Gleichstromnetz für die Industrie

In einer Fabrik besitzen viele Maschinen einen Gleichstrom-Zwischenkreis. Doch das Netz liefert Wechselstrom, sodass viele Antriebe einen Gleichrichter brauchen. Warum nicht von vornherein den gesamten Gerätepark mithilfe eines zentralen Gleichrichters mit Gleichstrom betreiben? Das spart Energie und Ressourcen. Aus dieser Idee sind die Forschungsprojekte DC-Industrie und DC-Industrie2 entstanden, an denen sich 39 Unternehmen und Institute beteiligten. Im Rahmen der Projekte wurde ein DC-Systemkonzept erarbeitet, das den Weg für eine Standardisierung bereitet. Eine gemeinsame Sprache zwischen Komponentenherstellern, industriellen Netzbetreibern und Dienstleistern soll die Implementierung von Gleichstromnetzen in Fabriken erleichtern. Erste erfolgreiche Industrieprojekte unterstreichen die Reife dieser Technologie und ihre konkreten Vorteile für die Industrie.

Die Gleich­stromfabrik hat viele Vorteile. Vor allem hilft sie, Energie zu sparen: Bei der Infrastruktur wie Lüftung oder Beleuchtung können acht bis zwölf Prozent eingespart werden, bei Fertigungs­robotern bis zu fünfzehn Prozent und bei Logistik­systemen sogar bis zu zwanzig Prozent. Dazu entfallen Verluste durch Blindleistung und die meist über­dimensionierten Gleichrichter der einzelnen Werkzeug­maschinen. Bremsenergie von Maschinen, die bisher verpufft, lässt sich ins DC-Netz speisen. Bei den Leitungen entfällt eine Phase, was Kupfer spart. Und nicht zuletzt lassen sich Photovoltaikanlagen, die zu einer modernen Fabrik gehören, effizient integrieren. Denn die grüne Energie, die aus den Solarzellen fließt, ist ebenfalls Gleichstrom.

Mit dem zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien kann es im öffentlichen AC-Netz vermehrt zu Spannungs­einbrüchen und kurzzeitigen Strom­ausfällen kommen. Das Gleich­stromnetz bietet eine Lösung, indem es diese kurzzeitigen Störungen überbrückt und die Produktion durch einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt stabiler macht. Allerdings erfordert die Nutzung von Gleichstrom eine präzise Regelung von Spannung und Strom durch den Betreiber. Das Fraunhofer-Institut für Produktions­technik und Auto­matisierung IPA hat hierfür das Konzept und die Auslegung des Netz­managements entwickelt. Es ermöglicht eine dezentrale und flexible Regelung von Lasten und Speichersystemen, um Lastspitzen zu reduzieren. Diese Maßnahmen tragen nicht nur zur Senkung der Energiekosten bei, sondern minimieren auch den Installations­aufwand.

Isabella Bianchini und ihr Team haben ein Simulations­modell entwickelt, das die gesamte Fabrik mit ihren Stromquellen und Verbrauchern abbildet. Mit ihm lassen sich alle möglichen Szenarien durchspielen. Das Simulations­modell zeigt vor allem auch, dass Extremfälle vom Netzmanagement gemeistert werden. Dazu gehören kritische impulsartige Veränderungen, etwa durch einen Kurzschluss oder die Schnellabschaltung einer Maschine. Kritisch sind impulsartige Veränderungen, etwa durch einen Kurzschluss oder die Schnell­abschaltung einer Maschine. Das Simulationsmodell lässt sich ohne großen Aufwand für beliebige Fabriken anpassen und ermöglicht dem Betreiber, Energieverbrauch und -produktion besser aufeinander abzustimmen.

Wenn in bestehenden Produktionshallen Energie­speichersysteme integriert und Bewegungs­energie rückgewonnen werden können, lohnt es sich, eine Potenzialanalyse für die Umrüstung von Wechsel- auf Gleichstrom durchzuführen. Im Rahmen dieses Projekts hat das Institut eine Methode entwickelt und umfassend getestet, die die Umrüstung bestehender Maschinen auf Gleichstrom­betrieb ermöglicht. Das Systemkonzept zur Einführung von Gleichstrom­netzen in Industrie­anlagen ist erst der Anfang. Es wird unter Leitung der Open DC Alliance (ODCA) weiterentwickelt und global vorangetrieben. Die Pläne umfassen die Ausdehnung auf andere Länder und Sektoren, darunter Privathaushalte und den Einzelhandel. Außerdem wird weiter an Normen und Standards gearbeitet, um die flächendeckende Implemen­tierung dieser Techno­logie zu unterstützen.

Fh.-IPA / JOL