DC Industry Gleichstromnetze: Stand der Technik und Komponenten

Autor / Redakteur: Silke Lödige * / Kristin Rinortner

Mit Gleichspannung lässt sich Energie bei der Versorgung von Industrieanlagen effizienter nutzen – ein wichtiger Schritt hin zu einer klimaneutralen Produktion. Erste Ergebnisse aus DC-Projekten werden mit Pilotanwendern aus dem Maschinen- und Anlagenbau und der Automobilindustrie bereits umgesetzt.

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DC-Grid: DC-Netze sind die Schlüsseltechnologie für die industrielle Energieverteilung der Zukunft. Hier ein Beispiel aus der Gehäusefertigung.
DC-Grid: DC-Netze sind die Schlüsseltechnologie für die industrielle Energieverteilung der Zukunft. Hier ein Beispiel aus der Gehäusefertigung.
(Bild: Weidmüller / Patrice Kunte)

Der Wandel zu erneuerbaren Energieträgern bei der Energieerzeugung rückt stärker in den Fokus, das Ziel der Klimaneutralität / CO2-Neutralität steht ganz oben auf der politischen Agenda. Das erfordert grundlegend neue Technologien.

Mit der DC-Technik, also der Nutzung von Gleichspannung zur Energieversorgung von Industrieanlagen, lässt sich die Energieeffizienz in der Produktion optimieren, aber auch die Netzqualität und die Versorgungssicherheit sicherstellen – das ist ein wichtiger Schritt hin zur klimaneutralen Produktion.

In ein Gleichstromnetz (DC Grid) können beispielsweise Photovoltaik-Anlagen direkt in die industrielle Infrastruktur eingebunden werden, um die Produktionsanlagen mit zu versorgen.

Diesen Technologiesprung kurzfristig umzusetzen ist allerdings nicht so einfach, wie es sich anhört. Im industriellen Bereich wurde mit dem Forschungsprojekt DC Industry daher versucht, die Stromversorgung industrieller Anlagen über ein smartes, offenes Gleichstromnetz neu zu gestalten und die industrielle Energieversorgungsarchitektur zu digitalisieren.

Ausbau Erneuerbarer Energien: die Probleme

Der Einsatz und der Ausbau der Erneuerbaren Energien ist unumgänglich und richtig. Gleichzeitig haben erneuerbare Energieerzeuger aber auch Konsequenzen für die Verlässlichkeit der Energienetze – sie sind von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig, sodass die Energieerzeugung volatiler wird.

Auf der anderen Seite stehen die Anforderungen der Industrie an die Versorgungssicherheit und die Netzqualität. Die Versorgung einer Produktionsanlage mit elektrischer Energie muss absolut zuverlässig erfolgen, um die Qualität als auch die Produktivität sicherzustellen.

Lastspitzen, kurze Ausfälle der Ver­sorgungsspannung, elektromagnetische Störungen oder Spannungsripple können für industrielle Anlagen fatale Folgen haben, führen zu Störungen und müssen unbedingt vermieden werden.

Zusammengefasst lassen sich für die Anforderungen an die Energieverteilung in der Industrie folgende Herausforderungen benennen: Lastspitzenreduzierung, Netzqualität, Energieeffizienz, Wandlungsverluste, Energieverfügbarkeit, DC-Personenschutz und selektiver DC-Schutz.

Nur mit neuartigen Technologien lassen sich diese Anforderungen und Herausforderungen konsequent lösen. Aus diesem Grund arbeitet Weidmüller zusammen mit vielen anderen Partnern aus der Industrieautomatisierung und der Produktion zusammen, um die DC-Technologie für die Anwendung in der Industrie nutzbar zu machen.

DC Grid: Ressourcen und Energieeffizienz

Bild 1: In ein Gleichstromnetz (DC Grid) können beispielsweise Photovoltaikanlagen direkt in die industrielle Infrastruktur eingebunden werden und dazu beitragen, die Produktionsanlagen zu versorgen.
Bild 1: In ein Gleichstromnetz (DC Grid) können beispielsweise Photovoltaikanlagen direkt in die industrielle Infrastruktur eingebunden werden und dazu beitragen, die Produktionsanlagen zu versorgen.
(Bild: Weidmüller)

Die Potentiale der industriellen DC-Energieverteilung sind vielfältig. Durch ein DC Grid können beispielsweise Photovoltaik­anlagen oder dezentrale Energiespeicher einfach in die industrielle Infrastruktur eingebunden werden (Bild 1). Durch die damit einhergehende Reduktion von Verlusten bei der Wandlung von AC zu DC als auch ein intelligentes Lastmanagement können Energieverbräuche signifikant reduziert und Spitzenlasten vermieden werden. Das wiederum wirkt sich positiv auf Gerätebauformen und Installationen aus.

Betrachtet man verschiedene elektrische Energiequellen wie Solarzellen, die an eine angeschlossene Last unmittelbar Gleichstrom liefern, deren Strom ohne Wechselrichter direkt in das DC-Netz eingespeist wird, erhöht das die Energieeffizienz des gesamten Systems.

Weiteres Einsparpotential ergibt sich durch geringere Wandlungs- und Transportverluste, die Nutzung von Rekuperationsenergie oder die Reduktion der Peak Power durch geeignete Speicher. Aber nicht nur die Energieeffizienz wird gesteigert, auch Ressourcen können beim Einsatz von DC-Netzen eingespart werden.

Ein Drittel weniger Kupfer

Neben einem geringerem Kupferverbrauch und die direkte Einbindung von Speichersystemen punktet die Technik durch geringere Gerätekosten und Platzeinsparung in der Installation und im Schaltschrank, aber auch durch einfachere leistungselektronische Komponenten. Man rechnet mit ca. einem Drittel weniger Kupfer für Kabel und Leitungen.

Bei DC-Netzen entfallen ebenfalls Zusatz­investitionen zur Netzfilterung und Kompensation, weil sie systembedingt stabilisiert sind. Die Bestandsnetze werden gestützt, so dass Produktionsausfälle durch Netzstörungen reduziert oder verhindert werden.

Bild 2: Neu gestaltete Stromversorgung mit einem smarten, offenen Gleichstromnetz und eine digitalisierte industrielle Energieversorgungsarchitektur bei DC Industry.
Bild 2: Neu gestaltete Stromversorgung mit einem smarten, offenen Gleichstromnetz und eine digitalisierte industrielle Energieversorgungsarchitektur bei DC Industry.
(Bild: Weidmüller)

Gleichzeitig unterstützt die DC-Technologie den Aufbau eines stabilen, intelligent gesteuerten Stromnetzes abseits der öffentlichen Energieversorgung. Störungsbedingte Produktionsausfälle und Qualitätsverluste werden so vermieden. Zudem muss die Versorgung nicht mehr konstant auf Höchstlast ausgelegt sein (Bild 2).

Schlüsseltechnologie für die industrielle Energieverteilung

DC-Netze sind die Schlüsseltechnologie für die industrielle Energieverteilung der Zukunft. Gemeinsam mit Partnern hat Weidmüller die Architektur für DC-Netze entwickelt und validiert. Das Detmolder Unternehmen entwickelt auch die dafür notwendigen Technologien und Komponenten.

Dazu gehören Verbindungstechnik-Lösungen für die Einspeisung und Verteilung im Schaltschrank bis zum Energiebus und den Steckverbindern im Feld. Das umfasst die Entwicklung spezieller Steckverbinder, die erst nach Freigabe gelöst werden können.

Denn eine Besonderheit in DC-Netzen liegt darin, dass die Energieflüsse bidirektional, also in beiden Richtungen einer Leitung fließen können. Das liegt beispielsweise daran, dass die Energie nicht nur vom Antrieb zum Motor fließt, sondern auch zurück. Damit kann kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt und zurückgespeist werden.

Smarte Steckverbinder: Sicherheitsfunktionen bei der Verriegelung

Um gefährliche Zustände bei DC-Netzen sowohl für den Menschen als auch das Produktionsequipment zu vermeiden, wurde in Detmold von den Projektpartnern ein verriegelbarer Steckverbinder entwickelt. Dieser ermöglicht die Zustandsüberwachung durch smarte Sicherheitsfunktionen in der Verriegelung.

Anwenderkongress Steckverbinder

Wissenswertes zu Grundlagen, aktuellen Entwicklungen und zum Stand der Technik bei Steckverbindern erfahren Sie auf dem größten Branchentreff zu Steckverbindern vom 6. bis 9. September 2021.
Termine:
Pre Conference am 6. September 2021
SPE-Tag und Basisseminare am 7. September 2021
Kongress vom 8. bis 9. September 2021
Ort: VCC Würzburg.

Zum Programm

Über die Weiterentwicklung der klassischen Verbindungstechnik hinaus haben die Partner des Forschungsprojektes DC- Industrie einen intelligenten DC-Abzweig konzipiert, der die Entkopplung einer Lastzone vom Hauptnetz und das Monitoring von Spannung und Strom, Kommunikation und Visualisierung ermöglicht.

Bild 3: Dezentrale Vorladesteuerung sind Infrastrukturlösungen der DC-Architektur für die Wartung von Sub-Netzen.
Bild 3: Dezentrale Vorladesteuerung sind Infrastrukturlösungen der DC-Architektur für die Wartung von Sub-Netzen.
(Bild: Weidmüller)

Last but not least gibt es einige spezifische Besonderheiten von DC-Netzen, die auch grundsätzlich neue Lösungsansätze erfordern. Einer liegt darin, dass ein DC-Netz eine elektrische Kapazität abbildet, die in bestimmten Situationen zu sehr hohen Strömen führen kann, wie beim Einschalten eines Netzsegments, einer Lastzone. Ein Lösungsansatz kann hier die Vorladesteuerung für große kapazitive Netzsegmente oder auch die dezentrale Vorladesteuerung für die Wartung von Sub-Netzen (Bild 3) sein.

Erste Ergebnisse aus DC-Projekten in der Akademie

DC-Netze sind eine klare Antwort auf die Herausforderungen des Klimawandels, gleichzeitig aber auch für die Anforderungen der Industrie. Erste Ergebnisse aus den DC-Projekten finden ihre Umsetzung bereits in der unternehmenseigenen Akademie, aber auch zusammen mit Pilotanwendern aus dem Maschinen- und Anlagenbau und der Automobilindustrie. In der Akademie werden Werkzeugmaschinen wie CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control) auf die DC-Technologie umgestellt.

* Dipl.-Ing. Silke Lödige ist Fachpresse-Referentin bei Weidmüller Interface in Detmold.

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