Intelligente Gleichstromnetze für Fabrikhallen

Ziel ist es, alle elektrischen Anlagen der Fabrik über ein intelligentes DC-Netz zu koppeln, um so die elektrische Versorgung energieeffizienter, stabiler und flexibler zu gestalten und die Energiewende im industriellen Bereich voranzutreiben.

Wandel von AC zu DC

Seit Ende des 19. Jahrhunderts dominiert Wechselstrom die elektrische Energieübertragung und -verteilung, er kommt auch in Deutschland aus der Steckdose. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher wollen dies für die industrielle Produktion ändern:

„Die Gründe, in der Industrie von Wechsel- auf Gleichstrom umzustellen, sind vielfältig“, sagt Timm Kuhlmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA in Stuttgart.

Dem Forscher und seinen Projektpartnern ist es ein Anliegen, einen Paradigmenwechsel in der industriellen Stromversorgung herbeizuführen und langfristig komplette Fabrikhallen von Wechselstrom auf Gleichstrom umzurüsten (Bild 1). „Im Alltag sind wir häufig mit Gleichstrom (auch DC, kurz für Direct Current, genannt) konfrontiert: Computer und Smartphones, aber auch LEDs arbeiten mit Gleichstrom und benötigen ein Netzteil, um diesen zur Verfügung zu stellen“, erläutert der Ingenieur. Auch bei der Stromerzeugung hat sich die Situation geändert: Während beispielsweise Kohle- und Kernkraftwerke Wechselstrom (AC, kurz für Alternating Current) erzeugen, stellen insbesondere lokal verfügbare erneuerbare Energieressourcen, wie Photovoltaikanlagen, prinzipbedingt Gleichstrom zur Verfügung. Letzteres gilt auch für elektrochemische Energiespeichersysteme.

Bild 1: Im DC-Labor am Fraunhofer IPA wird die Gleichspannungsfabrik von morgen getestet (Quelle: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Energiesparende Alternative für Antriebe in der Produktion

Im Projekt DC-Industrie 2 haben es sich die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IPA und des Fraunhofer IISB in Kooperation mit mehr als 30 Partnern zur Aufgabe gemacht, ein Konzept für ein intelligentes DC-Versorgungssystem zu entwickeln und zu erproben, das eine Produktionshalle günstig mit Gleichstrom versorgen kann (Bild 2). Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Vorhaben, das bis Ende 2022 läuft.

Bild 2: Leistungselektronische Wandler und station

Die Ergebnisse des Vorgängerprojekts DC-Industrie stimmen zuversichtlich: Die Machbarkeit einer dezentralen Energieflussregelung eines DC-Versorgungsnetzes in der Fabrik konnte nachgewiesen werden. Auch wurden durch den Übergang von Wechsel- auf Gleichspannung Effizienzsteigerungen im Bereich zwischen 5 und 10 % erzielt, was sich insbesondere darauf zurückführen lässt, dass die Nutzung von überschüssiger Bremsenergie drehzahlgeregelter Antriebe über ein Gleichspannungsnetz einfach möglich ist.

Vier Testanlagen wurden mit DC-Komponenten unterschiedlicher Hersteller ausgerüstet und in Betrieb genommen. Nun gilt es, das erprobte Konzept für einen Maschinenverbund auf eine Produktionshalle zu übertragen.

„In dem Folgeprojekt DC-Industrie 2 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 Kuhlmann.

Hinzu kommt, dass in der Produktion ein Großteil der eingesetzten Antriebe über Frequenzumrichter drehzahlgeregelt wird. Diese Umrichter sind ebenfalls Gleichstromverbraucher. Um also für einen Elektromotor eine variable Spannung und Frequenz zur Verfügung zu stellen, muss zunächst die Netzwechselspannung gleichgerichtet werden. Mit dem Wegfall dieser Wandlungsstufe durch die direkte Versorgung des Frequenzumrichters mit Gleichspannung lassen sich daher Energiewandlungsverluste einsparen und die Rückspeisung von Bremsenergie wird einfach möglich.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass gerade die Gleichrichterstufen zu einer starken Oberschwingungsbelastung des AC-Netzes führen, was aufwendige und kostenintensive Filtermaßnahmen notwendig macht, um die normativ geforderte Spannungsqualität sicherzustellen. Auf diesen Aufwand kann man bei einem DC-Netz verzichten.

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