Die Implementierung von Gleichstromnetzen in industriellen Kontexten spielt eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Energiewende durch eine effizientere Energienutzung. Ziel ist es, die industrielle Produktion über verschiedene Branchen hinweg flexibler, intelligenter und energieeffizienter zu gestalten. Dies geschieht durch eine ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems, in dem durch die koordinierte Interaktion aller Komponenten – darunter Versorger/Einspeiser, Schutzorgane, Antriebe, Speicher, Photovoltaik (PV)-Anlagen usw. – Einsparungen erzielt werden. Jede einzelne Komponente und Teil-Lösung ist bereits auf ihre energetische Optimierung hin ausgerichtet. Durch ihr koordiniertes Zusammenwirken entsteht ein effizientes und flexibles Energieversorgungssystem auf Basis des Gleichstrom-Systemkonzepts. Dieses wurde im Rahmen von Kooperationsprojekten zur DC-Systembeschreibung weiterentwickelt. Durch die Integration des erlangten Wissens in die Open DC Alliance (ODCA) wird die kontinuierliche Verbreitung und Ausschöpfung der Potenziale sichergestellt. Weidmüller konzentriert sich auf die Entwicklung von Lösungen für DC-Microgrids (400 … 800VDC) in industriellen Anwendungen. Planer, Anwender und Betreiber werden bei der Planung, dem Monitoring und der Koordination von DC-Hauptenergie und DC-Hilfsenergie unterstützt. Diese Unterstützung erfolgt durch die anwendungsorientierte Konditionierung mit DC ready-Komponenten und -Systemlösungen. Die energetischen Potentiale von Gleichspannung als Hauptenergiespannung mit UN=650V liegen darin, dass sie helfen kann, die Einspeiseleistung des Energieversorgers um bis zu 80 Prozent zu verbessern und die kostspieligen Spitzenlasten um bis zu 50 Prozent zu reduzieren. Darüber hinaus führt die Verwendung von Gleichspannung zu einer effizienteren Ressourcennutzung, indem sie Einsparungen beim Leitermaterial, wie Kupfer, im Leitungsquerschnitt ermöglicht und die Anzahl der stromführenden Leiter um bis zu 50 Prozent verringert. Um das volle Potenzial von Gleichstromnetzen auszuschöpfen, ist es entscheidend, regenerative Energiequellen wie PV und entsprechend ausgelegte Speicher einzusetzen. Dies geschieht in Verbindung mit einem präzisen Energiemanagement durch Leistungsflusssteuerung. Dabei ist die Einhaltung der gängigen Sicherheitsregeln, insbesondere der VDE 0105, unerlässlich, um den Schutz von Personen und Maschinen zu gewährleisten.
Was ist anders im Vergleich zur AC-Planung?
Die etablierten Standards, Normen und Bedingungen behalten ihre Gültigkeit. Darüber hinaus adressiert die DC-Systembeschreibung als Quasi-Standard die ‚Lücken‘ bezüglich der Netzstrukturierung und der Bidirektionalität der meisten Funktionsbereiche im DC-Netz, welche als DC-Sektoren bekannt sind. Ein Leitfaden zur Auslegung von DC-Netzen (DC-Systembeschreibung, Anhang A) bietet schrittweise Anleitungen, wie die Planung und Strukturierung durchgeführt werden können. DC ready bedeutet, dass die VDE-Normen und der Quasi-Standard, das heißt die DC-Systembeschreibung, eingehalten werden, um Personenschutz, Anlagenschutz sowie Luft- und Kriechstrecken (Isolationskoordination) zu gewährleisten, weil durch die elektrische Kapazität eines DC-Sektors sehr hohe Stromspitzen entstehen können. Deswegen sind für DC-Netze spezielle Lösungen, wie etwa eine Vorladesteuerung, erforderlich. Diese stellt sicher, dass beim Zuschalten von Lasten hohe Einschaltströme vermieden und Spannungseinbrüche verhindert werden, was die Stabilität des DC-Netzes gewährleistet. Applikationsnahe Untersuchungen von typischen E&E-Kunststoffen unter DC- und AC-Belastungen bei unterschiedlichen Klimaten haben die sichere Anwendbarkeit in DC-Systemen gezeigt. Darüber hinaus werden grundlegende Betrachtungen zum Verhalten von Kunststoffen unter DC-Einflüssen vorangetrieben, mit dem Ziel, standardisierte Qualifizierungsmethoden zu etablieren.
Wie geht man konkret bei Planung und Errichtung eines DC-Netzes vor?
Bevor ein DC-Netz implementiert wird, sind mehrere entscheidende Schritte erforderlich, um eine erfolgreiche Umsetzung zu gewährleisten:
- Vorbereitende Analyse: Umgebung und Anforderungsanalyse werden durchgeführt, um die Rahmenbedingungen und Anforderungen des geplanten DC-Netzes zu verstehen.
- Konzeptkonfiguration: Das Netz, die Erdung und die Energieversorgung werden konfiguriert, um ein fundiertes Konzept für das DC-Netz zu entwickeln.
- Varianten bemessen und auslegen: Verschiedene Varianten werden hinsichtlich Verbraucher- und Quellenbeschreibung, Sektorenaufteilung, Leitungen und Schutz/Selektivität sowie Funktionen und Betriebsweisen des Netzes bemessen und ausgearbeitet.
- Auswahl der Variante: Basierend auf den vorangegangenen Analysen und Konzepten wird die am besten geeignete Variante für das geplante DC-Netz ausgewählt.
Lösungen für die Funktionsbereiche im Schaltschrank
Weidmüller bietet ein breites Produktportfolio an bekannten und vertrauten Standardkomponenten, die bereits DC ready sind. Diese Komponenten sind hinsichtlich der DC-Systemanforderungen für die Errichtung und den Betrieb von Gleichstromnetzen sorgfältig ausgewählt und geprüft. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Sicherheit von Personen und Maschinen so beispielsweise bei Gerätesteckverbindern. Besonders hervorzuheben ist die zweistufige Sicherheitsfunktion, die auch in weiteren Steckverbindern implementiert wurde. Diese Technologie ermöglicht eine Verriegelungsstufe-3, die sicherstellt, dass nur geschultes Fachpersonal das Stecken und Trennen von Verbindungen beabsichtigt vornehmen kann. Dadurch wird das Risiko unbeabsichtigter Störungen im Netzwerk minimiert und die Sicherheit erhöht. Im Bereich der Verbindungstechnik und Schaltschrankelektronik bietet Weidmüller eine Vielzahl von Komponenten, die für die erfolgreiche Installation und den Betrieb von DC-Netzen unerlässlich sind. Dazu gehören unter anderem Reihenklemmen für die Einspeisung und Verteilung, Hilfsspannungsversorgung, Messtechnik sowie die Versorgung von Peripheriegeräten wie Switches und Router. Diese Standardfunktionsbereiche im Schaltschrank bieten eine solide Grundlage für eine zuverlässige und effiziente Stromversorgung. Abgerundet wird das Portfolio durch Tester, die beispielsweise zur Spannungsmessung bis 1.500VDC und Kapazitätsmessung bei der Inbetriebnahme unterstützen. Weidmüller stellt darüber hinaus neue spezifische DC-Lösungen für den Schutz und die Vorladung von Kapazitäten in Gleichstromnetzen bereit. Hierzu gehören verschiedene Schutzkomponenten wie Trennschalter, Vorladesteuerung und Überbrückungsschalter, die dazu beitragen, die Integrität des Netzwerks zu gewährleisten und eine sichere Betriebsumgebung zu schaffen. Diese Lösungen sind essenziell für den Schutz der angeschlossenen Geräte sowie für die Sicherheit des Bedienpersonals.
Lösungen für die Funktionsbereiche im Feld
Als ein führender Anbieter von Lösungen für Smart Industrial Connectivity entwickelt Weidmüller wirtschaftliche Lösungen für dezentrale Automatisierungsaufgaben. Mit dem FieldPower-System für DC-Microgrids setzt die Firma auf funktionsorientierte Ansätze, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Einfache Anlagenplanung, schnelle und fehlerfreie Installation sowie zuverlässiger Betrieb von weit verzweigten, modularen Anlagen lassen sich mit dem bewährten FieldPower-System auch für DC-Microgrids erreichen. Neben etablierten Schaltschrankfunktionen wie Einspeisen, Schalten, Schützen und Überwachen sind auch das geregelte Vorladen von Sektoren und die sichere Energieverteilung dezentral im Feld möglich. Der Service- und Wartungsfall ist durch die sichere Freischaltung der Antriebssegmente gewährleistet.
DC Innovation Hub in der Weidmüller Akademie
Seit mehr als 20 Jahren bündelt Weidmüller alle Aktivitäten zum Thema Bildung in der Detmolder Weidmüller Akademie. Mithin ist dies der geeignete Ort, um selbst Erfahrungen mit dem Thema Gleichstromtechnik machen zu können und die eigenen Zukunftskompetenzen aufzubauen, indem Auszubildende, aber auch bestehende Mitarbeiterinnen und Mitarbeite an der DC-Technologie geschult und qualifiziert werden. Ende August hatte DC POWER die exklusive Gelegenheit, den fast fertiggestellten DC Innovation Hub, die DC-Schaltzentrale, innerhalb der Weidmüller Akademie zu besichtigen. „Wir sind hier in der Lage, ein DC-Netz mit 150kW zu versorgen. Die Spitzenlast der hier befindlichen Maschinen haben wir im Vorfeld eruiert, indem wir unser gesamtes Equipment in Betrieb gesetzt haben. Dabei sind wir auf 130kW gekommen. Das ist der Bedarf eines gut ausgelasteten mittelständischen Betriebs“, erläutert Olaf Grünberg, Projektmanager DC bei Weidmüller und Leiter der Working Group Use Cases in der Open Direct Current Alliance (ODCA). „Unser Ansatz ist: Wir möchten das Wissen, das wir hier über unsere Ausbildung, Instandhaltung und Entwicklung sammeln, als Lösung zum Kunden bringen“, so Grünberg. Zwei Schaltschränke werden in der DC-Schaltzentrale installiert: „Der eine Schaltschrank dient dazu, den vom Energieversorger zugelieferten Wechselstrom zu filtern und gleichzurichten und nochmals zu filtern, damit wir einen möglichst sauberen Gleichstrom haben. Der zweite Schaltschrank ist dann für die Stromverteilung zuständig.“ Sämtliche technische Gerätschaften wie Bohrmaschinen, Fräsen etc. werden sukzessive auf DC-Technik umgerüstet – eine Arbeit, die noch bis ins kommende Jahr reichen wird. Insgesamt gibt es in der Werkstatt der Akademie neun DC-Sektoren mit je einer maximalen Last 15kW und drei mal 65kW, die mit Strom versorgt werden müssen – das entspricht einer bis fünf Maschinen. „Zukünftig ist noch geplant, einen Speicher, der von der PV-Anlage gespeist wird, zu installieren“, so Grünberg abschließend. Die Zukunft der industriellen Stromversorgung wird durch die fortschreitende Implementierung von Gleichstromnetzen geprägt, die Effizienz, Netzstabilität und Nachhaltigkeit fördern. Weidmüllers Engagement in der Entwicklung von DC ready-Lösungen und der Ausbildung von Fachkräften zeigt, dass DC-Technologien in den kommenden Jahren eine zentrale Rolle spielen werden. Besonders in Verbindung mit erneuerbaren Energien und einem präzisen Energiemanagement bieten DC-Microgrids das Potenzial, die industrielle Energieversorgung flexibler, ressourcenschonender und zukunftssicher zu gestalten.
