DC-Industrie ist das Akronym für ein Projekt, das seine strategischen Wurzeln im ZVEI-Fachbereich elektrische Antriebe hat und sich – gefördert  durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – binnen kurzer Zeit zu einem Leuchtturm entwickelte. Ziel ist es, die industrielle Produktion branchenübergreifend energieeffizienter sowie flexibler zu gestalten. Daran arbeiten seit Mitte 2016 in vorwett-bewerblicher Zusammenarbeit die insgesamt 15 Verbundpartner (Siemens als Konsortialführer, Bauer Gear Motor, Baumüller, Bosch Rexroth, Daimler, Danfoss, Eaton, KHS, Lenze, LTI Motion, Weidmüller, Fraunhofer IISB, Fraunhofer IPA, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Universität Stuttgart) gemeinsam mit den assoziierten Partnern (ABB Stotz-Kontakt, E-T-A Elektronische Apparate, Harting, Homag Group, Jean Müller Elektrotechnische Fabrik, Leoni Special Cables, Phoenix Contact, SEW-PowerSystems, U.I. Lapp, Yaskawa) sowie dem ZVEI.

Bei Antrieben ist allerdings der Drehstrommotor effizienter, haltbarer und kostengünstiger als ein Gleichstrommotor. Drehstrom ist dabei jedoch nur noch für Netzmotoren erforderlich, die nicht in der Drehzahl geregelt werden müssen. Alle anderen lassen sich über Frequenzumrichter betreiben, die mit einem Gleichrichter zuerst eine Zwischenkreis-Gleichspannung erzeugen, bevor mit einem Wechselrichter daraus die variable Spannung für den Drehstrommotor erzeugt wird. Mit anderen Worten: Im Grunde haben Frequenzumrichter bereits ein internes DC-Netz!

Je nach Art der Einspeisung definiert DC-Industrie zwei Spannungsbänder: • 650 V: Passend zu geregelter Einspeisung und ungeregelter am 480-V(AC)-Netz (linkes Band) • 540 V: Passend zu ungeregelter Einspeisung am 400-V(AC)-Netz (rechtes Band).

© DC-Industrie

Die Idee von DC-Industrie ist es nun, das DC-Netz auf alle Verbraucher eines Schaltschrankes, einer Maschine, einer Produktionszelle oder einer ganzen Produktionshalle auszuweiten. Wenn die DC-Spannung sich an den größten Lasten – sprich den in Produktionen dominanten 3x400/480-V-Umrichtern – orientiert, ergeben sich folgende Vorteile:

• Energie kann direkt und ohne zwischengeschaltete Wandler zwischen Erzeugern und Verbrauchern ausgetauscht werden. Dieses ist bei AC-Geräten meist nicht möglich. Zusätzlich gestaltet sich die Lastflussregelung einfacher.
• Der Installationsaufwand sinkt, da neben dem Schutzleiter lediglich zwei stromführende Leiter erforderlich sind statt der im Vergleich zu Drehstrom benötigten drei stromführenden Leiter. Weiterhin entfallen der induktive Spannungsabfall und die Blindleistung. Nutzt man das Isolationsvermögen bisheriger AC-Komponenten mit 3x400/480 V für DC aus, ist eine Einsparung von 40 % oder mehr Kupfer möglich. 
• Die Einbindung von Speichern und solarer Energie-Erzeugung ist einfacher. Man benötigt lediglich einen DC/DC-Steller statt eines wesentlich aufwendigeren Wechselrichters. Dies spart nicht nur Kosten, auch die Dynamik und der Wirkungsgrad sind höher. 
• Bei Ausfall des AC-Netzes kann das DC-Netz autark weiterlaufen, sofern ausreichend Speicher und sonstige Erzeuger vorhanden sind. Damit erhöht sich die Verfügbarkeit.
• Die Umrichter werden einfacher, kleiner und effizienter. Sie bestehen lediglich aus dem sowieso vorhandenen motorseitigen Wechselrichter und zugeordneten Filtern für Schaltfunktion und EMV. Der Umrichter-betriebene Drehstrommotor ändert sich nicht. Ein DC/AC-Umrichter lässt sich viel leichter und kostengünstiger an oder in Motoren integrieren, wodurch ein Schub für die dezentrale Antriebstechnik erwartet wird.

Die Ziele von DC-Industrie

Um die Vorteile des Projektes schnell umsetzen zu können, ist es besonders wichtig, dass viele Hersteller möglichst bald Komponenten für dieses DC-Netz am Markt etablieren können. Daher drückt der Untertitel des Projekts „Intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie für hocheffiziente Systemlösungen mit elektrischen Antrieben“ die wesentlichen Ziele aus: 

Intelligent: Die oben genannten Eigenschaften sind prädestiniert, um ein DC-basiertes ‚Smart Grid‘ zu realisieren, das sich flexibel an Bedarfs- und Netzsituationen anpassen kann. Die grundsätzlichen Funktionen für smarte DC-Netze sollen im Projekt bereitgestellt werden.

Offenheit: Die Systemgrenzen verschieben sich vom AC- zum DC-Netz. Somit müssen offene, aber eindeutige Regeln für die Auslegung, Entwicklung und den Betrieb der Geräte, Komponenten und Steuerungen des DC-Netzes gelten. Die Brauchbarkeit der Regeln ist im Projekt nachzuweisen. Daher war es besonders wichtig, viele Anbieter von Komponenten und Geräten in das Projekt zu integrieren.

Industrie: Es geht im Projekt um industrielle Anwendungen, nicht um Wohnbereiche oder Rechenzentren. 

Hocheffizient: Die Energie-Einsparung ist ein Hauptziel. Je nach Anwendung und Ausbau der obigen Eigenschaften sind mehr als 15 % angestrebt.

Elektrische Antriebe: Sie stehen im Fokus – daher sind die Regeln so zu wählen, dass aktuelle AC-Umrichter mit geringen Änderungen adaptierbar sind, um möglichst viel Vorhandenes zu nutzen.

Daneben gab es einige gravierende Herausforderungen, denen sich die Projektpartner zu stellen hatten:

• Das DC-Netz ist kapazitiv und sehr dynamisch, insbesondere bei Fehlerfällen. Daher lag ein Fokus auf dem Bau und dem Test von schnellen DC-Schaltern, die Selektivität ermöglichen. 
• Für die EMV gibt es keine festgelegten DC-Grenzwerte, die genormt und damit belastbar sind. Das Projekt macht hier sinnvolle Vorschläge, die sich an den aktuellen Normen für AC und der Photovoltaik orientieren. 
• Bei AC-Netzen gibt es keine Vorzugs-Netzstrukturen. In der Praxis sind gewachsene Strukturen die Regel, mit allen negativen Konsequenzen. Für DC-Industrie ist vor diesem Hintergrund eine Netzstruktur entstanden, die Planung und Entwicklung vereinfacht sowie harmonisierte Strukturkomponenten fördert.

Das Konsortium hat sich bereits auf eine Systemspezifikation geeinigt, die die technischen Regeln für DC-Industriekonforme Netze beschreibt und die wesentlichen Eigenschaften der dort eingesetzten Geräte und Strukturkomponenten (Antriebswechselrichter, Gleichrichter, Active Frontend-Converter, Schaltelemente, Steckverbinder, Leitungen, Hilfsspannungsversorgungen, DC/DC-Steller, Batteriespeicher) festlegt. Darüber hinaus wurde eine Management-Spezifikation für entsprechende Netze erarbeitet, die Stabilität und Regelbarkeit in vier Ausbau-Stufen zum Inhalt hat. Damit stellt DC-Industrie ein umfassendes herstellerübergreifendes System für die industrielle Stromversorgung in der Produktion bereit, das zukunftssicher konzipiert ist und auf Basis aktueller Technologie bereitgestellt werden kann.

Wie geht es weiter?

Nach der Systemspezifikation haben die Komponentenhersteller und Forschungseinrichtungen mittlerweile mehr als 100 verschiedene Geräte und Strukturkomponenten nach einem Masterplan entwickelt, aufgebaut und für die bisher realisierten Modellanwendungen geliefert. Letztere bilden vier Anwendungsfälle ab – von einer Einzelmaschine über Logistikprozesse bis zu einer Fertigungszelle – und wurden von Anwendern aus der Automobilfertigung, dem Maschinenbau und der Getränketechnik konzipiert, aufgebaut sowie für die Evaluation der Systemspezifikation zur Verfügung gestellt. 

Seit Anfang des Jahres läuft die letzte Phase der Evaluationsmessungen. Bis zum Projektende im Sommer 2019 werden die Auswertungen vorliegen. Gefördert wird das Verbundforschungsprojekt DC-Industrie (Förderkennzeichen 03ET7558A bis N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI), betreut wird es vom Projektträger Jülich (PTJ). Ein Nachfolgeprojekt ist bereits in Vorbereitung, das die Themen von DC-Industrie weiter vorantreibt und ausbaut.

Autor: 
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding ist Professor an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo,  wissenschaftlicher Leiter von DC-Industrie und einer der Initiatoren der Projekt-Idee. 

Im Rahmen einer mehrteiligen Artikelserie vertieft Computer&AUTOMATION in den kommenden Ausgaben einzelne Technologien, die für die Umsetzung von DC-Industrie essenziell sind:

• Antriebstechnik/Energieverteilung
• Schutz- und Schalttechnik/Lastzonenkonzept
• Planungs- und Auslegungstools/Energiemanagement