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Dienstag, 12. Dezember 2017

Automation

Netzstruktur spart Energie in der Autoproduktion

Von Martin Ciupek | 20. April 2017 | Ausgabe 16

Gleichstromnetze machen die verlustbehaftete Energiewandlung in Fertigungsanlagen teilweise überflüssig.

Lange waren klassische Frequenzumrichter in der Automobilindustrie das Mittel der Wahl, wenn es darum ging, aufwendige Bewegungsabläufe energieeffizient umzusetzen. Doch das könnte sich ändern. Forscher sehen in der Abkehr von der Wechselspannung (AC) zur Gleichspannung (DC) enorme Einsparpotenziale.

Üblicherweise verfügen Frequenzumrichter über einen Gleichstromzwischenkreis, der stets eine verlustbehaftete Wandlung der elektrischen Energie von Wechsel- und Gleichspannung notwendig macht. Seit Juli 2016 forschen 15 Verbundpartner aus Industrie und Wissenschaft gemeinsam im vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) geförderten Projekt „DC-Industrie“ an Gleichstromnetzen für die industrielle Anwendung.

André Leonide vom Konsortialführer Siemens fasst die Motivation der Partner zusammen: „Das Projekt bietet die einmalige Gelegenheit, in einem Konsortium mit nahezu allen wichtigen Partnern der Industrie und Forschungseinrichtungen die Potenziale der DC-Technologie für industrielle Anlagen anhand realer Anwendungsfälle aufzuzeigen.“

Insbesondere die Energiewende stelle die produzierende Industrie in Deutschland vor große Herausforderungen. „Die Erhöhung der Energieeffizienz, die richtige Reaktion auf schwankende Energieangebote sowie die Robustheit gegenüber geringerer Energiebereitstellungsqualität sind Aufgaben, denen sich Produktionen in naher Zukunft verstärkt stellen müssen“, stellt Leonide fest. Genau das wolle das Konsortium nun mit der Gleichstromtechnik erreichen.

Voraussetzung dafür ist laut Leonide, dass die Energie bedarfsorientiert verteilt und wiederverwendet wird, weniger Wandlungsverluste entstehen sowie geeignete Energiespeicher angebunden werden. „Wichtige Schritte, um das Ziel zu erreichen, sind eine höhere Leistungsdichte in den elektrischen Antrieben sowie der Wegfall dezentraler AC/DC-Wandlung in den Umrichtern“, macht er deutlich.

Foto: Bauer Gear Motor

Karl-Peter Simon, Vorsitzender des ZVEI-Fachbereichs elektrische Antriebe.

Karl-Peter Simon, Vorsitzender des Fachbereichs elektrische Antriebe im ZVEI-Fachverband Automation, nennt konkrete Schritte: „Unser Ziel ist es, basierend auf dem Anforderungskatalog, noch 2017 die notwendigen Komponenten zu spezifizieren.“ Bis Mitte 2018 sollen diese verfügbar sein, um mit Tests beginnen zu können.

„Eine Pilotanwendung des Projekts ist eine Fertigungszelle in der Karosserieherstellung der Daimler AG, in der alle notwendigen Komponenten auf Gleichstromversorgung umgestellt werden – von der Schaltgerätetechnik über die Steuerung bis hin zum Antrieb“, so Simon. Darüber hinaus werde Getränkemaschinenhersteller KHS die Komponenten an einem Gebinde- und Palettenrundlauf testen. Damit werde die Einsatzfähigkeit erprobt.

Zunächst gilt es noch fachliche Fragen zu klären. So trafen sich Mitte März Experten zu einem Workshop am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart, um die Anforderungen an industrielle Gleichstromnetze öffentlich vorzustellen und anwendungsspezifisch zu ergänzen. Neben dem Fraunhofer IPA forschen Wissenschaftler an der Universität Stuttgart, am Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme (IISB) sowie an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe an den Grundlagen.

Die wissenschaftliche Projektleitung hat Holger Borcherding von der Hochschule Ostwestfalen-Lippe: „Die Forschungseinrichtungen bringen sich ergänzende Kompetenzen aus den Bereichen Leistungselektronik, Energieeffizienz, Netzmanagement und Produktionstechnik in das Projekt ein.“

Holger Borcherding und sein Team arbeiten in Lemgo am Labor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe an der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des Systems, den Einspeisetechnologien sowie der Energieeffizienz im Gesamtsystem. Das Fraunhofer IPA übernimmt die Anforderungsanalyse und wird die Einsatzbarkeit im industriellen Umfeld bewerten.

„Zusammen mit dem Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP der Universität Stuttgart und dem Fraunhofer IISB werden die Grundlagen erarbeitet, wie ein überlagertes Netzmanagement den Ausbau des DC-Netzes zu einem industriellen Smart-Grid realisieren kann“, berichtet Borcherding.

Im Fokus stehen dabei laut dem Wissenschaftlichen Leiter insbesondere die Netzstabilität, Anbindung von Energiespeichern und Energieflussteuerung.

Bei ihrer Arbeit hilft den Projektpartnern die Standardschaltungstechnik der Umrichter mit Spannungszwischenkreisen. „Damit besitzen bereits heute die meisten Umrichter ein internes DC-Netz“, erklärt Borcherding. Auch bei Servoumrichtern seien zentrale Versorgungsmodule mit DC-Ausgang verbreitet. Daher könne zumindest für die Umrichtertechnik erwartet werden, dass sie auf Basis verfügbarer Geräte zu einem ersten herstellerübergreifenden DC-System weiterentwickelt werde.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf sehen die Konsortialpartner aufgrund der Schnittstellenverschiebung vom AC- zum DC-Netz. Borcherding stellt dazu fest: „Wo die Regeln am AC-Netz klar sind, müssen diese für ein DC-Netz noch erarbeitet und festgelegt werden.“

Frank Maier, Entwicklungsvorstand von Lenze in Hameln, sieht großes Potenzial in der Gleichstromtechnik und verweist auf eine weitere Initiative: „In Europa gibt es ein ähnliches Projekt namens Areus – Automation and Robotics für European Sustainable Manufacturing.“ In diesem geht es insbesondere um den Energieverbrauch von Robotern.

Interessant für die Automobilhersteller erscheint ihm der 600-V-Gleichstrom. „Da sind Sie dann ganz nah an den Spannungen dran, die für die Elektromobilität als Bordnetzspannung in Erwägung gezogen werden“, so Maier. Damit könne Technik aus der Elektromobilität einfach auch von der Industrie genutzt werden. Als Beispiel nennt er 600-V-Supercaps, die als Kurzzeitenergiespeicher dienen.

Durch solche Zwischenkreispuffer könne die Spitzenleistung bei der Energieeinspeisung drastisch reduziert werden. 30 % Einsparung bei der Anschlussleistung erscheinen ihm realistisch. Zudem können auf etwa 40 % Kupfer in AC/DC-Konvertern verzichtet werden.

Persönlich bevorzugt Maier dagegen 300-V-Lösungen. „Da gibt es weniger Probleme mit Kriechströmen und die Sicherheitsanforderungen sind etwas geringer.“ Zudem gebe es auf der Antriebsseite weniger verlustbehaftete und zudem viel billigere Lösungen als die sonst üblichen Leistungstransistoren.

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