In einer Fertigungszelle zur Matrix-Produktion bei Kuka sind, unter anderem, vier große Roboter integriert. Ursprünglich ist die Anlage entwickelt worden, um verschiedene Produkte auf ein und derselben Anlage zu fertigen – es kann somit individualisiert produziert werden. Die Anlage wurde im Rahmen des geförderten Forschungsprojektes DC-Industrie2, aus dem die heutige Open Direct Current Alliance (ODCA) entstanden ist, auf Gleichstromtechnik umgerüstet.
Mit der Anpassung sollen die Vorteile eines Gleichstromnetzes aufgezeigt und bewiesen werden. Dabei geht es in erster Linie um Energieeffizienz und die Reduktion von Lastspitzen. Eine wichtige Rolle spielt dabei ein aktives Energiemanagementsystem.
Das Unternehmen Kuka hat schon vor geraumer Zeit erkannt, dass in heutigen industriellen Anwendungen kaum Wechselspannungsverbraucher im Einsatz sind, da annähernd alle Geräte intern auf Gleichspannung basieren. Der Systemwechsel von Wechsel- zu Gleichspannung führt zu einer gesteigerten Synergie im Energiesystem, was zur Erhöhung der Energieeffizienz und langfristig geringeren Gerätekosten führt. Die Integration eines Speichersystems würde nach Auffassung des Kuka-Elektroingenieurs Christoph Steinherr je nach Ausbaustufe auch über kurze oder längere Netzeinbrüche hinweghelfen. Und mit Speichern, die den Stress häufiger Änderungen des Stromflusses aushalten, ließen sich auch Lastspitzen reduzieren.
Erfolgreiche Umstellung auf Gleichstrom
Wie konnte nun die Idee konkret getestet werden? Es war eine Anlage notwendig, die belastbare Messungen erlaubt und aufzeigt welche Auswirkungen eine Umstellung der Stromversorgung auf Gleichstrom in Verbindung mit einem aktiven Speichersystem hat. Zu diesem Zweck stellte Kuka eine bereits vorhandene Roboterzelle im SmartProduction Center am Standort in Augsburg auf Gleichstrom um. Somit konnten Messungen vor und nach der Umstellung erfasst und verglichen werden. Auch die Stabilität des Gleichstromnetzes konnte getestet und die großen Potenziale einer Umstellung auf Gleichstrom, wie Energieeffizienz und Ausfallsicherheit, mit Zahlen untermauert werden. Ein weiteres zukunftsweisendes Ergebnis ist, dass weitere Gleichstromstandards in die Normenwelt einfließen und vermehrt DC-kompatible Geräte serienmäßig verfügbar sein müssen, um der Gleichstromtechnologie den Markteintritt zu vereinfachen.
Für das aktive Energiemanagementsystem als unterstützender Ausgleichs-Energiespeicher gilt diese Verfügbarkeit schon heute. Kuka wurde bei der Firma Michael Koch fündig. Koch hat schon vor über 15 Jahren damit begonnen, aktive Energiemanagementgeräte und -systeme zu entwickeln. Ergebnis ist ein modulares und damit skalierbares System aus Leistungs- und Speicherkomponenten, die industrielle Anforderungen und internationale Qualitätsstandards erfüllen. In kleiner Ausführung sind Leistungsteile, also die Elektronik und die Speicher, in einem Gehäuse kombiniert. Das Gerät mit dem Typ PxtFX startet mit maximal 18 Kilovoltampere [kVA] Leistung und einer Energiemenge von zwei Kilojoule. Die Leistungsseite kann parallelgeschaltet, also skaliert werden, ebenso wie die Speicherseite. Der Typ PxtRX mit maximaler Leistung von 48 Kilovoltampere [kVA] kommt ohne integrierten Speicher. Er wurde speziell für den Einsatz mit Doppelschichtkondensatoren entwickelt. Mit dieser ebenfalls skalierbaren Einheit sind umgehend Leistungen im dreistelligen Kilowattbereich in Kombination mit Energiemengen von mehreren Megajoule möglich.
Systementwicklung über Versuchsaufbau
In dem SmartProduction Center arbeiten in der Produktionszelle vier Roboter mit zwei Widerstands-Schweißgeräten und zwei Kappenfräsern zusammen. Aufgabe der Anlage ist es unterschiedliche Produkte, wie z.B. eine Autotür, in einer Matrix-Produktion zu fertigen. Die Energieversorgung aller Stromverbraucher läuft über ein Gleichstromnetz, das vom Gleichrichter und damit dem Wechselstromnetz mit einem smarten DC-Leistungsschalter getrennt werden kann. Die einzelnen Verbraucher sind über Gleichstromsicherungen angeschlossen. Ebenfalls über einen smarten DC-Leistungsschalter ist das aktive Energiemanagementsystem von Koch angeschlossen. Für den normalen Betrieb der Anlage ohne Nutzung des aktiven Energiemanagementsystems ist eine Auslegung auf mindestens 60 Kilowatt Einspeiseleistung erforderlich.
Für die Untersuchungen von Kuka sehr hilfreich ist, dass das aktive Energiemanagementsystem abhängig von der Anwendung und der Zielsetzung aufgrund seiner Skalierbarkeit in der Leistung und Speicherhöhe variabel anpassbar ist. Im aktuellen System ergaben die Messungen, dass eine Eingangsleistungsbegrenzung auf 10 Kilowatt ermöglicht werden kann, also eine Reduktion um 50 Kilowatt oder 83 Prozent. Mit fünf parallel geschalteten Leistungseinheiten des Typs PxtRX und zehn Doppelschichtkondensatormodulen des Typs DSKM-045165 wird die Netzlastspitzenreduktion auf 10 Kilowatt und gleichzeitig die Rekuperation und damit Einsparung der Bremsenergien ermöglicht. In einem Schaltschrank anschlussfertig aufgebaut, ist zudem die Integration in das Gleichstromnetz schnell umsetzbar.
Aktives Energiemanagementsystem als Schaltschranklösung
Ein solcher Schrank eines aktiven Energiemanagementsystems wird bei Koch KTS genannt. Dieser ist komplett ausgestattet mit den aktiven Leistungsgeräten der Pxt-Familie, den Speichereinheiten, Absicherungen und entsprechenden Klemmen. Dazu kommen je nach Anwendung und Kundenwunsch zusätzliche Komponenten, etwa für die Entwärmung des Schaltschranks, Sensorik und Meldetechnik oder auch Entladeeinheiten für die Speichermodule. Diese können passiv in Form speziell aufgebauter, zuschaltbarer Entladewiderstände vom Typ SDU ausgeführt sein oder aktiv mit Elektronikunterstützung, die Koch DDU nennt. Im Gegensatz zur passiven Entladung mit der typisch langen Entladekurve funktioniert die elektronische Lösung in Verbindung mit einer großen sicheren Widerstandseinheit schnell und linear. Die Wartezeit im Fall einer Wartung oder eines Umbaus wird damit minimiert.
Die Auslegung für den individuellen Anwendungsfall wird mit Hilfe des Simulations- und Auslegungstools von Koch sehr vereinfacht. Ändern sich die Voraussetzungen der Maschine oder Anlage, unterstützt der modulare und skalierbare Aufbau des Systems – und zwar in beide Richtungen. Anpassbar ist, neben der Leistung und Speichergröße, auch die betriebswirtschaftliche Seite. Im Fall der Rekuperation bedingen kurze Leistungsspitzen eine unverhältnismäßig hohe Investition, die sich durch den Einsatz eines sicheren Bremswiderstands vermeiden lässt. Der Verlust an nutzbarer Energie ist in dem Fall nicht nennenswert oder amortisierbar, allerdings ist jeder Fall und jeder Kundenanspruch anders. Daher sorgen vor allem die langjährige Erfahrung und das Knowhow von Koch im Bereich Energiemanagement für Kundenvorteile bei der Einführung von DC-Netzwerken.
Beleg der erfolgreichen Umstellung
Bei Kuka hat sich das System sehr bewährt. Gerade im Versuchsstadium und bei der Optimierung des Gesamtsystems war die Schaltschranklösung KTS von Koch eine effiziente Lösung. Steinherr: „Die immensen Potenziale einer Umstellung auf Gleichstrom, wie Energieeffizienz und Ausfallsicherheit, konnten wir in beeindruckender Weise mit Zahlen untermauern. Jetzt geht es darum, die Verbreitung von Gleichstromnetzen zu fördern.“ Das aktive Energiemanagementsystem von Koch, eine verfügbare Gleichstromkomponente ‚von der Stange‘ für weite Bereiche von Einsatzfällen, nimmt dabei als zuverlässiger aktiver Energiemanager eine wichtige Rolle ein.
