Gleichstrom ist ein echtes Trendthema. Neben Insellösungen für Ladeparks oder DC-Verteilnetzen innerhalb von Gewerbegebäuden gehört Gleichstromsystemen im industriellen Umfeld die Zukunft. Insbesondere im Hinblick auf die All Electric Society, in der CO2-neutrale Energiequellen die Primärenergiequelle darstellen, präsentiert sich Gleichstrom durch eine Vielzahl an Vorteilen als Schlüsseltechnologie.
Von der Idee zur Umsetzung: Was ist zu tun?
Ob eine bestehende Anlage umgebaut (Retrofit) oder eine Neuanlage auf dem Greenfield umgesetzt wird: Alles beginnt mit der Überlegung, welche Lasten direkt mit Gleichstrom versorgt werden können und sollen – angefangen mit der Beleuchtung über die Technische Gebäudeausrüstung (TGA), Photovoltaik-Anlagen (PV), Speicher bis hin zu den Produktionsanlagen. Ebenso sind die ausgewählte Technologie der Energiespeicherlösung sowie ihr Installationsort (zentral oder dezentral in der Nähe einer zu versorgenden Maschine) von Bedeutung. Mit der Entscheidung über Ladestationen für Elektroautos an der Anlage sind die grundsätzlichen Überlegungen abgeschlossen. „Die Auslegung eines DC-Netzes unterscheidet sich erst einmal nicht von der AC-Welt“, so Matthias Unruhe, Director Corporate Facility Management bei Phoenix Contact.
Produktionsstandorte zeigen Umsetzbakeit
Nach der Planung des Vorhabens beginnt die Umsetzung. Hier tauchen schnell Fragen zum Spannungsband oder der Auswahl von Komponenten auf. Für den industriellen Kontext hat die Open DC Alliance (ODCA) ein Systemkonzept erstellt, welches viele Antworten liefert. Zudem bieten die Unternehmen Schaltbau und Phoenix Contact ein breites Portfolio an Komponenten an, die sich für den Einsatz im Gleichstromumfeld eignen. Hürden, die vor einigen Jahren noch unüberwindbar schienen wie z.B. die Kosten im Bereich der Leistungselektronik, sind heute deutlich kleiner. Durch die enge Kooperation zwischen Phoenix Contact und Schaltbau konnten bereits zwei Gleichstrom-Produktionsstandorte realisiert werden: Schaltbaus Next-Factory im niederbayerischen Velden sowie die All Electric Society Factory von Phoenix Contact in Blomberg.
Potenziale und (anfängliche) Hürden der Gleichstromtechnologie
Die Einführung von Gleichstromsystemen in der Produktionslogistik und Industrie birgt großes Potenzial für Energieeinsparungen, insbesondere für dynamische Lasten wie beispielsweise in der Produktion eingesetzte Roboter: Es können Spitzenlasten um bis zu 85 Prozent reduziert, die Energieeffizienz um bis zu 20 Prozent erhöht werden. Ebenfalls gute Erfahrungen sind bei großen Elektromotoren mit Frequenzumrichtern gemacht worden, wie sie bei Lüftungsanlagen zu finden sind, ebenso wie bei Gleichstromquellen (PV-Anlagen, Batteriespeicher), Verbrauchern, Beleuchtungssystemen und Ladesäulen. Doch der Weg von der Planung in die Umsetzung war für die Gleichstrompioniere nicht einfach.
Beim Start der Planung der Schaltbau Next-Factory im Jahr 2019 gab es auf dem Markt kaum geeignete Komponenten und Standards für den Einsatz von DC-Technologie. Netzbetreiber hatten bis dahin ebenfalls wenig bis keine Erfahrung mit Gleichstromsystemen und deren Einbindung in das öffentliche Stromnetz. Die Suche nach geeigneten Planern und Installateuren gestaltete sich schwierig, da es nur wenige Experten auf diesem Gebiet gab.
Diese Situation hat sich in den letzten Jahren jedoch verbessert. Auch auf wissenschaftlicher Ebene wurde intensiv geforscht. Mehrere Pilotprojekte testeten die Machbarkeit und Effizienz von Gleichstromlösungen unter realen Bedingungen. Diese Forschungsansätze und Pilotanlagen ebnen den Weg für eine breitere Einführung in der Praxis.
Phoenix Contact hat ähnliche Erfahrungen gemacht. „Nach Abschluss erster Überlegungen stand eine Frage im Raum: Woher bekommen wir die Komponenten?“, berichtet Matthias Unruhe. Die Antwort lieferte das breite Portfolio von Phoenix Contact, darunter Komponenten wie Leistungsmodule der Produktfamilie Trio HP zum Aufbau von DC-Netzen oder der Gleichstromüberspannungsschutz VAL-MB für den sicheren Betrieb von Gleichstromanwendungen. Zudem beschäftigt sich das Blomberger Unternehmen schon seit langem im Forschungsumfeld von Gleichstrom. Durch diese Aktivitäten sind frühzeitig Schlüsselkomponenten wie der Leistungsschalter ELR HDC und der Gleichstromsteckverbinder ArcZero entstanden, die heute in der All Electric Society Factory von Phoenix Contact im Einsatz sind.
Schlussendlich ist die Implementierung von Gleichstromsystemen weniger komplex, als es zu Beginn vermuten lässt. Mit den verfügbaren Komponenten, regulatorischen Fortschritten und zunehmender Expertise (insbesondere durch die Open DC Alliance) lohnt es sich, den Schritt zu wagen. „In der letzten Zeit hat sich einiges getan, was es erleichtert, ein Gleichstromvorhaben in die Praxis umzusetzen“, so Schaltbaus DC-Grid Experte Christoph Neulinger. ‚Einfach machen‘ lautet Neulingers pragmatische Devise.
Das All Electric Society Produktionsgebäude der Zukunft
Die All Electric Society Factory schöpft das Potenzial des Gleichstroms voll aus. Sie ist auf hohe Flexibilität, Effizienz und Stabilität ausgelegt, indem sie die relevanten Sektoren mittels Gleichstroms miteinander koppelt. Zudem optimiert das Gebäude die gesamte Energiekette aus Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Verbrauch, denn bei genauem Hinsehen arbeiten diese Bereiche ohnehin weitestgehend schon auf Gleichstrombasis.
Konkret heißt das, dass das Gleichstromnetz aus dem AC-Netz mit einer Leistung von 700kW gespeist wird. Parallel dazu arbeiten PV-angebundene DC/DC Wandler mit einer Gesamtleistung von 120kW und speisen direkt auf den DC-Bus. Zwei Abzweige dienen zum direkten Anschluss an die Produktionsmaschinen. Hier wird die Rekuperationsenergie von Robotern und Antrieben genutzt. Insgesamt zehn ans DC-Netz angebundene Ladepunkte befinden sich auf dem Parkplatz vor dem Gebäude (2x150kW und 8x60kW). Ist trotz dieser Verbraucher überschüssige Energie im Gleichstromnetz vorhanden, wird diese im DC-gekoppelten Batteriespeicher zwischengespeichert oder über die bidirektionalen AC/DC-Wandler aus dem Hause Phoenix Contact netzkonform ins öffentliche AC-Netz zurückgespeist. Das Lastmanagement auf Sektorenebene und das übergeordnete DC-Netzmanagement basieren auf der Software Plattform PLCnext Engineer. Überall dort, wo DC-Lasten in der All Electric Society Factory sicher geschaltet werden müssen, kommt der ELR HDC zum Einsatz. Dieser Leistungsschalter kombiniert fünf Gerätefunktionen (Schützen, Schalten, Überwachen, Vorladen und Netzwerkfähigkeit) miteinander. Besteht der Bedarf, DC-Lasten steckbar miteinander zu verbinden, setzt das Unternehmen auf den ArcZero Gleichstromsteckverbinder. Dieser ermöglicht das lichtbogenfreie Stecken und Ziehen unter Last. Die Energieflüsse werden mittels EMpro DC-Energiezählern im gesamtem DC Verbund erfasst. Das industrielle Gleichstromnetz dient zudem als Objekt zur Erforschung von DC-Technologie und steht der Allgemeinheit als Blaupause zur Verfügung.
Das Gleichstrom-Hochregallager
Der Logistikbereich ist eine weitere vielversprechende Branche, in der die Gleichstromtechnik ihr Potential voll ausspielen kann. Das automatisierte Kleinteilelager (AKL) der Firma Schaltbau zeichnet sich durch beeindruckende Leistungskennzahlen und einen effizienten Betrieb aus. Mit einer Kapazität von 50.000 Stellplätzen und täglich 5.000 Transportvorgängen bildet es das Rückgrat der Logistik in der Next Factory. Eine Schlüsselrolle spielen dabei die Schwarmroboter (ARC), von denen in der letzten Ausbaustufe 90 Stück eingesetzt werden. Die Gesamtinstallation des AKL inklusive der ARC ist besonders energieeffizient: Die Spitzenleistung von nur 18kW liegt deutlich unter der Spitzenlast herkömmlicher Alternativen, die häufig mit rund 120kW im Wechselstrombetrieb (AC) arbeiten.
Gleichstrom für Flurförderfahrzeuge
Ein zentraler Bestandteil des Logistikkonzepts von Schaltbau ist die Integration zweier bidirektionaler DC-Grid-fähiger Ladegeräte für die Flurförderzeuge Flotte. Dieses wurde in Zusammenarbeit mit den Unternehmen Jungheinrich und Industrie Elektronik Brilon (IEB) speziell für den Anwendungsfall der Next-Factory entwickelt.
Eine Analyse der Fahrzeugnutzung hat gezeigt, dass Flurförderzeuge oft nur einen Teil der Schichtzeit im Einsatz sind. Die Zeiten der Nichtnutzung der Fahrzeugbatterien können jedoch mit dem innovativen DC-Grid-Ladekonzept sehr sinnvoll für nützliche und gezielte Entladung und Netzrückspeisung genutzt werden, und damit den hauseigenen Energiespeicher erweitern. Die in den Batterien verfügbare Energie kann dabei helfen, Leistungsspitzen im Stromverbrauch zu minimieren oder die Eigenverbrauchsquote der PV-Anlage signifikant zu steigern. Darüber hinaus eröffnen sich zusätzliche Potenziale durch die intelligente Nutzung dynamischer Strompreise: In Zeiten hoher Energiepreise kann die gespeicherte Energie zur Versorgung des Gebäudes verwendet werden. Bei niedrigen Preisen hingegen lassen sich die Batterien der Logistikflotte gezielt wieder aufladen. Diese Strategie ermöglicht nicht nur eine Senkung der Energiekosten, sondern hat auch positive Effekte auf die Lebensdauer der Batterien.
