Gleichstromnetze im industriellen Umfeld

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, Photovoltaik-Anlagen und Speicher bis hin zu den Produktionsanlagen. Ebenso sind die ausgewählte Technologie der Energiespeicherlösung sowie ihr Installationsort – zentral oder dezentral – 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", sagt Matthias Unruhe, Director Corporate Facility Management bei Phoenix Contact.

Bei der Umsetzung tauchen schnell Fragen zum Spannungsband oder der Auswahl von Komponenten auf. Für den industriellen Kontext hat die Open DC Alliance (ODCA) ein Systemkonzept erstellt, das 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 etwa die Kosten im Bereich der Leistungselektronik, sind heute deutlich kleiner. Durch die enge Kooperation zwischen Phoenix Contact und Schaltbau konnten schon zwei Gleichstrom-Produktionsstandorte realisiert werden: die NExT-Factory von Schaltbau in Velden und das Gebäude 60 von Phoenix Contact in Blomberg.

Die Einführung von Gleichstromsystemen in der Produktionslogistik und Industrie birgt großes Potenzial für Energieeinsparungen, insbesondere für dynamische Lasten wie beispielsweise Roboter: Die Spitzenleistung lässt sich um bis zu 85 %, die Energieeffizienz um bis zu 20 % erhöhen. Ebenfalls gute Erfahrungen gibt es bei großen Elektromotoren mit Frequenzumrichtern sowie 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 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. 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 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 Unternehmen schon seit langem im Forschungsumfeld von Gleichstrom. So sind frühzeitig Schlüsselkomponenten wie der Leistungsschalter ELR HDC und der Gleichstromsteckverbinder ArcZero entstanden, die heute im Gebäude 60 von Phoenix Contact im Einsatz sind. Schlussendlich ist die Implementierung von Gleichstromsystemen weniger komplex als zu Beginn vermutet. "In der letzten Zeit hat sich einiges getan, was es erleichtert, ein Gleichstromvorhaben in die Praxis umzusetzen", sagt der DC-Grid-Experte Christoph Neulinger von Schaltbau.

Das Produktionsgebäude der Zukunft

Das Gebäude 60 schöpft das Potenzial des Gleichstroms voll aus. Es ist auf möglichst hohe Flexibilität, Effizienz und Stabilität ausgelegt, indem es die relevanten Sektoren mittels Gleichstroms miteinander koppelt. Zudem optimiert es die gesamte Energiekette aus Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Verbrauch, denn diese Bereiche arbeiten ohnehin weitgehend schon auf Gleichstrombasis. Konkret heißt das, dass das Gleichstromnetz aus dem AC-Netz mit einer Leistung von 700 kW gespeist wird. Parallel dazu arbeiten PV-angebundene DC/DC-Wandler mit einer Gesamtleistung von 120 kW 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. Ans DC-Netz angebundene Ladepunkte befinden sich auf dem Parkplatz vor dem Gebäude. Ist trotz dieser Verbraucher überschüssige Energie im Gleichstromnetz vorhanden, wird sie im DC-gekoppelten Batteriespeicher zwischengespeichert oder über die bidirektionalen AC/DC-Wandler 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 sicher geschaltet werden müssen, kommt der ELR HDC zum Einsatz. 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 Gleichstrom-Hochregallager

Der Logistikbereich ist eine weitere Branche, in der die Gleichstromtechnik ihr Potenzial voll ausspielen kann. Das automatisierte Kleinteilelager (AKL) von Schaltbau bildet mit einer Kapazität von 50.000 Stellplätzen und täglich 5.000 Transportvorgängen das Rückgrat der Logistik in der NExT Factory. Eine Schlüsselrolle spielen dabei die Schwarmroboter (ARC). Die Spitzenleistung des AKL inklusive der ARC von nur 18 kW liegt deutlich unter der Spitzenlast herkömmlicher Alternativen, die häufig mit rund 120 kW AC arbeiten. Flurförderzeuge sind oft nur einen Teil der Schichtzeit im Einsatz. Die Zeiten der Nichtnutzung der Fahrzeugbatterien lassen sich jedoch mit dem DC-Grid-Ladekonzept sinnvoll für gezielte Entladung und Netzrückspeisung nutzen, um den hauseigenen Energiespeicher zu erweitern. Die in den Batterien verfügbare Energie kann dabei helfen, Leistungsspitzen im Stromverbrauch zu minimieren oder die Eigenverbrauchsquote der PV-Anlage 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.

Erfahrungswerte vereinfachen die Umsetzung

Produktionsstätten oder reale Vorbilder zeigen also, dass der Betrieb energieeffizienter Gleichstromnetze in der Industrie möglich ist. "Eine vertrauensvolle Zusammenarbeit und ein offener Austausch sind essenziell, um solche Projekte umzusetzen", sagt Dr. Martin Wetter, Executive Vice President Innovation von Phoenix Contact und Mitglied im Vorstand der ODCA. "Die Kooperation und gute Ergänzung der Produkte beider Unternehmen haben zum Erfolg geführt", ergänzt Guido Bachmann von Schaltbau. Die Normung geht große Schritte in Richtung Gleichstrom, und die notwendigen Komponenten sind verfügbar. Auch die Auslegung und Skalierung von Vorhaben gelingt besser, da es nun gute Erfahrungswerte gibt, wie Anlagen aufzubauen sind. Ansprechpartner von Schaltbau und Phoenix Contact helfen bei Konzipierung, Aufbau und der Auswahl der Komponenten. Außerdem steht mit der ODCA ein breites Partnernetzwerk für den Austausch zur Verfügung.

M.Sc. Tobias Lüke, Project Manager, Business Unit Power Supplies, Business Area ICE bei Phoenix Contact, und M.Sc. Andreas Forster, Project Manager DC-Grid & Energy Management System bei Schaltbau

Hannover Messe, Halle 9, Stand F40