Gleichstrom Projekt will Gleichstrom in die Fabrik bringen

Gleichstrom in Fabriken soll die elektrische Versorgung effizienter, stabiler und flexibler machen. Im neuen Projekt DC-Industrie 2 wollen Fraunhofer-Forscher die Machbarkeit untersuchen.

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Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB)

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Fabriken laufen derzeit noch mit Wechselstrom – sie auf Gleichstrom umzustellen, hätte zahlreiche Vorteile, sind sich Fraunhofer-Forscher sicher. In ihrem Projekt DC-Industrie 2 wollen sie die elektrischen Anlagen einer Fabrik über ein intelligentes Gleichstromnetz miteinander koppeln und so die Energiewende im industriellen Bereich vorantreiben.

Langfristig wollen die Forscher ganze Fabrikhallen auf Gleichstrom umrüsten. Für den Anfang werden die Projektpartner ein Konzept für ein intelligentes DC-Versorgungssystem entwickeln und erproben, das eine Produktionshalle günstig mit Gleichstrom versorgt.

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So funktioniert das Gleichstromnetz

Die neue Netzstruktur basiert auf einer oder mehreren Schnittstellen zum Wechselstrom-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 ±zehn Prozent um einen Nennwert von 650 Volt arbeitet.

Das 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.

Hintergrund: Warum Gleichstrom in Fabriken Sinn macht

Dass Gleichstromnetze heutzutage immer sinnvoller werden, hat mehrere Hintergründe. Zum einen liegt das an der Art der Stromerzeugung: 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.

Zum anderen wird heutzutage immer häufiger Gleich- statt Wechselstrom benötigt – im Alltag sind das etwa Computer und Laptops, Smartphones, aber auch LEDs, die ein Netzteil benötigen, um diesen zur Verfügung zu stellen. In der Produktion wird ein Großteil der eingesetzten Antriebe über Frequenzumrichter drehzahlgeregelt. 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.

Welche Vorteile ein Gleichstromnetz hat

Das Projekt DC-Industrie 2 soll dazu beitragen, eine höhere Energieeffizienz zu erreichen, CO₂-Emissionen zu reduzieren und zum anderen flexibel auf die Einführung klimaneutraler Technologien reagieren zu können.

Mit einem lokalen Gleichstromnetz in der Fabrik kann man laut Forscher Energieschwankungen leichter ausgleichen, die beispielsweise wetterbedingt regenerative Energien oder zunehmende Schwankungen des öffentlichen Versorgungsnetzes mit sich bringen.

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.

Außerdem ist die Lastflussaufteilung zwischen Speichersystemen, der Netzeinspeisung und erneuerbaren Energiequellen dezentral organisiert und basiert auf der Netzspannung als Indikator. Durch die Kopplung aller eletrischen Anlagen der Fabrik zu einem intelligenten DC-Netz wird es möglich, die Verfügbarkeit und Qualität der elektrischen Versorgung vor Ort zu verbessern und so die Zuverlässigkeit der Produktion zu steigern.

Vorgängerprojekt weist Machbarkeit nach

Das Vorgängerprojekt DC-Industrie konnte nachweisen, dass eine dezentrale Energieflussregelung eines DC-Versorgungsnetzes in der Fabrik machbar ist. Auch wurden durch den Übergang von Wechsel- auf Gleichspannung Effizienzsteigerungen im Bereich zwischen fünf und zehn Prozent erzielt, was sich insbesondere darauf zurückführen lässt, dass die Nutzung von überschüssiger Bremsenergie drehzahlgeregelter Antriebe über ein Gleichspannungsnetz einfach möglich ist.

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