Schwerpunkte

Energieversorgung in der Industrie

DC statt AC?

14. September 2020, 08:45 Uhr   |  Von Dr. Jan Stefan Michels

DC statt AC?
© Weimüller

Die Energieverteilung in Industrieunternehmen steht vor Herausforderungen, die sich lediglich mit einer neuen Technik lösen lassen.

Schon Edison und Westinghouse stritten darüber, ob Wechsel- oder Gleichstrom besser für die Energieübertragung geeignet wäre. Letztlich setzte sich Westinghouse mit der Wechselspannung durch. Nicht zuletzt aufgrund zunehmender Erzeugung mit PV-Anlagen stellt sich die Frage erneut.

Trends wie Klimaschutz, künstliche Intelligenz (KI) oder die Mobilitätswende beeinflussen derzeit die Industrie. Besonders seit Beginn der Energiewende befindet sich Deutschland in einem Wettlauf um die Reduzierung des Strombedarfs. Im industriellen Bereich wurde deshalb das Forschungsprojekt »DC Industrie« ins Leben gerufen. Mit dem Projekt wollen die beteiligten Unternehmen versuchen, die Stromversorgung industrieller Anlagen über ein smartes, offenes Gleichstromnetz neu zu gestalten und so die industrielle Energieversorgungsarchitektur zu digitalisieren. Ein Projekt, das dringend nötig ist – denn eines ist sicher: Die Energieverteilung in Industrieunternehmen steht vor Herausforderungen, die sich lediglich mit einer neuen Technik lösen lassen. Der Spezialist für Industrial Connectivity – Weidmüller – beschäftigt sich intensiv mit dem Thema und hat dafür Infrastrukturtechnik entwickelt, implementiert und validiert. Sie misst Strom und Spannung und ermöglicht die Funktionsabläufe und die Verarbeitung von Mess- und Signalwerten.

Ob Gleichspannung oder Wechselspannung – darüber stritten schon Thomas Edison und George Westinghouse. Im Zuge der Globalisierung und Digitalisierung nimmt der Bedarf an Strom immer weiter zu. Es gilt, neue Technologien zu entwickeln und zu erproben, die zum Reduzieren des Energiebedarfs sowie einem zuverlässigeren Verteilen und einem effizienteren Nutzen von Energie beitragen. In dem Zug wird der DC-Technik großes Zukunftspotenzial eingeräumt, um beispielsweise die Energiebilanz in der Industrieproduktion zu verbessern (Bild 1).

Gehäusefertigung
© Weimüller

Bild 1. Beispielsweise ist es mit DC-Technik möglich, die Energiebilanz in der Industrieproduktion zu verbessern.

Die 50 Hz Wechselspannungs-Topologie stößt in einigen Bereichen an ihre Grenzen und lässt eine Effizienzsteigerung lediglich bedingt zu. Insbesondere in der Industrie könnten viele Anwendungen nicht nur Strom verbraten, sondern gleichfalls zurückgewinnen. Bestes Beispiel dafür sind Antriebe, durch deren Bremsvorgänge Energie zurück gespeist werden könnte. Zurzeit wird die Energie jedoch vorwiegend keiner weiteren Nutzung zugeführt, sondern in Wärme umgewandelt – eine enorme Energie-Verschwendung. Daneben gibt es Verbraucher, wie LED-Beleuchtung, Klimatechnik oder IT-Server, die bereits mit Gleichspannung arbeiten. Hier könnte ein internes DC-Netz mit 650 V Spannung viele Vorteile bieten. Mit dem Einsatz von Gleichstrom in der Produktion kann die Industrie zudem einen großen Beitrag zur Einsparung von CO2 leisten.

Vorteile einer DC Versorgung

Eine umweltfreundliche Produktion wird zum Wettbewerbsfaktor. Gleichstromnetze sind – ebenso wie die Nutzung von IT-Clouds oder 5G – ein interessanter Baustein auf dem Weg zur Industrie 4.0. Wichtig ist das für den Produktionsstandort Deutschland. Mit einem DC-Grid können Unternehmen beispielsweise Photovoltaik (PV)-Anlagen oder dezentrale Energiespeicher in die industrielle Infrastruktur einbinden (Bild 2). Mit der hiermit einhergehenden Reduzierung von Wandlungsverlusten von AC zu DC sowie einem intelligenten Lastmanagement können Betriebe ihren Energiebedarf signifikant reduzieren und Spitzenlasten vermeiden.

Das wiederum wirkt sich positiv auf Gerätebauformen und Installationen aus. In Summe sind Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich möglich. Betrachtet man verschiedene elektrische Energiequellen, die an eine angeschlossene Last unmittelbar Gleichstrom liefern – zum Beispiel Solarzellen – erhöht das die Energieeffizienz. Hierbei könnten Betriebe, erzeugten Strom aus der PV-Anlage, direkt ohne Wechselrichter in das DC-Netz einspeisen. Ein großes Einsparpotenzial ergibt sich ebenfalls aufgrund der geringen Wandlungs- und Transportverluste, dem Nutzen von Rekuperationsenergie sowie einer Peak-Power-Reduktion mithilfe geeigneter Speicher.

PV-Anlage
© Weimüller

Bild 2. Mithilfe eines DC-Grids können beispielsweise Photovoltaikanlagen oder dezentrale Energiespeicher einfach in die industrielle Infrastruktur eingebunden werden.

Hohe Einsparung von Ressourcen

Ein weiterer Punkt ist das Einsparen von Ressourcen beim Einsatz von DC-Netzen. Neben dem Reduzieren des Kupferverbrauchs und dem direkten Einbinden von Speichersystemen, punktet die Technik mit geringeren Gerätekosten und Platzeinsparung in der Installation. Ebenso ist eine einfachere Leistungselektronik möglich. Ingenieure rechnen mit etwa einem Drittel weniger Kupfer für Kabel und Leitungen. Mit DC-Netzen entfallen weiterhin Zusatzinvestitionen zur Netzfilterung und Kompensation, da Gleichstromnetze systembedingt stabilisiert sind. Bestandsnetze werden gestützt, so dass Betriebe Produktionsausfälle aufgrund von Netzstörungen reduzieren oder sogar verhindern können. Gleichzeitig unterstützt die DC-Technik den Aufbau eines stabilen, intelligent gesteuerten Stromnetzes abseits der öffentlichen Energieversorgung. Störungsbedingte Produktionsausfälle und Qualitätsverluste streben somit gegen Null. Zudem muss die Versorgung nicht mehr konstant auf Höchstlast ausgelegt sein.

Viele technische Hindernisse bereits gelöst

So einfach, wie es sich anhört, ist der Einsatz der DC-Technik allerdings (noch) nicht. Ingenieure müssen noch einige technische Hürden nehmen. So ist in einem DC-Grid mit vielen Verbrauchern – aufgrund der Netzkapazität – ein steiler Anstieg des Einspeisestroms um mehrere Ampere pro Mikrosekunde abzufangen. Erste Ansätze aus der Halbleitertechnik sind sehr vielversprechend. Jedoch hat sich nicht allein bei der technischen Entwicklung viel getan. Gerade im Bereich der Produkte gab es in den letzten Jahren viele Neuheiten. Nicht zuletzt aufgrund des Booms der PV-Anlagen, sind viele DC-Produkte wie Kabel und Steckverbinder bereits heute aus dem Katalog bestellbar.

Intelligenter DC-Abzweig

Im Rahmen des Forschungsprojektes DC-Industrie hat Weidmüller zusammen mit den Projektpartnern einen intelligenten DC-Abzweig entwickelt. Er ermöglicht das Entkoppeln einer Lastzone vom Hauptnetz und das Monitoring von Spannung und Strom, Kommunikation und Visualisierung. Außerdem ermöglicht er das sichere Trennen über einen zweipoligen Wartungsschalter. Knapp 50 DC-Abzweige wurden bereits erfolgreich in den seriennahen Testanlagen erprobt und gewährleisten dort einen reibungslosen Betrieb der Anlage.

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