Fraunhofer onderzoekt DC smart grids voor productiehallen

De meeste productie-installaties werken nog op wisselstroom. Op de lange termijn ziet het Fraunhofer Institute echter liever gelijkstroom. Het instituut heeft daarom de krachten gebundeld met 30 partners om nieuwe voedingssystemen voor de industrie te ontwikkelen.

Het idee is om alle elektrische systemen van een fabriek te koppelen aan een intelligent DC-net (gelijkstroom) om de elektrische voeding energie-efficiënter, stabieler en flexibeler te maken. Dit moet ook helpen de overgang naar een nieuwe energie-economie in de industriële sector te versnellen.

"Er zijn veel goede redenen waarom de industrie zou moeten overschakelen naar gelijkstroom", zegt onderzoeksmedewerker Timm Kuhlmann bij Fraunhofer IPA. "We zijn al omringd door DC-apparaten en aan de aanbodzijde verandert ook de situatie. En lokale, hernieuwbare energiebronnen produceren alleen maar gelijkstroom."

Het vorige project, DC-Industrie, gaf al aanleiding tot optimisme. Hier konden de partners de haalbaarheid aantonen van lokale stroomregeling voor een DC-voedingsnet in een fabriek. Bovendien bleek de overgang van AC- naar DC-spanning de efficiëntie met 5 tot 10 procent te verhogen, grotendeels omdat het met een DC-netwerk veel gemakkelijker is om gebruik te maken van regeneratief remmen, recuperatie-energie van aandrijvingen met variabele snelheid.

Er zijn vier systemen getest met DC-componenten van verschillende fabrikanten. Nu is aangetoond dat dit concept voor een groep machines werkt, is het de taak om het voor een hele productiehal te implementeren. "In het vervolgproject, DC-Industrie 2, hopen we de energie-efficiëntie nog verder te verhogen en de CO2-uitstoot te verminderen", aldus Kuhlmann. "Tegelijker willen we het systeem flexibeler maken zodat het geschikt is voor een toenemend gebruik van klimaatneutrale technologie. Het hebben van een lokaal DC-net in de fabriek maakt het gemakkelijker om eventuele fluctuaties in de stroomvoorziening te compenseren als gevolg van weergerelateerde variaties in de hoeveelheid elektriciteit die wordt opgewekt door hernieuwbare energiebronnen en daardoor steeds vaker voorkomende netschommelingen."

Bovendien zijn de meeste aandrijvingen in productiemachines motoren met variabele snelheid. Deze zijn allemaal uitgerust met frequentieomvormers, die op gelijkstroom werken. Om een elektromotor van een variabele spanning en frequentie te voorzien, moet daarom eerst de AC-voedingsspanning worden gelijkgericht. Door de frequentie-omvormer direct van gelijkstroom te voorzien, wordt deze conversiestap geëlimineerd, waardoor energieconversieverliezen worden vermeden en ook een eenvoudige recuperatie van remenergie wordt vergemakkelijkt.

Evenzo onderwerpt het rectificatieproces het AC-netwerk aan een hoge harmonische belasting, wat op zijn beurt het gebruik van uitgebreide en kostbare filtermaatregelen vereist om de normatieve spanningskwaliteit te waarborgen. Met een DC-netwerk zijn dergelijke maatregelen niet langer nodig.

Efficiënte energievoorziening

Een ander voordeel is dat de belastingverdeling tussen energieopslagsystemen, netvoeding en hernieuwbare energiebronnen lokaal wordt beheerd met de netspanning als indicator. "Je kunt dan alle elektrische systemen van de fabriek aansluiten op één DC smart grid", zegt Kuhlmann. "Dit betekent dat je de kwaliteit en beschikbaarheid van de stroomvoorziening in de eigen fabriek kunt verbeteren en daarmee de betrouwbaarheid van de productie kunt verhogen."

In het DC-Industrie 2-project zijn Kuhlmann en zijn team verantwoordelijk voor de analyse van bedrijfsvereisten, het conversieproces en netwerkbeheer. Collega-onderzoekers van Fraunhofer IISB zijn verantwoordelijk voor de apparatuur die nodig is voor de conversie naar DC. Dit omvat het leveren van DC-converters en beschermende uitrusting, het inspecteren van het netwerk op stabiliteit van kleine signalen / grote signalen en lokaal beheer van onderling verbonden transformatorsystemen.

"We zijn bezig met het opzetten van microgrid-topologieën (controleclusters) die ons in staat stellen de opslag, opwekking en consumptie van energie op lokaal fabrieksniveau in evenwicht te brengen en te coördineren", zegt Kuhlmann. ‘Deze kunnen ook automatisch worden bediend."

De nieuwe netstructuur heeft een of meer bindingen met het AC-distributienet. Dit geeft productiemachines gelijkspanning via actieve of passieve gelijkrichters. Elk elektrisch apparaat – bijvoorbeeld frequentieregelaars, verlichting en procestechnologie – wordt direct gevoed met gelijkstroom en aangesloten op een gedeeld gelijkspanningsnet dat werkt binnen een spanningsband van ± 10 procent van een nominale waarde van 650 volt . Dit maakt een directe energie-uitwisseling mogelijk tussen de verschillende aandrijvingen, die bijvoorbeeld dienen om robots en spindels van werktuigmachines te versnellen of te vertragen. Componenten als remweerstanden, die overtollige energie verbranden, zijn niet meer nodig.

"Het is de ontwikkeling van halfgeleidercomponenten die het mogelijk heeft gemaakt om deze nieuwe netwerkstructuren te creëren. Deze nieuwe stroomtoestellen hebben de hoge kosten aanzienlijk verlaagd die eerst nodig waren om DC-schakelcomponenten te dekken. "We realiseren ook een energiebesparing van 5 tot 10 procent door het gebruik van gelijkstroom."

Verdere proeven lopen al in testhallen en in Factory 56, een productiefaciliteit die wordt beheerd door projectpartner Daimler. De Daimler-fabriek is uitgerust met actieve invoerconverters (actieve bidirectionele gelijkrichters) die rechtstreeks op het net zijn aangesloten en sommige machines van de fabriek van gelijkstroom voorzien.