Effizient mit Gleichstrom

Forschungsprojekt entwickelt neues Einspeisegerät

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Lemgo, 24. August 2023. Kupfer einsparen, erneuerbare Energien besser einbinden und speichern sowie Bremsenergie optimal nutzen – all das sind Vorteile, wenn Stromschienen in der Produktion mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom versorgt werden. Seit 2019 forscht das Institut für Energieforschung der Technischen Hochschule OWL (iFE) zusammen mit der TU Dortmund, der Condensator Dominit GmbH und der Paul Vahle GmbH & Co. KG deshalb daran, dies Wirklichkeit werden zu lassen. Im Rahmen des dreijährigen Förderprojekts „effiDCent – Gleichstromgespeiste Stromschienen für effiziente Energieübertragung in Fertigungsstraßen“, welches durch die Europäische Union und das Land NRW gefördert wurde, hat das iFE ein hocheffizientes Einspeisegerät für industrielle Gleichstromnetze entwickelt. Das Gerät weist einen hohen Wirkungsgrad auch im Teillastbereich und verglichen mit konventionellen Gleichrichtern wesentlich geringere Netzrückwirkungen auf.

Die Gleichstromversorgung von Stromschienen bringt im Gegensatz zur herkömmlichen Wechselstromversorgung wesentliche Vorteile mit sich. Durch die Reduzierung der Anzahl der benötigten Leiter sowie das Entfallen von Blindleistung in Gleichstromsystemen können kleinere Kupferquerschnitte gewählt werden und vor allem bei Neuinstallationen auf diese Weise große Mengen an Kupfer eingespart werden. Zudem erlauben Gleichstromsysteme eine deutlich einfachere Einbindung von erneuerbaren Energiequellen und Energiespeichern. Auch kann entstehende Bremsenergie direkt im System genutzt werden und muss nicht wie bisher üblich in Bremswiderständen verheizt werden. Hierdurch lässt sich in vielen Anwendungen die Effizienz deutlich steigern. Die geschickte Kombination von hocheffizienten Einspeisestromrichtern mit dynamischen elektrischen Energiespeichern ermöglicht außerdem eine Reduzierung kurzzeitiger Lastspitzen.

Gemeinsam mit den Projektpartnern nahm das Team um Hochschulprofessor Holger Borcherding eine 80 Meter lange Gleichstrom-Demonstrationsanlage sowie eine Wechselstrom-Referenzanlage in Betrieb. „In dieser Testanlage haben wir die Stabilität des Systems, Lichtbogenentstehung und -löschung, Netzrückwirkungen und Energieeffizienz untersucht“, so Borcherding, der als Professor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe im iFE forscht. „Mit Hilfe der Referenzanlage konnten wir eine Energieeinsparung von mehr als 10 Prozent und eine Reduzierung der Netzrückwirkungen um bis zu 40 Prozent in der Gleichstrom-gespeisten Demonstrationsanlage nachweisen. Zudem konnte der Kupferbedarf um fast 50 Prozent reduziert werden.“

Nachhaltigkeit im Fokus: Transfer-Tag zeigt Erfolge von Kooperationen

Durch die gute Zusammenarbeit im Rahmen des Projekts „effiDCent“ sind Transfertätigkeiten mit Paul Vahle GmbH & Co. KG entstanden. So stellt das iFE gemeinsam mit der Paul Vahle GmbH & Co. KG das Forschungsprojekt am 25. März 2023 auf dem ersten Transfer-Tag der Nachhaltigkeit im Lokschuppen Bielefeld vor. Die Wichtigkeit und der Nutzen einer Kooperation zwischen Hochschulen, Unternehmen und Organisationen standen an diesem Tag im Mittelpunkt. Rund 150 Teilnehmende aus verschiedenen Branchen diskutierten am Transfer-Tag in vier Sessions die nachhaltigen Geschäftsmodelle von Start-Ups, kleinen und mittelständischen Unternehmen, etablierten Großunternehmen sowie Nachhaltigkeit in Bildung und Weiterbildung und wie Hochschulen dazu beitragen können.

Mit dem gemeinsamen Forschungsprojekt „effiDCent“ konnte den Teilnehmenden der Session „Nachhaltigkeit in den Geschäftsmodellen etablierter Großunternehmen“ aufgezeigt werden, wie durch Verbundforschung zwischen Hochschulen und Industriepartner ein gegenseitiger Nutzen entsteht, sodass nachhaltige Forschungsarbeit geleistet werden kann, die Einzug in zukünftige Innovationen der beteiligten Unternehmen und gleichzeitig in die Ausbildung von Studierenden findet.

Neue Horizonte: Das Projekt “DC-Schiene”

Im Rahmen der Zusammenarbeit mit der Paul Vahle GmbH & Co. KG ist außerdem ein weiteres Forschungsvorhaben initiiert worden. Das Projekt „DC-Schiene – Hocheffiziente, ressourcenschonende DC-Stromschienensysteme in Produktion und Fertigung“ (Projektlaufzeit: 01.05.2023 – 30.04.2026) beschäftigt sich mit einem optimierten Gleichstrom-Stromschienensystem. Dieses kann inner- und außerhalb von Gebäuden zur Energieversorgung mobiler Industrieanwendungen wie Krane und alle Arten von Verfahr- und Hebetechnik eingesetzt werden. Hierbei liegt der Fokus auf der idealen Auslegung der Systemkomponenten wie Einspeisestromrichter, Energiespeicher, PV-Anlage und Wechselrichter sowie einer Schutz- und Schalttechnik mit Condition Monitoring und Predictive Maintenance Funktionen.

Am 24.05.2023 fand das offizielle Kick-Off Meeting mit den Projektpartnern Paul Vahle GmbH & Co. KG, Lenze SE, E-T-A Elektronische Apparate GmbH und KEBA Industrial Automation Germany GmbH beim Konsortialführer Vahle statt.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Vorhaben wird vom Forschungszentrum Jülich betreut und ist für die Dauer von drei Jahren angelegt. Im Rahmen des Projekts entstehen zwei Demonstratoren bei der Firma Vahle und dem iFE, in denen die Systemvorteile eines Gleichstrom-gespeisten Schienensystems aufgezeigt werden sollen. Die Demonstratoren werden dazu genutzt die optimierte Gerätetechnik sowie die neuartige Schutz- und Schalttechnik in realitätsnahen Bedingungen zu erproben. Durch die Abstimmung von Einspeise- und Speichertechnologie soll eine ideale Auslegung der Systemkomponenten erfolgen. Überdies soll gezeigt werden, dass sich in Gleichstromsystemen neben den positiven primären Effekten auch weitere Einsparungspotentiale bei Energiebedarf und Ressourcen entlang der gesamten Wertschöpfungskette ergeben.

Das Institut für Energieforschung übernimmt im Rahmen des Projekts die Entwicklung der Einspeisetechnologie für die Testanlagen und eines DC/DC-Stellers für die Anbindung von Photovoltaik-Anlagen an industrielle Gleichstromnetze. Außerdem entsteht auf dem Campus der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe ein Demonstrator, in dem vor allem die Auswirkungen von hohen Gleichströmen auf lange Stromschienen untersucht werden sollen.