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Fabrik der Zukunft

Gleich- statt Wechselstrom?

03. Juni 2020, 08:10 Uhr   |  Tobias Schlichtmeier

Gleich- statt Wechselstrom?
© Fraunhofer IPA

Im DC-Labor am Fraunhofer IPA wird die Gleichspannungsfabrik von morgen getestet.

Fabriken werden derzeit mit Wechselstrom betrieben. Jedoch kann es viele Vorteile haben, eine Fabrik mit Gleichstrom zu betreiben. Welche das sind und wie das konkret aussehen kann, erarbeiten Forscher zweier Fraunhofer Institute.

Die Fraunhofer Institute für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB haben das Projekt DC-Industrie 2 gestartet. Zusammen mit mehr als 30 Partnern wollen sie alle elektrischen Anlagen einer Fabrik über ein intelligentes DC-Netz koppeln. So wollen sie die Versorgung effizienter, stabiler und flexibler gestalten. Im Vorgängerprojekt DC Industrie wiesen die Forscher bereits die Machbarkeit einer solchen Energieversorgung nach.

Bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts dominiert Wechselstrom bei der Versorgung mit elektrischer Energie. Mit dem Einzug der erneuerbaren Energien hat sich das jedoch geändert. Erzeuger wie Photovoltaik-Anlagen erzeugen Gleichstrom. Ebenso arbeiten Dinge des täglichen Gebrauchs wie Smartphones oder LEDs mit Gleichstrom. Er muss aufwendig in Wechselstrom umgewandelt werden und umgekehrt – mit hohen Verlusten. In der Fabrik der Zukunft, die mit Gleichstrom betrieben wird, sind solche Verluste passé.

Verluste vermeiden

Fünf bis zehn Prozent Effizienzsteigerung – das ist das Ergebnis des Projekts DC-Industrie. Die Einsparungen erreicht man insbesondere mit der Nutzung überschüssiger Bremsenergie drehzahlgeregelter Antriebe. Vier Testanlagen wurden mit DC-Komponenten unterschiedlicher Hersteller ausgerüstet und in Betrieb genommen.

Nun folgt der nächste Schritt: Im Projekt DC-Industrie 2 wollen die Forscher das Konzept auf die Produktionshalle übertragen. »Im Folgeprojekt wollen wir zum einen eine noch höhere Energieeffizienz erreichen, CO2-Emissionen reduzieren und zum anderen flexibel auf die Einführung klimaneutraler Technologien reagieren können. Mit einem lokalen Gleichstromnetz in der Fabrik kann man Energieschwankungen leichter ausgleichen, die beispielsweise wetterbedingt regenerative Energien oder zunehmende Schwankungen des öffentlichen Versorgungsnetzes mit sich bringen«, so Timm Kuhlmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA in Stuttgart.

Hinzu kommt, dass in der Produktion ein Großteil der eingesetzten Antriebe über Frequenzumrichter drehzahlgeregelt wird. Umrichter sind ebenfalls Gleichstromverbraucher. Um also für einen Elektromotor eine variable Spannung und Frequenz zur Verfügung zu stellen, ist zunächst die Netzwechselspannung gleichzurichten. Versorgt man den Frequenzumrichter direkt mit Gleichspannung, lassen sich Energiewandlungsverluste verhindern und die Rückspeisung von Bremsenergie wird einfach möglich. Ein weiterer Vorteil: Insbesondere Gleichrichterstufen führen zu einer starken Oberschwingungsbelastung des AC-Netzes, was aufwendige und kostenintensive Filtermaßnahmen nötig macht. Auf den Aufwand kann man bei einem DC-Netz verzichten.

Intelligente Energieversorgung

Ein weiterer Vorteil der DC-Fabrik liegt in der Kopplung aller elektrischen Anlagen der Fabrik zu einem intelligenten DC-Netz. Es ermöglicht die Verfügbarkeit und Qualität der elektrischen Versorgung vor Ort zu verbessern und so die Zuverlässigkeit der Produktion zu steigern. »Konkret etablieren wir Mikronetz-Topologien, sprich Regelungscluster, die es uns erlauben, Energiespeicherung, -erzeugung und -verbrauch vor Ort untereinander auszugleichen und zu koordinieren. Sie lassen sich autark betreiben«, so Kuhlmann.

Die neue Netzstruktur basiert auf einer oder mehreren Schnittstellen zum AC-Verteilnetz, die über aktive oder passive Gleichrichter die Gleichspannungsversorgung für die Produktionsanlagen bereitstellt. Alle installierten Verbraucher wie frequenzgeregelte Elektromotoren oder die Beleuchtung werden direkt mit Gleichstrom versorgt und sind über ein gemeinsames Gleichspannungsnetz verbunden, das in einem Spannungsband von ± zehn Prozent um einen Nennwert von 650 Volt arbeitet. Es erlaubt den direkten Energieaustausch zwischen allen Antrieben, die beispielsweise in Robotern oder Werkzeugspindeln regelmäßig beschleunigen und bremsen. Komponenten, die normalerweise überschüssige Energie verheizen, wie etwa Bremswiderstände, entfallen. Möglich sind solche Infrastrukturen erst mit der Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern: Die hohen Kosten für Komponenten, zum Schalten von Gleichströmen, sind mit dem Einsatz von modernen, leistungselektronischen Bauelemente wesentlich gesunken.

Weitere Tests in Versuchshallen sowie in der Factory 56 in Stuttgart-Sindelfingen wurden bereits gestartet. In der Fertigungsstätte des Projektpartners Daimler befinden sich aktive, bidirektionale Gleichrichter, sogenannte Active Infeed Converter, die direkt am Netzanschluss angeschlossen sind und erste Anlagen mit DC-Strom versorgen. Der Clou: Bei einer bidirektionalen Versorgung bietet man dem externen Wechselstromnetz Energie als Dienstleistung an, wenn große Erzeugungskapazitäten vorrätig sind. So profitiert der Verbraucher von der Energiewende in der Industrie 4.0.

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