Fabriken werden derzeit mit Wechselstrom betrieben. Forscherteams der Fraunhofer-Institute f\u00fcr Produktionstechnik und Automatisierung IPA und f\u00fcr Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB wollen die Energieversorgung von industriellen Produktionsanlagen langfristig auf Gleichstrom umstel-len. Im Verbundprojekt DC-INDUSTRIE 2 entwickeln sie zusammen mit mehr als 30 Partnern die industrielle Stromversorgung der Zukunft. Ziel ist es, alle elektrischen Anlagen der Fabrik \u00fcber ein intelligentes DC-Netz zu koppeln, um so die elektrische Versorgung energieeffizienter, stabiler und flexibler zu gestalten und die Energiewende im industriellen Bereich voranzutreiben.<\/b><\/p>\n
Seit Ende des 19. Jahrhunderts dominiert Wechselstrom die elektrische Energie\u00fcbertragung und -verteilung, er kommt auch in Deutschland aus der Steckdose. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher wollen dies f\u00fcr die industrielle Produktion \u00e4ndern: \u00bbDie Gr\u00fcnde, in der Industrie von Wechsel- auf Gleichstrom umzustellen, sind vielf\u00e4ltig\u00ab, sagt Timm Kuhlmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA in Stuttgart. Dem Forscher und seinen Projektpartnern ist es ein Anliegen, einen Paradigmenwechsel in der industriellen Stromversorgung herbeizuf\u00fchren und langfristig komplette Fabrikhallen von Wechselstrom auf Gleichstrom umzur\u00fcsten. \u00bbIm Alltag sind wir h\u00e4ufig mit Gleichstrom (auch DC, kurz f\u00fcr Direct Current, genannt) konfrontiert: Computer und Smartphones, aber auch LEDs arbeiten mit Gleichstrom und ben\u00f6tigen ein Netzteil, um diesen zur Verf\u00fcgung zu stellen\u00ab, erl\u00e4utert der Ingenieur. Auch bei der Stromerzeugung hat sich die Situation ge\u00e4ndert: W\u00e4hrend beispielsweise Kohle- und Kernkraftwerke Wechselstrom (AC, kurz f\u00fcr Alternating Current) erzeugen, stellen insbesondere lokal verf\u00fcgbare erneuerbare Energieressourcen, wie Photovoltaikanlagen, prinzipbedingt Gleichstrom zur Verf\u00fcgung. Letzteres gilt auch f\u00fcr elektrochemische Energiespeichersysteme.<\/p>\n
Im Projekt DC-INDUSTRIE 2 haben es sich die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IPA und des Fraunhofer IISB in Kooperation mit mehr als 30 Partnern zur Aufgabe gemacht, ein Konzept f\u00fcr ein intelligentes DC-Versorgungssystem zu entwickeln und zu erproben, das eine Produktionshalle g\u00fcnstig mit Gleichstrom versorgen kann. Das Bundesministerium f\u00fcr Wirtschaft und Energie BMWi f\u00f6rdert das Vorhaben, das bis Ende 2022 l\u00e4uft.<\/p>\n
Die Ergebnisse des Vorg\u00e4ngerprojekts DC-INDUSTRIE stimmen zuversichtlich: Die Machbarkeit einer dezentralen Energieflussregelung eines DC-Versorgungsnetzes in der Fabrik konnte nachgewiesen werden. Auch wurden durch den \u00dcbergang von Wechsel- auf Gleichspannung Effizienzsteigerungen im Bereich zwischen f\u00fcnf und zehn Prozent erzielt, was sich insbesondere darauf zur\u00fcckf\u00fchren l\u00e4sst, dass die Nutzung von \u00fcbersch\u00fcssiger Bremsenergie drehzahlgeregelter Antriebe \u00fcber ein Gleichspannungsnetz einfach m\u00f6glich ist. Vier Testanlagen wurden mit DC-Komponenten unterschiedlicher Hersteller ausger\u00fcstet und in Betrieb genommen. Nun gilt es, das erprobte Konzept f\u00fcr einen Maschinenverbund auf eine Produktionshalle zu \u00fcbertragen. \u00bbIn dem Folgeprojekt DC-INDUSTRIE 2 wollen wir zum einen eine noch h\u00f6here Energieeffizienz erreichen, CO2<\/sub>-Emissionen reduzieren und zum anderen flexibel auf die Einf\u00fchrung klimaneutraler Technologien reagieren k\u00f6nnen. Mit einem lokalen Gleichstromnetz in der Fabrik kann man Energieschwankungen leichter ausgleichen, die beispielsweise wetterbedingt regenerative Energien oder zunehmende Schwankungen des \u00f6ffentlichen Versorgungsnetzes mit sich bringen\u00ab, so Kuhlmann.<\/p>\n Hinzu kommt, dass in der Produktion ein Gro\u00dfteil der eingesetzten Antriebe \u00fcber Frequenzumrichter drehzahlgeregelt wird. Diese Umrichter sind ebenfalls Gleichstromverbraucher. Um also f\u00fcr einen Elektromotor eine variable Spannung und Frequenz zur Verf\u00fcgung zu stellen, muss zun\u00e4chst die Netzwechselspannung gleichgerichtet werden. Mit dem Wegfall dieser Wandlungsstufe durch die direkte Versorgung des Frequenz-umrichters mit Gleichspannung lassen sich daher Energiewandlungsverluste einsparen und die R\u00fcckspeisung von Bremsenergie wird einfach m\u00f6glich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass gerade die Gleichrichterstufen zu einer starken Oberschwingungsbelastung des AC-Netzes f\u00fchren, was aufwendige und kostenintensive Filterma\u00dfnahmen notwendig macht, um die normativ geforderte Spannungsqualit\u00e4t sicherzustellen. Auf diesen Aufwand kann man bei einem DC-Netz verzichten.<\/p>\n Ein weiterer Vorteil: Die Lastflussaufteilung zwischen Speichersystemen, der Netzeinspeisung und erneuerbaren Energiequellen ist dezentral organisiert und basiert auf der Netzspannung als Indikator. \u00bbDas gro\u00dfe Potenzial der Gleichstromversorgung in der Produktion liegt in der Kopplung aller elektrischen Anlagen der Fabrik zu einem intelligenten DC-Netz. Dieses erm\u00f6glicht es, die Verf\u00fcgbarkeit und Qualit\u00e4t der elektrischen Versorgung vor Ort zu verbessern und so die Zuverl\u00e4ssigkeit der Produktion zu steigern\u00ab, sagt der Forscher vom Fraunhofer IPA, der im Projekt gemeinsam mit seinem Team f\u00fcr die Anforderungsanalyse der Unternehmen, den Transformationsprozess und das Netzmanagement verantwortlich ist. Die Kollegen am Fraunhofer IISB k\u00fcmmern sich indessen um die ger\u00e4tetechnische Umsetzung, z.B. die Implementierung von Gleichstromwandlern und Schutzelementen, die Untersuchung des Netzes hinsichtlich seiner Gro\u00df- und Kleinsignalstabilit\u00e4t sowie die dezentrale Regelung von vielen zusammengeschalteten Wandlersystemen. \u00bbKonkret etablieren wir Mikronetz-Topologien, sprich Regelungscluster, die es uns erlauben, Energiespeicherung, -erzeugung und -verbrauch vor Ort untereinander auszugleichen und zu koordinieren. Sie lassen sich autark betreiben\u00ab, so Kuhlmann.<\/p>\n Die neue Netzstruktur basiert auf einer oder mehreren Schnittstellen zum AC-Verteilnetz, die \u00fcber aktive oder passive Gleichrichter die Gleichspannungsversorgung f\u00fcr die Produktionsanlagen bereitstellt. Alle installierten Verbraucher wie frequenzgeregelte Elektromotoren, die Beleuchtung und Prozesstechnologien werden direkt mit Gleichstrom versorgt und sind \u00fcber ein gemeinsames Gleichspannungsnetz verbunden, das in einem Spannungsband von \u00b1zehn Prozent um einen Nennwert von 650 Volt arbeitet. Dies erlaubt den direkten Energieaustausch zwischen allen Antrieben, die beispielsweise in Robotern oder Werkzeugspindeln regelm\u00e4\u00dfig beschleunigen und bremsen. Komponenten, die normalerweise \u00fcberfl\u00fcssige Energie verheizen, wie etwa Bremswiderst\u00e4nde, entfallen. M\u00f6glich werden solche neuen technologischen Infrastrukturen erst durch die Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern: Die hohen Kosten f\u00fcr Komponenten, zum Schalten von Gleichstr\u00f6men, sind durch moderne leistungselektronische Bauelemente wesentlich gesunken. \u00bbWir k\u00f6nnen zwischen f\u00fcnf bis zehn Prozent Energie einsparen, indem wir einfach Gleichstrom verwenden\u00ab, so der Ingenieur.<\/p>\n Weitere Tests in Versuchshallen sowie in der Factory 56 in Stuttgart\/Sindelfingen wurden bereits gestartet. In der Fertigungsst\u00e4tte des Projektpartners Daimler befinden sich aktive, bidirektionale Gleichrichter, sogenannte Active Infeed Converter, die direkt am Netzanschluss angeschlossen sind und erste Anlagen mit DC-Strom versorgen. \u00bbBidirektional bedeutet, dass man dem externen Wechselstromnetz Energie als Dienstleistung anbieten kann, wenn man gro\u00dfe Erzeugungskapazit\u00e4ten vorr\u00e4tig hat. Es handelt sich also nicht um eine Einbahnstra\u00dfe. Der Verbraucher profitiert vielmehr von der Energiewende in der Industrie 4.0\u00ab, so Kuhlmann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Fabriken werden derzeit mit Wechselstrom betrieben. 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