Die Gleichstromfabrik

Ende des 19. Jahrhunderts begann das Elektrizitätszeitalter. Herausragende Ingenieure, Erfinder und Unternehmer waren damals bestrebt, ein Stromversorgungssystem zu entwickeln, das sowohl die Stromerzeugung als auch die Stromübertragung und -verteilung gewährleistet. Mit Beginn des Elektrizitätszeitalters entbrannte jedoch auch ein Kampf zwischen der Gleichstrom- und der Wechselstromtechnologie um die Vorherrschaft. Er ging als „Stromkrieg“ in die Geschichte ein.

AC-Netze sind weltweit in allen Fabriken Stand der Technik. Dabei gibt es regional große Unterschiede, was Spannungshöhe, Frequenz und Erdungssysteme angeht. Deshalb werden heute AC-Geräte in der Regel für variable Eingangsspannungen und unterschiedliche Anschlussbedingungen entwickelt und qualifiziert.

Die Anforderungen an die zukünftige industrielle Energieversorgung sind vielfältig und werden innerbetrieblich durch die Produktion und deren Prozesse bestimmt. Dabei stehen die daraus abgeleiteten steigenden Anforderungen an die Energieversorgungsqualität und Effizienz im Spannungsfeld mit dem sich wa ndelnden öffentlichen Energieversorgungsnetz. Auch aus dieser Richtung werden Anforderungen an die industrielle Energieversorgung gestellt, beispielsweise die zeitliche Leistungsreduzierung. Die Fabriken von morgen müssen den Spagat zwischen einer volatilen öffentlichen Energieversorgung mit zunehmenden Störungen und höheren Anforderungen an Flexibilität und den prozessbedingten Anforderungen an Qualität und Effizienz meistern. Um hier Klarheit für die Entwicklung der gleichstromversorgten Fabrik zu schaffen, wurden unterschiedliche produzierende Unternehmen hinsichtlich ihrer Anforderungen untersucht.

Der kontinuierliche Fokus auf höhere Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist und bleibt eine wichtige Triebfeder für die Umsetzung der Energiewende. In der Industrie entfallen 70 % des Stromverbrauchs auf elektrische Antriebe [Kosc2017]. Damit sind sie der mit Abstand größte Abnehmer elektrischer Energie. Jede Reduzierung der Leistungsaufnahme dieser Antriebe durch Wirkungsgradsteigerungen bedeutet auch eine entsprechende Reduzierung der CO₂-Emissionen. Seit dem 1. Januar 2017 müssen alle in Europa neu verkauften Drehstrommotoren des Leistungsbereichs von 0,75 bis 375 kW die Anforderungen der Energieeffizienzklasse IE3 erfüllen bzw. IE2 bei Frequenzumrichterbetrieb. Ab 2021 wird auch diese Ausnahme entfallen und es dürfen nur noch IE3 Motoren eingesetzt werden [Comm2019].

In der AC-Technologie sind beliebige Topologien möglich, die der Anwender projektiert, installiert und in Betrieb nimmt. Dabei gibt es grundlegende Regeln zur Auslegung von Schutzkonzepten (prospektiver Kurzschlussstrom, Fehlerstromschutzschalter, Motorschutzschalter etc.) und Abschalteinrichtungen (z. B. Not-Aus Kreis), die von jedem Elektriker beherrscht werden. Weiterhin werden genormte Hochspannungstests zur Freigabe von Maschinen und Anlagen durchgeführt.

Netzmanagement ist ein weit gefasster Begriff ohne allgemein anerkannte Definition. Eine mögliche Definition stammt aus dem Anwendungsbereich der Energieversorger, Verteilnetzbetreiber sowie aus Erfahrungen beim Betrieb und der Unterhaltung von AC-Netzstrukturen innerhalb von Produktionsanlagen. Bild 6.1 zeigt die Aufgabenbereiche, die durch das Netzmanagement im elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt werden.

Nachdem die konzeptionellen Grundlagen des DC-Netzes für eine Gleichstromfabrik in den vorangegangenen Kapiteln 5 – 7 detailliert beschrieben wurden, soll hier auf die Auslegung eines DC-Netzes für eine Gleichstromfabrik eingegangen werden. Hierfür werden zunächst die relevanten Gestaltungsobjekte einer solchen Gleichstromfabrik vorgestellt. Dabei wird der Unterschied zur bisherigen Fabrik dargestellt. Es folgt die Erweiterung des bisherigen Auslegungsvorgehens von AC-Netzen um die notwendigen, zusätzlichen Auslegungsaufgaben für ein DC-Netz. Diese zusätzlichen Aufgaben werden dann im weiteren Verlauf dieses Kapitel beschrieben und geben dem Projektierer eine erste Hilfestellung bei der individuellen Gestaltung einer eigenen Gleichstromfabrik.

Die zahlreichen Entwicklungen, vom Systemkonzept über die Sicherheitseinrichtungen bis zum Netzmanagement, wurden innerhalb des Forschungsprojektes DC-INDUSTRIE in vier unterschiedlichen Anlagen erprobt. Dabei unterscheiden sich die Zielstellungen der Erprobung der DC-Technologie in den unterschiedlichen Anlagen. Insbesondere die Art der Versorgung und die Ausprägung des Netzmanagements wurden variiert und dem Anwendungszusammenhang entsprechend angepasst. Im Folgenden werden die Anwendungsfälle detailliert vorgestellt, die jeweilige Zielstellung beschrieben und die wesentlichen Ergebnisse zusammengefasst. Das DC-Netz, so wie es in diesem Buch beschrieben ist, funktionierte in allen Anlagen. Damit ist bewiesen: Systemkonzept und Netzmanagement tragen. Die erwarteten Potenziale lassen sich erschließen. Die Anforderungen werden erfüllt.

Die vorangegangenen Ausführungen erläutern schrittweise die notwendigen technischen Konzepte, die schließlich vier, protypische Realisierungen eines DC-Netzes in realen Maschinen und Anlagen ermöglichten. Zusätzlich zu den elektrischen Antrieben und den Prozessperipherien wie etwa dem Schweißen wurden Energiespeicher in die Anlagen integriert. Der Grundstein für die Umsetzung der Gleichstromfabrik ist gelegt. Die Potenziale zur Reduzierung des Energiebedarfs, zur Flexibilisierung des Energiebezugs sowie der Senkung von Lastspitzen und damit eine Verstetigung des Energiebezugs wurden aufgezeigt. In zahlreichen Tests konnte die einwandfreie Funktionsweise jeder Anlage nachgewiesen werden. Wie in Kapitel 9 anhand der Testanlagen gezeigt, wird die Bremsenergie aus dynamischen Prozessen zurückgespeist und direkt im DC-Netz genutzt. Nur die Differenzenergie zwischen benötigter motorischer Energie und zurückgespeister Bremsenergie muss eingespeist werden. In Verbindung mit Speichern, welche die Energie für kurzzeitige Lastspitzen liefern, konnte gezeigt werden, dass sich die Anschlussleistung einer Anlage um 85 % senken lässt. Damit können neben Komponentenkosten im Bereich der Umrichter, Netzfilter und Leitungen auch Energiekosten über das Entgelt für die bereitgestellte Leistung gespart werden. In den Modellanlagen konnte der Energiebedarf im direkten Vergleich AC zu DC zwischen 6 % und 8 % reduziert werden. Wie in Kapitel 2 erläutert führt diese Energieeinsparung beispielsweise bei einer Werkzeugmaschine zu einer CO2-Reduzierung von 360 kg CO2e pro Jahr. Ergänzend werden weitere Ressourcen gespart. So reduziert sich der Kupferbedarf einer DC-Leitung durch den Wegfall von Adern in einem 3-Leiter System gegenüber einem 5-Leiter System um ca. 40 %. Zusätzlich wird bis zu 25 % des Isolationsmaterials gespart.