Mit Gleichspannung die Energieeffizienz steigern
Wachsende e-Auto-Ladeinfrastruktur lässt sich intelligent in industrielle Gleichspannungsnetze integrieren.
Die Energiekosten sind in der Produktion weiterhin ein entscheidender Faktor. Gleichzeitig wächst mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen die Zahl der Ladepunkte. Wie sich diese Ladeinfrastruktur intelligent in industrielle Gleichspannungsnetze integrieren lässt, hat das Konsortialprojekt DCI4Charge nun erfolgreich demonstriert: Die Batterien von Elektrofahrzeugen dienen als flexible Notfallreserve und helfen Lastspitzen abzufedern – ohne die Netzstabilität oder die Mobilität der Mitarbeitenden zu gefährden.
Ein zentraler Anwendungsfall ist der DC Innovation Hub in der Weidmüller Akademie in Detmold. Dort wird ein Gleichstromnetz betrieben, in dem Strom aus erneuerbaren Quellen im DC-Verbund effizient integriert und jetzt auch mit Elektrofahrzeugen gespeichert und genutzt werden kann. „Gleichstromnetze bieten hier einen echten Effizienz- und Flexibilitätsgewinn, den wir im Projekt konsequent genutzt haben“, sagt Isabella Bianchini, Forschungsteamleiterin am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.
Gemeinsam mit der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL), dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB sowie den Industriepartnern Ambibox, Eaton und Weidmüller wurden flexible Lösungen für das bidirektionale Laden in industriellen DC-Netzen entwickelt. Ausgangspunkt des Projekts war die Frage, wie sich Ladeinfrastruktur effizient in industrielle Gleichstromnetze (DC-Netze) integrieren lässt, um Energiekosten zu senken und einen kostenintensiven Netzausbau zu vermeiden. In herkömmlichen Szenarien werden Ladesäulen über das Wechselstromnetz versorgt, jeder Wandlungsschritt verursacht Verluste. „Wenn wir die Ladeinfrastruktur direkt an das unternehmensinterne Gleichspannungsnetz anbinden, vermeiden wir diese Umwege“, erklärt Dietmar Hölderle, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsteam Industrielle Mikronetze am Fraunhofer IPA. „Gleichzeitig können wir die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterien als virtuelle Batterie einbinden und Verbrauchsspitzen glätten.“
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Dafür haben die Projektpartner ein detailliertes elektrisches Modell des DC-Netzes und der Ladeinfrastruktur sowie ein softwaregestütztes Energiemanagementsystem entwickelt. Es berücksichtigt neben Erzeugung und Verbrauch auch betriebliche Randbedingungen, etwa Mindestladezustände. Simulationen zeigten: Die Sekundärregelung im DC-Netz hält die Spannung stabil, während die Fahrzeuge gleichzeitig als flexible Batterie genutzt werden können – etwa, um bei hohen Strompreisen Energie aus den Fahrzeugbatterien bereitzustellen oder Lastspitzen zu reduzieren.
Damit Energie aus dem DC-Netz bedarfsgerecht in die Batterien fließen und bei Bedarf zurückfließen kann, bilden leistungselektronische Wandler das Herzstück der Infrastruktur. Forschende am Fraunhofer IISB entwickelten galvanisch trennende DC/DC-Wandler, die die Spannung aus dem industriellen Gleichspannungsnetz auf das Niveau der Fahrzeugbatterien anpassen. Anders als beim Stand der Technik üblich, wurde hierbei ein einstufiges System umgesetzt. Eine einzelne Wandlerstufe stellt somit sowohl die galvanische Trennung sicher, und regelt gleichzeitig die Netzspannung auf die vom Fahrzeug benötigte Spannung um. Um diese Einsparungen in der Hardware zu erzielen, haben die Forschenden am Fraunhofer IISB eine geschickte Regelungsstrategie entwickelt und umgesetzt, die auch mit unterschiedlichen Fahrzeugklassen und somit einem sehr breiten Spannungsbereich stabil arbeitet.
Mit dem erfolgreichen Abschluss von DCI4Charge liegt ein praxiserprobtes Gesamtkonzept vor – von der leistungselektronischen Anbindung über das Simulationsmodell bis zum Energiemanagementsystem. Es zeigt, wie Unternehmen Gleichstromnetze, Ladeinfrastruktur und E-Fahrzeuge zu einem integrierten Energiesystem verbinden können. [FhIPA / dre]
