Hohes Potenzial für Energieeinsparungen

Die Paul Vahle GmbH & Co. KG hat das Gemeinschaftsforschungsprojekt effiDCent erfolgreich abgeschlossen, welches durch den Einsatz von Gleichstrom anstelle des gängigen Wechselstroms eine Steigerung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in der Industrie zum Ziel hatte. Gemeinsam mit der Technischen Universität Dortmund, der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL), der Condensator Dominit GmbH sowie der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH forschte der Kamener Technologiepionier seit 2019 an einer effizienteren Energieübertragung mittels einer gleichstrombasierten Stromschiene. VAHLE agierte dabei als Konsortialführer. Die Umstellung von Wechselstrom (AC) auf Gleichstrom (DC) erwirkt eine Energieeffizienzsteigerung von mehr als 10 Prozent. Gleichzeitig ist der Ressourcenaufwand für die Herstellung gleichstrombasierter Stromschienen gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich niedriger. So sinkt der Kupferbedarf um bis zu 50 Prozent. Das Förderprojekt wurde durch die Europäische Union und das Land NRW 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.

Gemeinsam mit seinen Partnern entwickelte der Kamener Systemanbieter für mobile Industrieanwendungen in den vergangenen drei Jahren ein gleichstromgespeistes System bestehend aus einem hocheffizienten Gleichrichter, der Stromschiene, intelligenten Energiespeichern zur Rekuperation sowie Sicherheitseinrichtungen. Ziel war es, die Energieeffizienz in Fertigungs- und Produktionsstraßen signifikant zu steigern und netzbedingte Produktionsstillstände zu minimieren, um so den gesamten Fertigungsprozess zu optimieren. Mit der Einbindung der intelligenten Energiespeicher und an der Strecke verteilter Pufferkondensatoren beschritten die Projektpartner im Übrigen technisches Neuland.

Die Umstellung von Wechsel- auf Gleichspannung erlaubt einerseits eine deutliche Reduzierung des eingesetzten Materials und verspricht andererseits hohe Energieeinsparungen. Im Gegensatz zu Wechselstrom fällt der Leistungsfaktor der Motoren beziehungsweise der Wechselrichter nicht ins Gewicht, sodass die Strombelastung der Leitung erheblich geringer ist. Entsprechend lässt sich der Kupferbedarf einer Stromschiene neben der Einsparung eines Pols auch durch Verringerung des Querschnitts erheblich reduzieren.

Für die Industrie ist laut Dries der Wechsel auf die DC-Technologie ein großer Schritt in Richtung CO2-neutraler Industrieproduktion. Bislang wird dort aufgrund der standardmäßig verwendeten Drei-Phasen-400-Volt-Wechselspannung für jedes Fahrzeug ein eigener Gleichrichter benötigt, der durch eine zentrale DC-Versorgung entfällt. Durch den Wegfall des Gleichrichters wird eine verlustbehaftete Komponente im Gesamtsystem 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.

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