Intelligente Gleichstromnetze für Fabrikhallen

Ein weiterer Vorteil: Die Lastflussaufteilung zwischen Speichersystemen, der Netzeinspeisung und erneuerbaren Energiequellen ist dezentral organisiert und basiert auf der Netzspannung als Indikator. „Das große Potenzial der Gleichstromversorgung in der Produktion liegt in der Kopplung aller elektrischen Anlagen der Fabrik zu einem intelligenten DC-Netz. Dieses ermöglicht es, die Verfügbarkeit und Qualität der elektrischen Versorgung vor Ort zu verbessern und so die Zuverlässigkeit der Produktion zu steigern“, sagt der Forscher vom Fraunhofer IPA, der im Projekt gemeinsam mit seinem Team für die Anforderungsanalyse der Unternehmen, den Transformationsprozess und das Netzmanagement verantwortlich ist.

Die Kollegen am Fraunhofer IISB kümmern sich indessen um die gerätetechnische Umsetzung, z. B. die Implementierung von Gleichstromwandlern und Schutzelementen, die Untersuchung des Netzes hinsichtlich seiner Groß- und Kleinsignalstabilität sowie die dezentrale Regelung von vielen zusammengeschalteten Wandlersystemen. „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, die Beleuchtung und Prozesstechnologien werden direkt mit Gleichstrom versorgt und sind über ein gemeinsames Gleichspannungsnetz verbunden, das in einem Spannungsband von ±10 % um einen Nennwert von 650 V arbeitet (Bild 3). Dies erlaubt den direkten Energieaustausch zwischen allen Antrieben, die beispielsweise in Robotern oder Werkzeugspindeln regelmäßig beschleunigen und bremsen. Komponenten, die normalerweise überflüssige Energie verheizen, wie etwa Bremswiderstände, entfallen. Möglich werden solche neuen technologischen Infrastrukturen erst durch die Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern: Die hohen Kosten für Komponenten zum Schalten von Gleichströmen sind durch moderne leistungselektronische Bauelemente wesentlich gesunken.

Bild 3: Arbeiten am zentralen Verteilerschrank des DC-Testnetzes am Fraunhofer IISB (Quelle: Fraunhofer IISB/Kurt Fuchs)

„Wir können zwischen fünf bis zehn Prozent Energie einsparen, indem wir einfach Gleichstrom verwenden“, so der Ingenieur.

Ausblick

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. „Bidirektional bedeutet, dass man dem externen Wechselstromnetz Energie als Dienstleistung anbieten kann, wenn man große Erzeugungskapazitäten vorrätig hat. Es handelt sich also nicht um eine Einbahnstraße. Der Verbraucher profitiert vielmehr von der Energiewende in der Industrie 4.0“, so Kuhlmann. n