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Paradigmenwechsel in der industriellen Stromversorgung

Die Paul Vahle GmbH & Co. KG hat das EU-Forschungsprojekt effiDCent erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projekts war es, die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in der Industrie durch den Einsatz von Gleichstrom anstelle von Wechselstrom zu erhöhen. Gemeinsam mit der Technischen Universität Dortmund, der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL), der Condensator Dominit GmbH und der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH forschte der Technologiepionier aus Kamen seit 2019 an einer effizienteren Energieübertragung mittels einer Stromschiene auf Gleichstrombasis. Vahle übernahm die Rolle des Konsortialführers. Durch die Umstellung von Wechselstrom (AC) auf Gleichstrom (DC) kann die Energieeffizienz um mehr als 10 % gesteigert werden. Gleichzeitig werden für die Herstellung von Gleichstromsammelschienen deutlich weniger Ressourcen benötigt als bei herkömmlichen Systemen. So sinkt der Kupferverbrauch um bis zu 50 %. Das Förderprojekt wurde von der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen unterstützt.

„Die Energiewende ist ein entscheidender Baustein für die Transformation unserer Gesellschaft in Richtung Nachhaltigkeit. Genau in diese Richtung zielen wir mit dem Forschungsprojekt effiDCent, mit dem wir im Ergebnis nicht weniger als einen Paradigmenwechsel in der industriellen Stromversorgung einläuten“, sagt Achim Dries, CEO der Vahle Group. Die Namensgebung des Vorhabens basiert auf einer Kombination von „effizient“ und dem Kürzel „DC“, das für Gleichstrom steht.

In den letzten drei Jahren hat der in Kamen ansässige Systemanbieter für mobile Industrieanwendungen gemeinsam mit seinen Partnern ein gleichstromversorgtes System entwickelt, das aus einem hocheffizienten Gleichrichter, einer Stromschiene, intelligenten Energiespeichern zur Energierückgewinnung sowie Sicherheitseinrichtungen besteht. Ziel war es, die Energieeffizienz in den Fertigungs- und Produktionsketten erheblich zu steigern und netzbedingte Produktionsunterbrechungen zu minimieren, um den gesamten Fertigungsprozess zu optimieren. Mit der Integration von intelligenten Energiespeichern und Pufferkondensatoren, die entlang der Strecke verteilt sind, betraten die Projektpartner übrigens technisches Neuland.

Die Umstellung von Wechsel- auf Gleichstrom ermöglicht zum einen einen deutlich geringeren Materialeinsatz und verspricht zum anderen große Energieeinsparungen. Im Gegensatz zu Wechselstrom spielt der Leistungsfaktor von Motoren oder Wechselrichtern keine Rolle, so dass die Strombelastung des Kabels deutlich geringer ist. Folglich kann neben der Einsparung eines Pols durch die Verringerung des Querschnitts auch der Kupferverbrauch einer Stromschiene erheblich reduziert werden.

Für die Industrie bedeutet der Umstieg auf die DC-Technologie laut Dries einen großen Schritt in Richtung einer CO2-neutralen Industrieproduktion. Bisher benötigt dort aufgrund der standardmäßig verwendeten dreiphasigen 400-Volt-Wechselspannung jedes Fahrzeug einen eigenen Gleichrichter, der durch eine zentrale Gleichstromversorgung entfällt. Durch den Wegfall des Gleichrichters wird im gesamten System eine verlustbehaftete Komponente eingespart, was sich positiv auf den Gesamtwirkungsgrad und damit auf den Energieverbrauch auswirkt.

Darüber hinaus hat die DC-Technologie zahlreiche weitere Vorteile, die helfen, ein modernes und intelligentes industrielles Stromversorgungsnetz zu errichten. Beispielsweise können Systeme zur Erzeugung und Speicherung von Energie wie Photovoltaikanlagen und Batterien problemlos eingebunden werden, da diese grundsätzlich mit Gleichspannung arbeiten. Bremsenergie kann direkt gespeichert und ohne verlustbehaftete Umwandlung in Wechselstrom voll genutzt werden. Ein weiterer Pluspunkt ist die durch den Speichereinsatz gegebene hohe Systemverfügbarkeit: Durch Pufferbatterien ist ein unterbrechungsfreier Weiterbetrieb von DC-Anlagen möglich. Damit kann auf aufwändige unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verzichtet werden. Auch fallen Zusatzinvestitionen zur Netzfilterung und Kompensation weg. Eingebaute intelligente Energiespeicher fangen Lastspitzen, die durch Beschleunigungsprozesse auftreten, ab, sodass die elektrische Anschlussleistung geringer ausfallen kann und damit die AC-Netze entlastet werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde eine 80 Meter lange DC-Testanlage parallel zu einer bestehenden AC-Anlage in Betrieb genommen. Bei Verwendung von Gleichstrom konnte eine Energieeinsparung von mehr als 10 Prozent nachgewiesen werden. Vahle war neben der Konsortialführung für die Systemauslegung, die Simulation sowie den Aufbau der Versuchsanlage verantwortlich. Die TH OWL übernahm die Errichtung des hocheffizienten Einspeisers, mit einer gegenüber einem Standardgleichrichter um 35 bis 40 Prozent höherem Leistungsfaktor.

Für die Erforschung des intelligenten Energiespeichers zur Aufnahme der Bremsenergie zeichnet die TU Dortmund verantwortlich. Durch die Nutzung der Bremsenergie mittels intelligenter Speicher steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Möglich wurde das durch den Einsatz von effizienten Energiespeichern, sogenannten Ultracaps, die die Bremsenergie kurzfristig speichern und anschließend geregelt wieder abgeben können. Das sichere Einschalten von Gleichstromanlagen gestaltet sich aufgrund hoher Einschaltströme aufwändig. Daher wurde ein auf Gleichstromanwendungen zugeschnittenes Schutz- und Vorladekonzept mit der E-T-A Elektronische Apparate GmbH entwickelt.

Mit der Beteiligung an dem Forschungsvorhaben baut Vahle nach eigener Aussage seine Stellung als Pionier und Technologieführer im Bereich Gleichstrom-Technik weiter aus.

Das Förderprojekt effiDCent auf einem Blick:

• Themenschwerpunkt des Forschungsprojekts: Entwicklung einer gleichstromgespeisten Stromschiene für Fertigungsstraßen in der Industrie.
• Projektpartner: Paul Vahle GmbH & Co. KG (Konsortialführer), Technische Universität Dortmund, Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Condensator Dominit GmbH und E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH (assoziiert).
• Projektdauer: Juli 2019 bis Juni 2022.
• Projektträger ist das Forschungszentrum Jülich PTJ.
• Dieses Vorhaben wurde durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

www.vahle.de