Die Zukunft gehört dem Gleichstrom – eine industrielle Revolution?

Von Melina Raptis Die Umstellung von Wechselstrom (AC) auf Gleichstrom (DC) könnte eine Veränderung der Energieversorgung bedeuten. Gleichstromnetze sind ein wichtiger Baustein und Wegbereiter der Industrie 4.0 und bringen viele Vorteile mit sich. Die Gestaltung der elektrischen Versorgung wird vor allem eins: effizienter, flexibler und stabiler.

Eine veränderte Netzinfrastruktur, die auf Gleichstromnetzen basiert, soll sowohl die Energiewende voranbringen als auch die Energieeffizienz fördern. Mithilfe von DC-Netzen soll die industrielle Energieversorgungsarchitektur digitalisiert und damit Energiesysteme für die Zukunft geschaffen werden.

Warum wird an einer Umstellung auf Gleichstrom gearbeitet?

Der Umstieg auf ein Gleichstromnetz ermöglicht es, Wandlungsverluste zu reduzieren, Spitzenlasten zu vermeiden und Energieverbräuche zu senken. Die Chancen der Gleichstrom-Technik für die industrielle Produktion sind enorm und die Bedeutung eines solchen Netzes nur zu deutlich.

Energiepotenziale sollen mit Gleichstrom besser genutzt werden 

Bei Maschinen mit drehzahlgeregelten Elektromotoren, wie zum Beispiel Robotern, wird beim Abbremsen von Bewegung Energie frei. Im bisherigen Wechselstromnetz geht diese Energie verloren. Im Gleichstromnetz soll das anders werden. Denn es gewährleistet, dass genau diese verlorene Energie wieder zurückgespeist werden kann. Vorhandene Energieeffizienzpotenziale werden so besser genutzt.

Auch bei der Verwendung drehzahlgesteuerter Motoren stößt man mit AC-Netzen auf Hindernisse. In der Regel sind diese Motoren Gleichstromverbraucher. Der Haken: bei jedem Gerät muss Wechselstrom separat in Gleichstrom umgewandelt werden. Die neue Netzstruktur stützt sich auf eine Wechselspannungseinspeisung, bei der die Umwandlung nicht mehr einzeln für jedes Gerät erfolgt, sondern zentral am Einspeisegerät. Durch die direkte Versorgung mit Gleichstromspannung können alle dezentralen Energiewandlungen entfallen, Wandlungsverluste werden dadurch signifikant reduziert und eine zentrale Energiewandlung von AC auf DC wesentlich effizienter.

Gleichstrom: Voraussetzung für die Produktion von morgen?

Automatisierung und Digitalisierung erfordern eine stabile Netzversorgung, denn Produktionsanlagen werden zunehmend durch den Einsatz von Robotern automatisiert. Kurzfristige Spannungsausfälle im AC-Netz können die Versorgung der Antriebe unterbrechen, was zu Produktionsausfällen und Fehlproduktion führen kann. Folge: es treten hohe Kosten auf und Werkstücke landen bei halbfertigen Prozessschritten häufig im Ausschuss.

  • Bei DC-Netzen kann die Anlage im Stromausfall autark weiterbetrieben werden. Stabile Stromversorgungsnetze sind für solche Produktionsprozesse also Voraussetzung.
  • Automatisierte Anlagen haben in der Regel einen hohen Leistungsbedarf, als Folge treten hohe Stromspitzen auf. Gleichstromnetze ermöglichen durch das Einbinden von Batterien oder anderen Speichern, dass diese Stromspitzen erheblich gesenkt werden können. Die Speicher geben immer genau dann Energie ab, wenn diese gerade benötigt wird. Dadurch werden Stromkosten eingespart, da nicht nur die Strommenge, sondern auch die Spitzenleistung zählt. Auch Photovoltaikanlagen mit Speicher können besser genutzt werden.
  • Zusammen mit der Einsparung des Energieverbrauchs führen Gleichstromnetze zu einer CO2-Reduktion der Fabriken, was für viele Firmen ein starker Anreiz ist.

 

KUKA will Vorteile der Gleichstromtechnik für seine Kunden nutzen

Die aufgezeigten Herausforderungen bisheriger Wechselstromnetze verdeutlichen die Relevanz neuer Netzstrukturen. Durch die Einführung eines zentralen Gleichspannungsnetzes soll die Voraussetzung geschaffen werden, die bestehenden Hürden zu meistern. Der Wandel von Wechselstrom auf Gleichstrom bietet viele Möglichkeiten. Wann die DC-Netze allerdings Einzug in die Fabriken halten lässt sich noch nicht sagen. Nach der Marktreife der Gleichstromtechnik ist es KUKA jedoch möglich, gleichstrombasierte Fertigungsanlagen anzubieten:

  • Geringerer Strombedarf durch die Nutzung der Bremsenergie,
  • einfache Einbindung erneuerbarer Energiequellen und
  • Einsparungen durch die kleinere Dimensionierung von Leitungen und Transformatoren
    sind nur ein paar der Vorteile, die sich durch die Nutzung solcher Fertigungsanlagen für KUKAs Kunden ergeben.
KUKA arbeitet an der Revolution der industriellen Stromversorgung

KUKA plant einen Teil des SmartProduction Centers – KUKAs wandlungsfähige und flexible Matrix-Lösung – auf Gleichstromversorgung umzubauen. Bereits jetzt wird durch erste Leistungsmessungen erkenntlich, dass durch die Umrüstung auf Gleichstrom mit einem Speicher die Spitzenleistung von 50 kW auf 20 kW reduziert werden kann. Welche Potenziale die DC-Technik mit sich bringt zeigen auch die Einsparungen von acht Prozent bei der Rückgewinnung der Bremsenergie.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „DC-INDUSTRIE2“ erarbeitet KUKA gemeinsam mit 38 weiteren Unternehmen aus Industrie und Forschung die Revolution der industriellen Stromversorgung. Der Fokus des Projekts liegt auf der Gleichstromversorgung gesamter Produktionshallen. Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (kurz BMWi) gefördert.

 

Bildquelle: ZVEI

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