlichen Cloud- oder Serverlösungen nicht möglich ist, da solch große Datenmengen kaum übertragbar sind.
Typische Use Cases zur vorausschauenden Wartung der Wärmepumpe:
Predictive Maintenance mit Ultraschall/Vibration-Embedded-KI-Sensor beim Kompressor (siehe Abbildung Sensorposition 1)
Optimierung/Effizienzsteigerung des Kompressors durch Zustands- und Anomalieerkennung durch Schall/Ultraschall-Embedded-KI-Sensorik am Kompressor (siehe Abbildung Sensorposition 1)
Optimierung/Effizienzsteigerung des Verflüssiger-/Verdampfer-Prozesses durch Zustands- und Anomalieerkennung (Wärmeverteilung) durch IR-Raster-Embedded-KI-Sensor vor Verflüssiger/Verdampfer (siehe Abbildung Sensorposition 2 beziehungsweise 3)
Optimierung/Effizienzsteigerung des Expansionsventils durch Zustands- und Anomalieerkennung (Wärmeverteilung) durch Schall/Ultraschall-Embedded-KI-Sensorik am Ventil (siehe Abbildung Sensorposition 4)
Predictive Maintenance mit Ultraschall/Strom/Vibration-Embedded-KI-Sensor beim Kühl-Ventilator (siehe Abbildung Sensorposition 5)
Sprach- und Gestensteuerung sowie Personenerkennungen Optisch/Radar/Lidar-Embedded-KI-Sensor und indirekt z.B. durch VOC-Embedded-KI-Sensor (Personenzahl, Fensteröffnung, etc.) (siehe Abbildung Sensorposition 6)
Im letzten Fall kann Embedded-KI sogar zur intelligenten Steuerung der kompletten Heizungsanlage zum Einsatz kommen, indem beispielsweise die Temperatur im Raum in Abhängigkeit von der Personenzahl geregelt wird, oder auch erkennt, ob die Fenster geöffnet sind, so dass die Steuerung sich optimal auf die jeweilige Situation vollautark einstellt.
Die nächste KI-Revolution
Embedded-KI stellt den jüngsten Megatrend innerhalb der Künstlichen Intelligenz dar. Dabei handelt es sich um die Verschmelzung von Sensor und KI auf einem Board, das als Embedded-KI-Systemkomponente bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Sensordaten vor Ort und in viel größerer Tiefe und in Echtzeit ausgewertet werden. Anstelle der Daten werden nur noch die Auswertungsergebnisse weitergegeben. Damit sind derartige Lösungen auch besonders datenschutzsicher.
Die zentralen Einsatzbereiche sind Predictive Maintenance, User Interaction und funktionale Innovationen. Aufgrund der Ressourcenbeschränktheit von Embedded-KI – wenig Speicher- und Energiebedarf – letzterer kann in einer Wärmepumpe sogar mittels Energy Harvesting gedeckt werden – verlängert sich nicht nur die Lebensdauer, auch die Energiegewinnung wird verbessert.
„Die Wärmepumpe ist ein vielversprechendes Werkzeug für den Klimaschutz und die nachhaltige Energieversorgung. Mittels Künstlicher Intelligenz lässt sich die Effizienz und Lebensdauer der Wärmepumpe verlässlich und mit Kundennutzen noch weiter erhöhen. Diese umweltfreundliche Technologie wird noch interessanter, da die Wärmepumpe mit ihr einen ,eingebauten Investitionsschutz‘ erhält. Auf diese Weise trägt Embedded-KI zur Nachhaltigkeit und damit letztlich zum Gelingen der Energiewende bei“, bemerkt Gromov abschließend.
Effizienzsteigerung und Kosteneinsparungen: In der modernen Industrie sind die Steigerung der Effizienz und die Senkung der Betriebskosten von entscheidender Bedeutung. Embedded-KI ermöglicht die Optimierung von Produktionsprozessen in Echtzeit. Maschinen und Anlagen können mithilfe von Sensoren und Algorithmen kontinuierlich nach Zuständen und Anomalien überwacht werden, um Engpässe zu erkennen, Abläufe zu optimieren und Ressourcen effizienter einzusetzen. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen und einer Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit.
Predictive Maintenance (Vorbeugende Wartung): Ein herausragender Anwendungsfall von Embedded-KI in der Industrie ist die oft genannte, aber immer noch wenig angewandte vorbeugende Wartung. Durch die Integration von Sensoren und Datenanalyse innerhalb der Produktionsanlagen können Unternehmen den Zustand von Maschinen in Echtzeit ohne Datenleaks nach außen überwachen. Wenn Anomalien oder Abnutzungserscheinungen auftreten, kann die Wartung im Voraus geplant werden, um ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren. Dies erhöht die Lebensdauer der Anlagen und senkt die Instandhaltungskosten durch Planbarkeit und neue Geschäftsmodell-Entwicklungen erheblich.
Qualitätskontrolle und Ausschussminimierung: Embedded-KI ermöglicht eine präzise Qualitätskontrolle während des Fertigungsprozesses. Kameras und Sensoren wie Lidare, Radare oder solche für Spektrografie und Ultraschall können Produkte in Echtzeit überwachen und Mängel oder Abweichungen von den Standards erkennen. Fehlerhafte Produkte können frühzeitig identifiziert und aus dem Produktionsprozess ausgeschleust werden, was die Qualität erhöht und den Ausschuss minimiert. Zudem ist direktes Feedback für die Ausschussminimierung in Echtzeit ein bedeutender Vorteil, da so Fehleinstellungen und Fehlbedienung oder Lieferantenmängel mehr Transparenz bekommen und folglich weniger Schaden anrichten.
Autonome Roboter und Automatisierung: In der industriellen Fertigung spielen autonome Roboter eine wichtige Rolle. Embedded-KI ermöglicht es diesen Robotern, Aufgaben wie Materialtransport, Inspektion und Montage autonom auszuführen. Sie können sich in Echtzeit an veränderte Bedingungen anpassen, da lokale KI mit Varianz robust umgehen und komplexe Aufgaben ohne menschliche Intervention bewältigen kann. Dies steigert die Produktivität und Präzision.
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit: Die Überwachung und Steuerung des Energieverbrauchs ist ein weiterer Bereich, in dem Embedded-KI einen großen Einfluss hat. Industrieanlagen können mithilfe von KI-Algorithmen den Energieverbrauch optimieren, indem sie den Bedarf an Heizung, Kühlung und Beleuchtung dynamisch je nach Situation anpassen. Gerade die Metering-Branche ist direkt betroffen, während Maschinen- und Anlagenbauer dies indirekt in ihren Prozessen für sich nutzen können. Dies trägt nicht nur zur Senkung der Betriebskosten bei, sondern auch zur Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks der Industrie.
Sicherheit am Arbeitsplatz: Embedded-KI kann auch dazu beitragen, die Sicherheit am Arbeitsplatz zu verbessern. Durch die kontinuierliche Überwachung von Gefahren und unerwünschten Ereignissen können frühzeitig Warnungen ausgelöst und präventive Maßnahmen ergriffen werden, um Unfälle zu verhindern und die Gesundheit der Mitarbeiter zu schützen. Zudem ist intelligente User Interaction durch Gesten-, Personen- und Spracherkennung ein Feature, welches die Interaktion effizienter gestaltet und dem Fachkräftemangel entgegenwirkt.
Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit: Ein weiterer Vorteil von Embedded-KI ist die Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit. Unternehmen können die Integration von KI in ihren Produktionsprozessen schrittweise vorantreiben und die Technologie nach Bedarf dezentral und ohne Cloud-Systeme und Folgekosten erweitern. Dies ermöglicht trotz benötigter Hardware eine flexible Implementierung, die den individuellen Anforderungen jedes Unternehmens gerecht wird.
Wettbewerbsvorteil und Innovation: Unternehmen, die Embedded-KI frühzeitig übernehmen, können einen erheblichen Wettbewerbsvorteil erlangen. Die Fähigkeit, Daten in Echtzeit zu verarbeiten und fundierte Entscheidungen zu treffen, ermöglicht Innovationen in Produkten und Dienstleistungen ohne Abhängigkeiten von Netzwerken, Lieferanten und Infrastrukturanbietern. Dies öffnet neue Geschäftsmöglichkeiten, verstärkt die Resilienz und stärkt die Marktposition.
Fazit
Embedded-KI hat das Potenzial, die Industrie in vielerlei Hinsicht zu transformieren. Von der Effizienzsteigerung über die Qualitätssicherung bis hin zur Energieeffizienz und Innovation bietet diese Technologie zahlreiche Vorteile. Unternehmen, die sich nicht mit Embedded-KI beschäftigen, könnten Gefahr laufen, den Anschluss zu verlieren und in einer zunehmend digitalisierten Welt ins Hintertreffen zu geraten. Denn reine Cloud-Strategien führen zu Abhängigkeiten, Chaos und Kostenexplosionen.
Noch schlimmer: Manche Use Cases mit Echtzeitanforderungen werden durch Cloud und die maximal übertragbare Datenmenge von vornherein ausgeschlossen. Daher wird Embedded-KI in der Industrie immer wichtiger. Sie gestaltet die Zukunft der Fertigung und Produktion maßgeblich mit.
