vertreten durch Heinz Arnold, Markt&Technik

Ein Praxisbericht von Mercedes-Benz – dieser Vortrag behandelt DC-basierte Energieverteilungssysteme in der Produktion und ihren Übergang von Forschung und Entwicklung zur Standardisierung und Industrialisierung.

Hintergrund: Auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Produktion gewinnt die Energieeffizienzsteigerung an Bedeutung. Dabei werden auch Technologien, die seit über Jahrzenten etabliert sind, hinterfragt. Der Einsatz eines Gleichstromnetzes in Fabriken ermöglicht eine Optimierung der Energienutzung und trägt zur Energieeffizienz bei.

Inhalte des Vortrags:
• Wie DC-Technologie zukünftige Produktionssysteme beeinflusst.
• Ein Übergangsszenario für eine DC-basierten Produktion
• Technische Anpassungen an Maschinen und Anlagen für den Betrieb mit Gleichstrom.
• Aktives Energiemanagement & Netzdienlichkeit: Sicherheit, Versorgung und Netzform.

o  Motivation für DC – warum machen wir das?
o  Wo gibt es schon DC?
o  Welche Vorteile bietet DC?
o  Anwendungen
o  Ausblick: Open DC Alliance ODCA

Die effiziente Energieversorgung ist ein wesentlicher Schlüsselfaktor in modernen Produktions- und Versorgungsnetzen. Die Debatte um den Einsatz von Wechselstrom (AC) versus Gleichstrom (DC) wird zunehmend wichtiger, insbesondere im Kontext der Integration erneuerbarer Energiequellen und moderner Energiespeichersysteme.

Innerhalb dieses Vortrags beleuchten wir die Vorteile von DC-Netzen in industriellen Anwendungen und die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Implementierung.

Die gewonnen Erfahrungswerte bei der Umsetzung der weltweit ersten DC-betriebenen Produktionsstätte, der NExT Factory der Schaltbau GmbH in Velden, dienen hierbei als Grundlage, um die Komplexität und Herausforderungen von DC-Netzen zu verstehen.

Wesentliche Kernpunkte sind das Energiemanagement und der Schutz angeschlossener Geräte in den einzelnen Sektoren des DC-Netzes. Ein zentraler Aspekt ist die Integration von erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaikanlagen (PV), Batterien, Prüfeinrichtungen, Lagersystemen, Beleuchtungssystemen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Dies führt zu der übergeordneten Fragestellung: Welche Möglichkeiten zur Etablierung einer Lastregelung in derart komplexen Netzen gibt es? Wie gewinnt man Daten für diese Lastregelung? Was braucht es, um das eigene DC-Netz optimal abzusichern?

Zur Beantwortung der jeweiligen Fragestellungen, beziehen wir uns auf die Erkenntnisse und umgesetzten Lösungen innerhalb der Schaltbau NExT Factory. Dies soll als Inspiration für den Aufbau weiterer DC-Produktionsstätten dienen.

Gegenwärtig steht die Industrie vor der Herausforderung sich im Rahmen der Energiewende anzupassen und den internationalen Standards der individualisierten und automatisierten Prozesse zu entsprechen. In der modernen Produktionstechnik werden fast ausschließlich Geräte zur Automatisierung und zum Stromrichten eingesetzt, die auf Gleichstromtechnik basieren. Damit können asynchrone Drehstrommotoren, die die am häufigsten eingesetzten Verbraucher sind, flexibel verschiedene Produktionsprozesse erfüllen. Folglich steigt die Anzahl an Verbraucher, deren Wirkmechanismus auf Gleichstrom basieren, kontinuierlich an. Zur Kompensation der strukturellen Schwächen von AC-Netzen wurde das DC Systemkonzept für industrielle DC-Netze entwickelt und validiert.
Für DC-Microgrids wurden bei Weidmüller Lösungen für industrielle Anwendungen weiterentwickelt. Planer, Anwender und Betreiber werden bei der Planung, dem Monitoring und der Koordination von DC-Hauptenergie und DC-Hilfsenergie unterstützt. Diese Unterstützung erfolgt durch die anwendungsorientierte Konditionierung mit "DC ready"-Lösungen.
Wir haben eigenständig ein DC-Netz geplant, mit internen Fachabteilungen sowie der Ausbildung durchdacht und mit engagierten Partnern weiterentwickelt und umgesetzt.
Bei der Errichtung des eigenen DC-Microgrids in der mechatronischen Ausbildungswerkstatt wurden in den Teilschritten wichtige Erkenntnisse erfasst:
- Energetische Analyse der produzierenden Maschinen
- Betriebsverhalten und Gleichzeitigkeitsbetrachtung
- Einspeiseleistungsbedarfe, regenerative Quellen- und Speicherauslegung
- DC-Sektorenaufteilung und Schutzkonzepterstellung
- Integration von umgerüsteten Maschinen
- Training, Planung, Aufbau und Abnahme des DC-Netzes
Aktuell gibt es nur rudimentäre Konzepte zum Aufbau und der Umrüstung von AC auf DC , sowohl für DC-Netze als auch der Maschinenparks, wir haben das DC Systemkonzept erfolgreich angewendet, Potentiale gehoben und neue entdeckt.

Die Integration von Gleichstrom (DC) in industrielle Systeme steht im Mittelpunkt dieses Vortrags, der die technologischen Fortschritte, Vorteile und Herausforderungen umfassend beleuchtet. Anhand konkreter Anwendungsbeispiele aus dem Projekt DC-INDUSTRIE werden die aktuellen Herausforderungen wie Innovationslücken und die begrenzte Verfügbarkeit von Geräten angesprochen.

Ein weiteres Beispiel eines DC-Netzes bietet die Industrieplattform des Projekts WAVE-H2, die nicht nur die Integration von Wasserstoff- und sektorkoppelnden Geräten enthält, sondern auch Herausforderungen im Bereich des Energiemanagements aufzeigt. Durch dynamisches Energiemanagement kann das volle Potenzial von Gleichstrom erschlossen werden, jedoch existieren keine Standardlösungen.

Erdung, Energiemanagement, Erfahrungen aus der Industrie, Erkenntnisse aus Umfragen der Universität Stuttgart und mehr – Dieser Vortrag des Fraunhofer IPA beleuchtet die Vielfältigkeit der DC-Integration in industrielle Systeme und bietet einen umfassenden Ausblick auf die Zukunft dieser bahnbrechenden Technologie.

Im Einklang mit unserer Dekaden-Strategie 'Empowering the All Electric Society' beschäftigen wir uns bei Phoenix Contact intensiv mit Gleichstromnetzen als Schlüsseltechnologie der AES, um nachhaltige Einspeisung, Speicherung und Verteilung von Energie zu ermöglichen. Für den Einsatz von Gleichstrom in industriellen Anwendungen arbeiten wir an Innovationen, die die neuen Anforderungen an Gleichstromkomponenten erfüllen. In diesem Vortrag werden wir zwei Neuheiten für DC-Microgrids vorstellen: den CONTACTRON ELR HDC, einen DC-Leistungsschalter und den ArcZero, einen DC-Steckverbinder mit aktiver Lichtbogenlöschung für industrielle Gleichstromnetze.
Mit dem CONTACTRON ELR HDC präsentieren wir ein DC-Schaltgerät, das mit seiner innovativen Hybrid-Technologie Maßstäbe bei Zuverlässigkeit, Funktionsumfang sowie kompakter Bauweise setzt. Neben einer Vorladefunktion für kapazitätsbehaftete Lasten und dem lichtbogenfreien Schalten bis 55 A bietet der ELR HDC Überwachungs- und Abschaltfunktionen für Spannung und Strom sowie eine Kommunikationsschnittstelle zur Einbindung in Netzwerke. Während seiner ersten Erprobungen bei Kunden der Automobilindustrie bewies der CONTACTRON ELR HDC seine Zuverlässigkeit und überzeugte weiterhin mit seiner kompakten Baugröße.
Der DC-Steckverbinder mit ArcZero-Technologie von Phoenix Contact schützt den Bedienenden sicher und zuverlässig vor gefährlichen Lichtbögen. Er ist der einzige Stecker seiner Art, der den Gleichstromlichtbogen aktiv löscht. Er arbeitet nicht passiv z. B. mit Opferkontakten, sondern mit einer aktiven intelligenten elektronischen Steuerung, was die Sicherheit für Anwendende auch über eine hohe Anzahl Steckzyklen garantiert. Durch diesen technologischen Ansatz ist das häufige und sichere Stecken und Ziehen unter Last in Gleichstromnetzen möglich geworden. Mit Schutzarten bis IP69, einer hohen Schlagfestigkeit bis IK08 und einer langfristigen Outdoor-Eignung spielt der Steckverbinder seine Stärken in vielen Einsatzbereichen aus, egal ob drinnen oder draußen.

Auf dem Podium diskutieren die Experten, welche Komponenten es bereits gibt, woran noch entwickelt werden muss und welche Hürden nichttechnischer Art zudem zu überwinden sind, um DC-Netze möglichst schnell in die industrielle Produktion zu bringen.

Moderiert wird die Podiumsdiskussion von Heinz Arnold, Redaktion Markt&Technik.
Freuen Sie sich auf folgende Diskutanten:
- Dr. Davis Meike, Mercedes-Benz
- Dominik Maihöfner, ODCA
- Christoph Steinherr, KUKA
- Birthe Bittner, Zumtobel
- Christian Hoyer, Schaltbau

Gleichstromnetze in der Intralogistik haben im Vergleich zu Gleichstromnetzen, wie sie aus dem Gebäude- und Fabrikbereich bekannt sind, in der Regel eine geringere Leistung. Üblich sind Leistungen von 15 kW bis zu mehreren 100 kW. Die Anzahl der angeschlossenen Verbraucher ist jedoch deutlich höher. Bisher werden diese Verbraucher, wie z.B. Rollenantriebe, Hebebühnen, Weichen, Leuchten, Steuerungen, Sicherheitskreise mit einzelnen Netzgeräten versorgt. Jedes davon besitzt einen eigenen Gleichrichter, EMV-Filter, Pufferkondensatoren zur Überbrückung kurzer Netzspannungseinbrüche sowie den eigentlichen Leistungswandler, der die 24V bzw. 48V Verbraucherspannung zur Verfügung stellt. In solchen Systemen sind schnell mehrere hundert Netzgeräte verbaut.
Daher liegt der Ansatz nahe, die Stromversorgungsarchitektur aufzuteilen in ein zentrales Frontend-Gerät, das die Schnittstelle zur Netzversorgung herstellt, und viele kleinere Vor-Ort-DC-DC-Wandler zur Versorgung der eigentlichen Verbraucher.
Solche Konzepte bieten Vorteile in Funktionalität, Kosten, Zuverlässigkeit und reduzieren die Komplexität.
Das klingt auf den ersten Blick sehr einfach, aber es gibt einige Herausforderungen zu meistern. Was ist die optimale Spannung für ein DC-Netz? Wie erfolgt die Verkabelung und der Anschluss der Teilnehmer an dieses Netz? Welches Sicherheitskonzept wählt man? Verzichtet man auf eine galvanische Trennung? Wo und wie oft wird in einem DC-Netz Spannung eingespeist? Wie geht man mit rückgespeister Energie von bremsenden Antrieben um? Und vieles mehr.
Eine besondere Herausforderung ist die Erkennung von seriellen Lichtbögen. Hier lauern in Gleichstromkreisen deutlich größere Gefahren als in Wechselstromnetzen und die Fehlerhäufigkeit ist durch die weit verzweigten Verbraucher und die vielen Steckverbindungen deutlich höher.
Auch wenn es noch nicht für alle Herausforderungen ideale Lösungen gibt, zeigt der Vortrag die damit verbundenen Stolpersteine auf.

Seit gut drei Jahre verfolgen wir die Entwicklung einer effizienten und kostengünstigen Energieversorgung für Industriebetriebe, Verwaltungsgebäude und Privathäuser in Gleichstrom-Technik, die eine eigenständige Nutzung von Photovoltaikanlagen sowie auch die einfache Integration weiterer erneuerbaren Energiequellen ermöglicht.
PLUTOS© bietet mit seinem batteriegestützten Gleichstromnetz, seinem intelligenten, vorausschauenden Energiemanagementsystem sowie dem Einsatz von angepassten Gleichstromwandlern zur effektiven Kopplung aller Komponenten, die Einführung eines eigenen DC-Mikronetzes, über das die wichtigsten Verbraucher direkt mit Gleichstrom betrieben werden. Dieses DC-Mikronetz substituiert somit das heutige AC-Gebäudenetz.
Eine Kopplung mit dem heutigen AC-Niederspannungsnetz verhindert vereinzelte Engpässe, falls die eigenen Ressourcen z.B. bei außerordentlichen Stromspitzen während einer Dunkelflaute kurzzeitig nicht ausreichen. Darüber lässt sich dann aber auch bei vollgeladenen Batterien überschüssige Energie wie gehabt in das Versorgungsnetz zurückspeisen.
Zudem ist PLUTOS© mit seinem hohen Wirkungsgrad und den günstigen Energiekosten für industrielle Betriebe besonders gut geeignet. Dabei kann die Energieverteilung so gesteuert werden, dass eventuell auftretende, dynamische Leistungsspitzen von der Batterie gespeist und geglättet werden und somit kaum noch Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz haben.
Der Vortrag geht auf die Vorteile dieser DC-Versorgung im Mikronetz ein, die auch wegen ihrer redundanten Struktur insbesondere für Industriebetriebe große Vorteile bietet, da in Zukunft verstärkt Überlastungen des AC-Versorgungsnetzes bis hin zu Ausfällen zu erwarten sind.
Abschließend werden die Möglichkeiten zur übergreifenden Kopplung einzelner DC-Mikronetze zu einem Energieverbund und den sich daraus ergebenden enormen Vorteile für ein übergeordnetes, intelligentes Energiemanagement aufgezeigt.

Im Zuge des geförderten Forschungsprojektes DC-INDUSTRIE2 hat KUKA neben der Entwicklung eines DC-fähigen Robotercontrollers auch eine gesamte Demoanlage bestehend aus vier Robotern incl. Punktschweißwerkzeugen von Wechselstrom auf Gleichstromtechnik umgerüstet. Durch diese Umrüstung konnten zahlreiche Potentiale der Gleichstromtechnik durch Messergebnisse belegt werden. Neben der gesteigerten Energieeffizienz durch die Rekuperationsenergie der Roboter konnten weiterhin die Potentiale der Lastspitzenreduktion durch den integrierten Kondensatorspeicher messtechnisch erfasst werden. Auch die kurzzeitige Überbrückung der Leistung bei Stromausfällen wurde erfolgreich getestet. Bestandteil des Vortrags sind ebenfalls die einzelnen Schritte zur Umstellung auf Gleichstromtechnik sowie das Fazit und den Ausblick auf die Zukunft der industriellen Energieversorgung.

Im Forschungsprojekt Smart-E-Factory stehen Energieeffizienz /- Transparenz und KI gestützte Optimierungen im Vordergrund. Das Reallabor SmartFactoryOWL, betrieben vom Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, bietet Unternehmen und Forschungseinrichtungen umfangreiche Möglichkeiten und Dienstleistungen für die Gestaltung der Fabrik der Zukunft. Im Zuge des Projekts hat auch das Thema DC einen hohen Stellenwert. Dazu werden verschieden Aspekte der bestehenden SmartFactoryOWL umgerüstet um DC ,wie viele andere Themen auch, einem breiten Publikum zu präsentieren.
Zu den Umbauten zählen Beleuchtung, Teilumrüstungen einer Spritzgussmaschine, Ersatz durch DC-Roboter, Einbindung von Druckluft, Klimatechnik und vorhandener DC-Demonstratoren. Außerdem gehören zum effizienten betreiben und erweitern der bisherigen Halle auch das direkte einbinden von PV, Speichertechnologie und EV-Ladeinfrastruktur um eine flexibles DC-Netz nachzurüsten das seine Vorteile ausspielen kann.
Erfahrungen aus den Umbauten, Planungen und Problemen werden ebenfalls vorgestellt.

Der Klimawandel und die Energiewende stellt die Industrie vor eine große Herausforderung. Um das Maximum an Energieeffizienz für die gesamte Produktion herauszuholen muss sektorübergreifend gedacht werden. Die direkte Nutzung erneuerbarer Energien ohne Wandlungsverluste und ein intelligentes Energiemanagement zwischen den verschiedenen Verbrauchern in einer Produktion ist die Lösung – realisiert durch die Nutzung von Gleichstrom. Auch die Beleuchtung, als einer der Energieverbraucher in der Produktion lässt sich über Gleichstrom betreiben. Auch wenn die Beleuchtung in der Industrie meistens einen geringeren Anteil am Energieverbrauch trägt, ist dennoch die Fläche und Zeit für die Beleuchtung notwendig ist ein relevanter Faktor und eine Einsparung bedeutet sofortige Kostenersparnisse. Um das Maximum an Energieeffizienz herauszuholen und kompatibel zu sein zu anderen Partnern der Gebäudeinfrastruktur, folgt die Beleuchtungslösung die vorgestellt wird, konsequent der Spezifikationen der DC Industrie / DC Industrie 2 und der ODCA. Erste Installationen, die im Rahmen des Vortrages präsentiert werden, zeigen die Vorteile der Integration von Beleuchtung ins DC Netz. Auch die Wirtschaftlichkeit wurde zusammen mit dem Fraunhofer Institut IPA in verschiedenen Szenarien an einem realistischen Beispiel betrachtet.

Für ein energetisch und wirtschaftlich sinnvolles DC-Netz müssen möglichst alle am industriellen Prozess beteiligten Energie-Quellen, -Speicher und -Verbraucher daran angebunden werden.
Da sich die elektrischen Anforderungen der oben genannten Komponenten zum Teil stark voneinander unterscheiden, ist die Verfügbarkeit verbraucherspezifischer Leistungselektronik ein zentraler Aspekt der Realisierbarkeit eines DC-Grids.
In diesem Vortrag befasst sich Herr Mitterreiter mit den dadurch erforderlich werdenden Funktionalitäten und Topologien von DCDC-Wandlern, um das Potential der verschiedenen Applikationen innerhalb eines DC-Grids voll ausschöpfen zu können.