Gleichstrom Effizienter unter Strom stehen

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Die Bedeutung von Gleichstrom nimmt weiter zu, und das über zahlreiche Branchen hinweg. Das liegt zum einen am technologischen Fortschritt, zum anderen an wesentlichen Vorteilen gegenüber Wechselstrom.

Das Ziel ist gesetzt: Deutschland soll klimaneutral werden und das so schnell wie möglich. Um dieses Ziel zu erreichen, sind in allen Sektoren weitere Anstrengungen zum Umstieg auf erneuerbare Energien und zur Steigerung der Energieeffizienz notwendig. Auch in der Industrie muss die weitergehende Elektrifizierung von Produktionsprozessen einen entscheidenden Beitrag leisten – knapp 30 Prozent des Energieverbrauchs in der Industrie entfallen auf den Energieträger Strom. Dieser Anteil wird durch eine zunehmende Elektrifizierung in den kommenden Jahren in nahezu allen Produktionsbereichen enorm ansteigen.

Der konsequente nächste Schritt ist dem ZVEI zufolge die Umstellung auf Anlagen, die mit Gleichstrom (engl. Direct current, DC) statt mit sonst üblichem Wechselstrom (AC) und im Verbund betrieben werden. Die Festlegung auf Wechselstrom lag damals darin begründet, dass dieser für die Übertragung von Energie über weitere Strecken verlustärmer auf hohe Spannungen transformiert werden kann. Heute können wir technologisch Spannungsniveaus über elektronische Konverter einfach anpassen, so dass die Vorteile von DC überwiegen.

Diese Vorteile hat Gleichstrom

• geringerer Kupferverbrauch in den Stromleitungen,

• weniger Stromverbrauch,

• Stromrückgewinnung bei Bremsvorgängen und

• die verlustarme Integration von Batteriespeichern und erneuerbaren Stromerzeugern.

Gleichstromfabrik birgt enorme Effizienzpotenziale

Durch Initiativen wie die Ökodesign-Richtlinie wird das Potenzial für Effizienzsteigerungen auf der Produktebene inzwischen umfassend gehoben. Nun sollte die Fabrik als System in den Blick genommen werden. Denn, so Ergebnisse aus der Forschung, in der Umstellung auf gleichstrombasierte Anwendungen bis hin zur DC- oder Gleichstromfabrik liegen enorme Effizienzpotenziale. Seit Oktober 2019 arbeiten 39 Partner - davon 33 Unternehmen und 6 Forschungseinrichtungen – an der nahtlosen, effizienten Integration von erneuerbaren Energien (z.B. Solarpanels auf Fabrikdächern) und Speichersystemen zum Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage in Fabriken.

Im Fokus von „DC-Industrie2“ stand die Gleichstromversorgung einer ganzen Produktionshalle, nachdem im Vorgängerprojekt „DC-Industrie“ (Laufzeit 2026 bis 2019) die Gleichstromversorgung einer Produktionszelle realisiert wurde. Die DC-Infrastruktur wurde in neun Modellanlagen und Transferzentren bei verschiedenen Partnern realisiert und ausgiebig getestet. Die Leistung dieser Anlagen reicht von einigen Kilowatt bis zu 2 Megawatt. Nach sieben Jahren kam das Projekt Ende März 2023 planmäßig und mit positiven Ergebnissen zum Abschluss.

Projektergebnisse im Überblick:

• Energieeffizienzsteigerungen in der Fabrikinfrastruktur von rund acht bis zwölf Prozent, in der Produktionstechnik von sechs bis zehn Prozent wurden in Projekten nachgewiesen.

• Wandlungsverluste von Wechselstrom zu Gleichstrom entfallen, Bremsenergie von bewegten Massen wird zurückgewonnen und Verluste bei der Energieübertragung (Leitungsverluste) gegenüber Wechselstrom werden reduziert.

• Beim Aufbau einer auf Gleichstromtechnik basierenden Fabrik können bis zu 50 Prozent des Leitermaterials (Kupfer) und bis zu 25 Prozent der elektronischen Bauteile eingespart werden.

• Die Umstellung auf Gleichstrom reduziert den Bedarf für den Ausbau des Stromnetzes, weil durch die Verwendung von Gleichstrom mit Speichern und erneuerbaren Energiequellen bis zu 30 Prozent weniger Anschlussleistung notwendig ist. Die Spitzenlast verringert sich sogar um bis zu 50 Prozent.

• Eine Umstellung auf eine mit Gleichstrom betriebene Fabrik ermöglicht eine effiziente Integration erneuerbarer Energien. Photovoltaikanlagen produzieren Gleichstrom, daher benötigt man lediglich einen Gleichstromwandler statt des wesentlich aufwendigeren Wechselrichters.

• In einem Gleichstromnetz basieren fast alle elektronischen Wandler und Sicherungssysteme auf Digitaltechnik. Dies erleichtert es, einen digitalen Zwilling der Fabrik zu schaffen und Energieflüsse im Sinne eines „smart industrial grid" gezielt zu steuern.

Mehr Energie- und Ressourceneffizienz durch Gleichstrom

„Gleichstrom aus erneuerbaren Energien kann leicht in die Produktion eingebunden werden und zugleich einen wichtigen Beitrag für mehr Energie- und Ressourceneffizienz leisten“, zeigt sich Prof. Dr. Holger Borcherding von der TH OWL und wissenschaftlicher Leiter des Forschungsprojekts „DC-Industrie2“, begeistert. „Es ist gelungen, ein nachhaltiges elektrisches Netz für industrielle Anwendungen zu entwickeln und für eine schnelle Verbreitung vorzubereiten“, so Borcherding weiter.

Das offene Konzept, das herstellerunabhängig funktioniert, sei die Basis für einen breiten Einsatz. In den Modellanlagen und Transferzentren konnte die Technik bereits erfolgreich getestet und angewendet werden: „Die Effizienz im Vergleich zu Wechselstrom überzeugt: Wir konnten bei einigen Anwendungen bis zu 20 Prozent Energie einsparen und den Kupferverbrauch in den Leitungen um die Hälfte reduzieren.“

Gleichstrom ist damit ein wichtiger Baustein für eine ressourcenschonende klimaneutrale Industrie: „In einem Gleichstromsystem lassen sich Leistungsbedarf und -angebot im Vergleich zum Wechselstromnetz leichter ausbalancieren“, so Dr. Hartwig Stammberger von Eaton und Koordinator des Projekts „DC-Industrie2“. Weitere Vorteile: Die elektrische Installation in den Fabriken muss nicht mehr auf kurzzeitig auftretende Lastspitzen ausgelegt werden. Bremsenergie wird komplett genutzt und zugleich sorgen Speicher für genügend Energie.

Projekt

Forscher entwickeln DC-Energieinfrastruktur für die E-Mobilität

Wie es weitergeht

Die Erkenntnisse aus den Projekten werden von der im November 2022 gegründeten ZVEI-Arbeitsgemeinschaft Open DC Alliance (ODCA) weiterentwickelt – schließlich müssen Motoren, Frequenzumrichter, Leitungen, Steckdosen, Energiespeicher und -erzeuger sowie Versorgungsgeräte und Verbraucher an Gleichstrom angepasst werden.

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