Über 130 Jahre ist es her, dass sich die beiden Erfinder Thomas Alvar Edison und George Westinghouse darüber entzweiten, ob Gleichstrom oder Wechselstrom die bessere Alternative sei. Schon bald konnte sich Westinghouse mit seinen Wechselstromlösungen durchsetzen. AC (Alternating Current) hatte lange unbestreitbare Vorteile, wie die einfache, günstige Transformation. Dementsprechend waren Geräte und Maschinen weitgehend auf Wechselspannung ausgelegt.
In der modernen Welt stellt sich die Situation inzwischen anders dar. In der Industrie hängen Antriebe aller Art an Frequenzumrichtern, die zwischendurch mit Gleichstrom arbeiten. Neben den inzwischen verbotenen Glühbirnen werden auch Leuchtstoffröhren zunehmend durch sparsame LED-Leuchtmittel ersetzt, die Gleichstrom benötigen.
Neue Entwicklungen sorgen für Umdenken
Roboter schweißen teils mit Gleichstrom. Und natürlich sind sämtliche elektronischen Geräte, von der Industrie-Steuerung bis zum Edge-Server im Shop-Floor, eigentlich Gleichstromgeräte, die nur über ein entsprechendes Netzteil mit dem Wechselstromnetz verbunden sind. Die Digitalisierung der Industrieproduktion hat erheblich dazu beigetragen, dass vermehrt elektronische Komponenten auf dem Shopfloor zum Einsatz kommen.
All diese Entwicklungen trugen dazu bei, dass inzwischen unzählige Wandler verbaut werden müssen, die wertvolle Ressourcen benötigen und Kosten verursachen. Zudem senken sie die Energie-Effizienz, weil ein Teil des Stroms in Wärme umgewandelt wird.
Weiteren Auftrieb bekam die DC-Thematik im Rahmen der Energiewende. Denn Photovoltaik-Module, die sich auf Fabrik-Dächern und an Fassaden installieren lassen, liefern zunächst einmal Gleichstrom. Akkus, die überschüssige Energie zwischenspeichern, müssen mit DC (Direct Current) versorgt werden beziehungsweise liefern diesen bei Bedarf.
Gleiches gilt für Elektro-Fahrzeuge - die leistungsfähigen Schnelllader sind allesamt DC-basierend. Zugleich wurden neue Technologien entwickelt, die eine Transformation von hohen Gleichstrom-Spannungen kostengünstig und effizient möglich machten, so dass ein wichtiger Vorteil der Wechselspannung entfällt.
Stromversorgung neu gedacht
Daraus entstand eine verlockende Idee: Warum nicht im Gebäudenetz von Wechsel- auf Gleichstrom umstellen? Unzählige Gleichrichter entfallen, Sonnen- und Batteriestrom lassen sich direkt anbinden, Energieverluste werden reduziert, Ressourcen eingespart und Kosten gesenkt.
Mit Unterstützung des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektroindustrie (ZVEI) starteten 27 Unternehmen der Elektro-Industrie im Jahr 2016 das vom Bund geförderte Forschungsprojekt „DC-Industrie“, das sich mit der Entwicklung eines intelligenten offenen DC-Netzes in der Industrie befasste.
Im Herbst 2019 startete die zweite Projektphase („DC-Industrie 2“), die nach drei Jahren planmäßig abgeschlossen wurde. Um die gemeinsame Arbeit fortzuführen, gründete der ZVEI danach gemeinsam mit zunächst 33 Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Open Direct Current Alliance (ODCA). Inzwischen ist die Zahl der Mitglieder auf insgesamt 57 angestiegen.
Konkrete Vorteile
Die besonderen Vorteile eines Gleichstromnetzes erstreckt sich auf ganz unterschiedliche Gebiete. An erster Stelle ist hier die Einsparung von Energie zu nennen. Diese setzt sich aus mehreren Effekten zusammen:
Weniger Energieverluste im Stromnetz beziehungsweise der Verkabelung;
Weniger Energieverluste aufgrund wegfallender Wandlungsverluste;
Bessere Nutzung von Bremsenergie, beispielsweise bei Robotern und Hubsystemen, die einfacher ins Netz zurückgespeist werden kann.
Ein wesentlicher Faktor ist zudem die Einsparung von Material beziehungsweise Ressourcen. So benötigt die Verkabelung eine Leitung weniger, also statt 4- beziehungsweise 3-Ader-Kabeln nur 3- beziehungsweise 2-Ader-Kabel. Das spart wertvolles Kupfer und trägt damit zur Kostensenkung bei. Ein besonders wichtiger Faktor auf dem Shopfloor ist zudem der enorme Platzbedarf einer Lösung.
Wenn Wandler von Wechsel- zu Gleichstrom eingespart werden können und dadurch der benötigte Raum verringert wird, kann beispielsweise beim Frequenzumrichter die Leistungselektronik näher oder direkt im Motor platziert werden, was wiederum teure Motorleitungen erspart.
Energiespeicher und Photovoltaik
Der Einsatz von Energiespeichern dient nicht nur dazu, Rückspeisungen abzupuffern, sondern sichert auch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung im Netz. Die einmalige Wandlung vom (externen) Wechselstromnetz in das (interne) Gleichstromnetz sorgt zudem für weniger Spannungsstörungen, auch Probleme mit Oberschwingungen fallen im Gleichstromnetz nicht mehr ins Gewicht.
Daneben wird auch der Einsatz von Photovoltaik im Unternehmen vereinfacht. Selbst erzeugter Strom vom Dach, von Fassaden oder von Parkplatzüberdachungen kann durch einfache Spannungstransformation ins Netz eingespeist werden und senkt den Anteil von extern benötigtem Strom, der im derzeitigen Mix noch mit einem erheblichen CO2-Ausstoß verbunden ist. Überschüssiger Strom kann zwischengespeichert oder gegen Entgelt ins externe (Wechselstrom-) Netz abgegeben werden.
Allerdings ist ein Netzmanagement unumgänglich. Im Rahmen der Forschungsprojekte entwickelte Fraunhofer IPA intelligente Lösung auf Basis eines Digitalen Zwillings, der die gesamte Fabrik mit ihren Stromquellen und Verbrauchern in einem Simulationsmodell abbildet.
Zusätzliche Effekte
Viele Unternehmen verfolgen engagierte Nachhaltigkeitsziele, die zum geringeren Energie- und Ressourceneinsatz, höhere Energie-Effizienz und eine Absenkung des CO2-Footprints umfassen. Die genannten Vorteile eines Gleichstromnetzes zahlen auf diese Projekte ein und tragen damit dazu bei, neben den operativen Anforderungen auch die strategischen und wirtschaftlichen Ziele eines Unternehmens zu erfüllen.
Zudem eröffnen sich zusätzliche Einkommensquelle, wenn etwa außerhalb der Produktionszeiten am Wochenende selbst erzeugter Strom ins Versorgernetz eingespeist wird. Installierte Stromspeicher können sich zusätzlich finanziell lohnen, wenn über Vereinbarungen zur Laststeuerung mit dem Versorger Ausgleichzahlungen für netzstabilisierende Maßnahmen getroffen werden.
Reif für die Praxis
In den beiden Phasen des Forschungsprojektes DC-Industrie wurden umfangreiche Entwicklungen für ein umfassendes Systemkonzept vorangetrieben. Auch nach Abschluss der Förderprojekte gehen diese Arbeiten im Rahmen der Open DC Alliance weiter.
Die Ergebnisse stellt die Vereinigung kostenlos zur Verfügung. Derzeit aktuell ist das Whitepaper DC-INDUSTRIE2_Systemkonzept-V3, das Sie hier herunterladen können. Es beschreibt ein Konzept für industrielle Niederspannungs-Gleichstrom-Anlagen (NSG), das bereits in Modellversuchen erprobt und verfeinert wurde.
Nach Angaben der Autoren ist es in vielen Bereichen anwendbar, zum Beispiel in der verarbeitenden Industrie, der Elektromobilität, der chemischen Industrie, der Prozessindustrie sowie in Geschäfts-, Büro- und Wohngebäuden.
Das Systemkonzept von DC-Industrie zielt darauf ab, Spezifikationen für ein offenes, einfaches Stromversorgungssystem für Anwender und Gerätehersteller zu definieren, das eine schnelle Implementierung erlaubt. Ein solches Gleichstromnetz-Konzept umfasst typischerweise:
Mehrere Gleichstromsektoren, das heißt nicht nur eine Maschine;
Leistungsmanagement für die Stabilität (Droop-Kurven);
Betrieb von elektrischen Antrieben;
Ein Schutzkonzept, einschließlich Kurzschluss und Selektivität;
Bidirektionalen Energiefluss, zumindest in Teilen der Anlage (zum Beispiel Rekuperation oder Energiespeicherung) sowie
Spannungsbänder und die Definition des Zeitverhaltens in diesen Bändern.
Das Whitepaper liefert Definitionen zu allen relevanten Netzkomponenten und -eigenschaften, Beschreibungen der benötigten Komponenten, Angaben zu Spannungswerten und -bändern, Konzepte zur Erdung sowie zur Vorladung und Entladung. Weitere Kapitel befassen sich mit Netzregelung und Stabilität, der EMV und einem Schutzkonzept. Darüber hinaus enthält es Angaben und Grafiken zu Messdaten aus den Pilotprojekten sowie Ablauf- und Flussdiagramme zu verschiedenen Prozessen.
Ein eigenes Whitepaper widmet sich zusätzlich dem Thema DC-Beleuchtung. Stand der Technik, verschiedene Szenarien und Anforderungen an Leuchten beziehungsweise Beleuchtungskomponenten sowie deren Vor- und Nachteile werden hier dargelegt.
Vorweisbare Ergebnisse
In zuletzt acht Pilotprojekten wurden tiefgreifende Erkenntnisse gesucht, Unmengen an Messdaten erhoben und praktische Erfahrungen mit Gleichspannungsanlagen im industriellen Alltag gesammelt. Die Installationen von funktionsfähigen DC-Anlagen finden sich bei Mercedes-Benz (2x), Homag, KHS, BMW, Kuka, Fraunhofer und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL).
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