Energieeffizienz für die Industrie – Gleichstromgespeiste Stromschienen für effiziente Energieübertragung in Fertigungsstraßen

In der Industrie wird heutzutage standardmäßig die dreiphasige 400-Volt-Wechselspannung eingesetzt. Auch in den Fertigungsstraßen dieser Welt wird auf Wechselspannung gesetzt. Die Anzahl an Frequenzumrichtern inkl. Gleichrichtern und Zwischenkreis, welche meist pro Industrieverbraucher benötigt wird, ist enorm. Um die Anzahl dieser AC/DC-Wandler deutlich zu verringern und um weitere Vorteile der Gleichstrom-Technologie zu nutzen, sucht die Industrie nach neuen Lösungen hier effizienter und nachhaltiger zu werden.

Effiziente Fertigungsstraßen mit gleichstromgespeister Stromschiene

• Konsortialpartner aus Forschung & Industrie im EU Förderprojekt effiDCent
• Steigerung der Energieeffizienz von Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie
• Stabile und sichere Netzqualität sowie Rückgewinnung von Bremsenergie im DC-Betrieb
• EHB-Testanlage im Mercedes-Benz Werk Sindelfingen

Im Förderprojekt effiDCent erforscht das Future Energy – Institut für Energieforschung der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe zusammen mit den Konsortialpartnern aus Forschung (TU Dortmund) und Industrie (Fa. Paul VAHLE GmbH & Co. KG , Fa. Condensator Dominit, E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH) ein gleichstromgespeistes Stromschienensystem mit integriertem intelligenten Energiespeicher, zentraler Gleichstrom-Einspeisung, Pufferkondensatoren und Lichtbogenüberwachung, welche die Energieübertragung in den Fertigungsstraßen der verarbeitenden Industrie optimieren soll.

Konsortialpartner aus Forschung & Industrie im EU Förderprojekt effiDCent

Im Rahmen des Förderprojektes, welches durch die Europäische Union und das Land NRW gefördert wird, verfolgt man das Ziel, die Energieeffizienz von Fertigungs- und Produktionsstraßen zu steigern, netzbedingte Produktionsstillstände zu minimieren und dementsprechend einen optimalen Fertigungsprozess zu generieren. So würde im Idealfall bei einer Umstellung von Wechsel- auf Gleichspannung eine Anordnung von Pufferkondensatoren und intelligenten Energiespeichern eine enorme Materialreduzierung und eine Änderung des Leitermaterials bewirken. Des Weiteren spart der Kunde an Gleichstrom-Wandlern und Kondensatoren. Dementsprechend werden diese nur zentral an der stationären Einspeisung benötigt.

Kickoff Veranstaltung des Projekts effiDCent (v.l.): Volker Napiwotzki (Vahle), Alexander Gußfeld (Projektträger Jülich), Jürgen Reese (Condesator Dominit), Prof. Dr.-Ing. Martin Pfost (TU Dortmund), Jan-Niklas Koch (TH OWL), Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding (TH OWL), Marco Hermanni (Vahle). Quelle: VAHLE

Am 7. August 2019 trafen sich die Konsortialpartner zum gemeinsamen Projekt Kickoff im VAHLE Demo Zentrum in Kamen. Die Projektpartner nutzten diesen Tag, um sich gegenseitig kennenzulernen und die individuellen Kernkompetenzen vorzustellen. Außerdem wurden die Projektpartner durch die Fertigung des Stromübertragungsspezialisten geführt.

„In den Fertigungsstraßen dieser Welt wird auf Wechselspannung zur Verteilung der Energie gesetzt“, erklärt Marco Hermanni, Projektmanager und -koordinator bei VAHLE. „Die Energieversorgung der Fertigungsstraßen via Stromschienensystem erfolgt momentan industrieweit fast ausnahmslos via Wechselspannung, welche aber über DC-Wandler und Zwischenkreiskondensatoren je Abnehmer auf die Vor-Ort-Bedingungen zwei Mal gewandelt werden müssen.“

Eine Umstellung der Energieeinspeisung hin zur Gleichspannung lässt große Effizienzvorteile zu. In diesem Vorhaben werden gleichstrombasierte Stromschienen für die effiziente Energieübertragung in Fertigungsstraßen, z.B. in den häufig verwendeten Elektrohängebahnen, erforscht. Wesentliche Innovationen wären dabei die massive Materialeinsparung von Kupfer durch Gleichstromübertragung sowie alternative Leiterwerkstoffe, die Verwendung einer zentralen Gleichstrom-Einspeisung mit Fehlerabschaltung und resultierender Baugrößenreduzierung der Umrichter durch geregelte Gleichspannung und einer Lichtbogenerkennung. Zusätzlich bringt die Anbringung von Pufferkondensatoren entlang der Stromschiene eine dynamische Stabilität bei gleichzeitigem Rückgang der Gesamtkapazität mit. Am Ende würde die Nutzung von intelligenten Energiespeichern, um kurzzeitig höchste Peaks an Lastanforderungen abdecken zu können, eine gleichmäßige Konditionierung des Energiebedarfes ermöglichen.  

Steigerung der Energieeffizienz von Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie

Mit der Anbringung von Pufferkondensatoren entlang der Stromschiene betritt das Forschungskonsortium Neuland. Insbesondere die Sicherstellung der Stabilität ist die größte Herausforderung, die beträchtliche Forschungsanstrengungen erfordert. Dennoch sind die Vorteile des vorgeschlagenen gleichstrombetriebenen Stromschienensystems immens. Durch den Umstieg von Wechsel- auf Gleichstrom in Kombination mit Pufferkondensatoren gelingt eine deutliche Reduzierung des Kupferbedarfs der Schiene.

Dies könnte bis zu 50 % Materialreduzierung bedeuten verbunden mit der Anhebung des Wirkungsgrads der Abnehmer um bis zu 15%. Außerdem erlauben die zentrale Gleichstromeinspeisung und die Pufferkapazität eine deutlich einfachere Konstruktion der Abnehmer. Ferner muss die Einspeisung aufgrund der intelligenten Energiespeicher nunmehr nur für die Nennleistung und nicht mehr für die Peaks – die Spitzenleistung – ausgelegt werden. Denn die Produktion auf Gleichstrombasis erweist sich als robuster gegenüber Schwankungen von Angebot und Qualität des Netzes.

Stabile und sichere Netzqualität sowie Rückgewinnung von Bremsenergie im DC-Betrieb

So lassen sich neben enormer Kosteneffizienz auch entscheidende Vorteile für die Energiewende und Industrie 4.0 voranbringen. Durch einen Wechsel auf Gleichstromeinspeisung in der Industrie ließe sich viel leichter Strom aus erneuerbaren Quellen in die Netze bringen.

Das Konsortium profitiert von der Unterstützung der Mercedes-Benz AG. Die Projekt-Partner können die Forschungsergebnisse an der Daimler-hauseigenen Test-Elektrohängebahn in Sindelfingen testen.

„Gerade die Rückeinspeisung beispielsweise von Bremsenergie ist gegenwärtig durch den Einsatz von Wechselstrom nur begrenzt oder nur mit dem Einsatz von speziellen rückspeisefähigen Frequenzumrichtern möglich. Der Einsatz unter Gleichstrom offeriert hier weitere Vorteile und stellt nicht nur eine stabile und sichere Netzqualität sicher, sondern macht die Nutzung von Bremsenergie einfach möglich. Und es bleibt nicht nur bei der reinen Theorie. Die Forschungsergebnisse werden live in einer Elektrohängebahn-Testanlage bei der Mercedes-Benz AG in Sindelfingen getestet“, erklärt Marco Hermanni.

Schlussendlich erwartet das Konsortium, dass die Gesamtenergieeffizienz eines Elektrohängebahnsystems allein durch die vorgeschlagenen Innovationen um 17-25% gesteigert werden kann, und dies bei deutlich einfacheren und damit kostengünstigeren Abnehmern. Die Innovationen in diesem Projekt werden in einem realitätsnahen Demonstrationssystem evaluiert und abschließend qualifiziert. Dies geschieht in enger Abstimmung mit den Anwendern, weshalb erwartet wird, dass aufgrund der großen Vorteile des Systems nach Projektabschluss hervorragende Möglichkeiten zur Verwertung der Projektergebnisse bestehen und die Industrie in NRW damit nachhaltig gestärkt wird.

Das Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert:

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