Warum die Fabrik der Zukunft mit Gleichstrom läuft

Das Projekt DC Industrie, in dem 21 Unternehmen die Energieversorgung per Gleichstrom testen, befindet sich in seiner entscheidenden Phase. Die Potenziale der Technologie ohne Wechselstrom in Richtung Energieeffizienz und Industrie 4.0 sind so groß, dass sie als wichtiger Baustein zur Sicherung der globalen Führungsposition in der Automation gilt.

Der Anteil der intelligenten Antriebe steigt stetig. Experten schätzen, dass über alle Industriebranchen hinweg heute etwa 30 Prozent aller Antriebe über Frequenzumrichter geregelt sind, über die sich die Drehzahl bedarfsgerecht elektronisch einstellen lässt. Dabei muss jedoch für jeden Elektromotor die Wechselspannung zuerst in Gleichspannung umgewandelt werden, um über einen weiteren Wechselrichter für den Elektromotor eine variable Spannung und Frequenz zur Verfügung stellen zu können.

Forschungsprojekt für Gleichstrom in der Industrie

Würde der Frequenzumrichter direkt mit Gleichspannung versorgt, könnte man sich eine Energiewandlung sparen. Hinzu kommt, dass bereits auf immer mehr Fabrikdächern Photovoltaikanlagen Strom erzeugen. Auch diese produzieren Gleichspannung und können direkt ohne Wandlung in ein Netz mit Gleichspannung einspeisen. Ebenso benötigen energiesparende LED-Leuchten diese Art der Stromspannung und natürlich alle elektronischen Steuergeräte und Computer. Zahlreiche Argumente also, künftig die Fabriknetze mit einer zentralen Versorgung mit Gleichspannung auszustatten.

Genau das haben sich 21 Unternehmen aus der Industrie, vier Forschungsinstitute sowie der Verband ZVEI auch gesagt und arbeiten gemeinsam seit Sommer 2016 im branchenübergreifenden Forschungsprojekt DC-Industrie Konzepte an der Umsetzung dieser Gleichstrom-Idee. Die Verantwortlichen des vom Bundeswirtschaftsministeriums geförderten Gleichstrom-Projekts der Industrie mit einem Gesamtvolumen von etwa zehn Millionen Euro haben dabei große Erwartungen an die Technologie: „Eine Infrastruktur, die auf Gleichspannungsnetzen basiert, soll sowohl die Energiewende voranbringen und die Energieeffizienz fördern als auch die Industrie 4.0 unterstützen“, heißt es in einer dazu veröffentlichten Broschüre.

„Die Einführung der DC-Technik ermöglicht erstmals eine Optimierung von Systemkosten und gleichzeitig die Erhöhung der Energieeffizienz“, sagt Karl-Peter Simon, Geschäftsführer von Bauer Gear Motor, einem der Projektpartner bei DC-Industrie. Die neue Netzstruktur basiert auf einer Wechselspannungseinspeisung, die über einen zentralen Gleichrichter die Produktionsanlagen mit Gleichspannung versorgt.

Aktive Netzfilter in der zentralen Einheit sichern die notwendige Spannungsqualität. Durch die direkte Versorgung über einen Frequenzumrichter mit Gleichspannung sind alle installierten Motoren über ein gemeinsames Gleichspannungsnetz verbunden. Somit kann ein direkter Energieausgleich aller treibenden und bremsenden elektrischen Antriebe stattfinden. Die zentrale Gleichspannungsversorgung speist nur noch die Differenzenergie ein und muss auch nur diese von Wechselspannung auf Gleichspannung wandeln.

Mehr Umrichter dank Gleichstrom

Zusätzliche Komponenten, wie Bremswiderstände, die Energie lediglich in Wärme umwandeln, entfallen dabei. Damit müssen weniger Komponenten installiert werden und es wird Platz eingespart. Ein Gleichspannungsnetz verursacht im Wesentlichen nur ohmsche Übertragungsverluste. Gegenüber Wechselspannung entfallen die kapazitiven und induktiven Leitungsverluste. „Somit sind die Voraussetzungen vorhanden, den Einsatz von Frequenzumrichtern wesentlich zu steigern“, betont Geschäftsführer Simon. Er geht davon aus, dass man Elektromotoren zunehmend nicht mehr für ein 50-Hz-Netz optimiert, sondern für den bestmöglichen Betrieb mit Frequenzumrichtern und Gleichstrom. „Dies ermöglicht eine wesentlich bessere Ausnutzung der Asynchronmaschine und erhöht damit die Energieeffizienz“, erläutert Simon.

Wie mit Gleichstrom und Umrichter 10 Prozent Energie gespart werden kann

Beim ZVEI kalkuliert man mit einem energetischen Einsparpotenzial von etwa zehn Prozent. Dafür sorgt vor allen Dingen, dass Bremsenergie mit der DC-Technologie ähnlich wie bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen rückgespeist werden kann und nicht, wie bislang in vielen Fällen üblich, ungenutzt geradezu verheizt wird.

Der Kosteneffekt wird mit etwa 20 Prozent veranschlagt. Dies ist vor allem durch die Einsparung von AC-DC-Wandlern an den Motoren bedingt. Die durchschnittliche Anlagenverfügbarkeit lässt sich zudem auf rund 98 Prozent steigern. Hintergrund ist hier unter anderem die geringere Anfälligkeit der Stromversorgung aufgrund wegfallender Einschaltspannungspeaks. Laut Gunther Kosch­nick, Geschäftsführer des Fachverbands Automation im ZVEI, sorgt dies „insbesondere dort für Verbesserungen, wo viele Roboter im Einsatz sind, also unter anderem in der Automobilindustrie“.

Nicht zu vernachlässigen sind auch die positiven Effekte in der Netzleittechnik, die ein solch smartes Fabrik-DC-Grid mit sich bringen würde. Da alle Motoren mit einem Frequenzumrichter betrieben werden, ist es mess- und vorhersehbar, wo welche Energieverbräuche entstehen. Denn die elektrischen Antriebe liefern viele Informationen quasi von selbst gleich mit. So lassen sich Energiedaten mit den Prozessdaten verknüpfen, und der Fabrikbetreiber erhält per Netzmanagement zusätzlich Informationen über den Energiezustand.

Karl-Peter Simon verweist auf die so mögliche energiekos­tenoptimierte Betriebsführung, die „Services in der Cloud unterstützen kann“. ZVEI-Geschäftsführer Koschnick betont, dass sich auf diese Weise „Energieflüsse orchestrieren“ und „ein Stromnetz aktiv steuern“ lassen. Beispielsweise besteht so die Möglichkeit, beim Stromeinkauf auf Preis- oder Wettersignale zu reagieren. Zudem lassen sich vorhersehbare Spitzenverbräuche, die heute für die Betreiber zusätzliche Kosten verursachen können, mit eigenen Batteriespeichern abpuffern, indem auf Eigenversorgung umgestellt wird. Letztere arbeiten ja ebenfalls auf Basis von Gleichstrom.

Vor Kurzem ist eine wichtige Phase im Projekt angelaufen. Die drei seit Oktober 2018 laufenden Testimplementierungen beim Automobilhersteller Daimler, beim Holzbearbeitungsmaschinenbauer Homag und bei KHS, einem Hersteller von Abfüll- und Verpackungsanlagen, sollen Aussagen liefern, inwieweit sich die in die Technologie gesteckten Erwartungen erfüllen. Koschnick ist optimistisch: „Was man heute schon sagen kann: Es sieht sehr positiv aus.“

Wie Daimler die Autofabrik der Zukunft mit Strom betreibt

Daimler setzt zwei, räumlich verbundene, Demonstratoren im Innovationslabor der Technologiefabrik des Konzerns um. Das in DC-Industrie spezifizierte Systemkonzept wird anhand einer Rohbau-Produktionsanlage und einer Elektro-Hängebahn erprobt. Zum Einsatz kommen Komponenten nahezu aller projektbeteiligten Partner, um die Interoperabilität der Produkte zu untersuchen. Auch bei Daimler verweist man auf erste positive Projekterfahrungen. Dabei denkt man in Stuttgart schon weiter. „Sobald die Geräte-Prototypen sich im Verbund als konzepttauglich erweisen, können die Komponentenpartner schnell in eine Serienentwicklung einsteigen“, heißt es auf Nachfrage.

Zum Einsatz kommt ein DC-Grid auch in der ‚Factory 56‘, die Daimler als „die Autofabrik der Zukunft“ bezeichnet und Anfang der kommenden Dekade eröffnet werden soll. Ein Teil des von einer PV-Anlage auf dem Dach der Zukunftsfabrik erzeugten Stroms wird in ein Gleichspannungs-Netz der Halle eingespeist, das unter anderem über eine industrielle Batteriespeicherlösung von Mercedes-Benz Energy verfügt. Versorgt werden sollen so Teile der Ge­bäude-Infrastruktur und Gleich­strom-Ladestationen, an denen künftig Elektrofahrzeuge nach der Montage aufgeladen werden können.

Wie Gleichspannung die Branche nachhaltiger macht

Dies zahlt in die Nachhaltigkeitsstrategie und ‚grüne Produktion‘ ein, die Daimler weltweit in seinen Werken anstrebt. Laut dem Autokonzern ist die selektive Umstellung der Produktionsnetze von Wechsel- auf Gleichspannung und die Umsetzung von Industrial Smart DC Grids „ein Kernelement dieses Wandels“.

Für ZVEI-Mitarbeiter Koschnick ist es logisch, dass gerade Automobilfirmen auf die neue effiziente Technologie setzen: „Man will nicht nur beim Verbrauch der Fahrzeuge Energie und Emissionen einsparen, sondern auch bei deren Herstellung.“ Karl-Peter Simon sieht auch für die Anlagen- und Komponentenhersteller große Potenziale: „Wenn wir die Umsetzungsgeschwindigkeit weiter erhöhen, sichert uns dies international einen gewaltigen Wettbewerbsvorteil.“ Eine Chance, die die Beteiligten erkannt hätten und deshalb mit „sehr großer Leidenschaft“ das Projekt DC Industrie unterstützten. Er ist überzeugt davon: „Dies wird ein wichtiger Baustein zur Sicherung unserer globalen Führungsposition in der Automation sein.“

Folgeprojekt schon beantragt

Die Industrie bleibt hier am Ball. Ein Folgeprojekt von DC Industrie, das im Sommer endet, ist bereits beim Bundeswirtschaftsministerium beantragt. Ein entsprechender Vorantrag ist positiv beurteilt. Sofern es zu einer Fortsetzung kommt, soll der Schwerpunkt dann weniger auf Komponenten, dafür stärker auf der Erforschung der Ausgestaltung eines industriellen Smart Grids liegen.