Gleichstromnetze können einen wesentlichen Beitrag zur klimaneutralen Produktion leisten. Gemeinsam mit seinem Partner inesco unterstützt der Maschinenbauer spritzgießverarbeitende Unternehmen dabei, dieses Potenzial zu erschließen.
Photovoltaikanlagen sind auf den Dächern von Industriebetrieben längst keine Seltenheit mehr. Die hohen Energiepreise sowie Abnahmebegrenzungen und instabile Netze in manchen Ländern und Regionen machen es lukrativ, ein Stück weit unabhängig vom Strommarkt zu sein. Zumal der Einsatz regenerativer Energien auch auf die Nachhaltigkeitsziele einzahlt. Dabei gibt es bei der effizienten Nutzung der Energien noch jede Menge unausgeschöpftes Potenzial.
Photovoltaik ist auf immer mehr Dächern von Industriebetrieben zu finden, bietet jedoch noch viel unausgeschöpftes Effizienzpotenzial. (Foto: coryr930/pixabay)
Wir schreiben das Jahr 2022 und gehen gedanklich zurück auf die K-Messe nach Düsseldorf. Die Spritzgießproduktionszelle auf dem Wittmann-Stand, auf der Elektronikkomponenten aus flammgeschütztem Polyamid produziert werden, ist mit Solarpanelen versehen. Spritzgießmaschine und Roboter werden über einen Gleichspannungszwischenkreis direkt mit Solarenergie betrieben. Diese Konzeptstudie stellte Wittmann, Kottingbrunn (Österreich), in Zusammenarbeit mit einem Kunden vor. Die beiden Entwicklungspartner meldeten die Lösung gemeinsam zum Patent an.
Nur ein Jahr später auf der Fakuma 2023 präsentierte Wittmann erneut eine über Solarenergie direkt mit Gleichstrom betriebene Produktionszelle – nicht mehr als Konzeptstudie, sondern als serienreife Technik inklusive Solarstromspeicher. Für die Industrialisierung und Vermarktung der DC-Spritzgießtechnologie hat sich Wittmann inzwischen mit einem Partner zusammengetan. Das Unternehmen, das seit Herbst 2024 unter inesco AG, Stäfa (Schweiz), firmiert, befasst sich seit mehr als zehn Jahren mit der Frage, wie sich regenerative Energien im großen Maßstab sinnvoll nutzen und effizient speichern lassen.
Wittmann präsentierte auf der Fakuma 2023 eine serienreife Technik zur direkten Nutzung von Solarenergie für Verarbeitungsmaschinen. (Foto: Wittmann)
Die Präsentation auf der Fakuma 2023 brachte den Stein ins Rollen. Das Interesse der Spritzgießindustrie an der direkten Nutzung von Solarstrom über DC-Netze ist groß. Wittmann und inesco evaluieren und bearbeiten derzeit eine Reihe konkreter Projektanfragen. Die ersten DC-fähigen Spritzgießmaschinen sind verkauft.
In der Spritzgießindustrie ist Wittmann der Pionier auf dem Gebiet der DC-Technologie. Als erster Ausrüster spritzgießverarbeitender Unternehmen bietet das Unternehmen Maschinen und Produktionszellen an, die Solarenergie aus einem Gleichstromnetz direkt nutzen können.
Versorgungssicherheit im Fokus
Solarenergie ist ebenso wie andere regenerative Energien, die zum Beispiel in Windkraft- oder Biogasanlagen erzeugt werden, Gleichstrom (DC). Die allgemeine Stromversorgung aber erfolgt über Wechselstrom (AC). Um die alternativen Energien nutzen zu können, kommen Stromwandler zum Einsatz. DC wird zum Transport und Verteilen in AC umgewandelt – und am Energieverbraucher zum Teil wieder zurück in DC gewandelt, denn viele Verbraucher arbeiten mit DC. Allen voran sind dies Frequenzumrichter zur stufenlosen Drehzahlsteuerung für elektromotorische Systeme, denn Elektromotoren haben im industriellen Umfeld einen Stromverbrauchsanteil von 70 %. Weitere Beispiele für DC-Verbraucher sind Computer, Fernseher, LED-Lampen und Elektrofahrzeuge. Sowohl in der industriellen Produktion als auch im täglichen Leben haben wir also ein ständiges Umwandeln von DC in AC und umgekehrt, und bei jeder Umwandlung geht ein Teil der Energie verloren. Pro Wandlungsstufe beträgt der Verlust 2 bis 4 %. Die Energieeffizienz der Anwendungen sinkt. Genau diese Überlegung gab den Anstoß, Gleichstrom über dezentrale DC-Netzwerke, so genannte DC-Microgrids, ohne Umwandlung in Wechselstrom direkt nutzbar zu machen.
Neben dem Einsparen von Energie und der damit verbundenen Verringerung des CO2-Fußabdrucks gibt es weitere Motivationsfaktoren, sich mit den Möglichkeiten der DC-Technologie auseinanderzusetzen. Es geht in erster Linie um die Versorgungssicherheit. Der steigende Stromverbrauch durch unter anderem Elektroautos und Wärmepumpen sowie die voranschreitende Elektrifizierung der Industrieproduktion belasten zunehmend das vorhandene Stromnetz und der Ausbau hinkt oft hinterer. Zumal die rasant steigende Einspeisung von Solarstrom die Netze zusätzlich belastet und instabiler macht. Selbst in Ländern mit einer sehr guten Stromversorgung, wie Deutschland oder Österreich, könnte es zukünftig vermehrt zu Netzausfällen oder Verbrauchsbegrenzungen kommen, fürchten Experten. Gleichstromnetze könnten hier zu einem wichtigen Baustein der Versorgungssicherheit und Klimaneutralität werden. Hierzu trägt bei, dass sich Gleichstrom gut in Batterien speichern lässt und sich teure Stromspitzen damit effizient abdecken lassen.
Ein weiteres Argument ist die größere Ressourceneffizienz beim Ausbau der Stromnetze. Drei-Leiter-Gleichstromnetze erfordern mit den heute verfügbaren Technologien deutlich weniger Kupfer als Leitermaterial als Fünf-Leiter-AC-Netze und zudem weniger elektronische Bauteile. Gleichrichter in den Geräten zum Beispiel entfallen komplett.
Solarspeicherbatterie hält Leistung konstant
Wie kann die direkte Nutzung von Solarenergie im Spritzgießbetrieb nun konkret aussehen? Die Lösung von Wittmann basiert auf drei Komponenten: Einer für die DC-Technologie modifizierten Spritzgießmaschine oder Produktionszelle, dem DConnect-Gleichstromnetz von inesco und einer Speicherbatterie sodistore max auf Basis von Natriumsalz. Sodistore max wurde gezielt für den Einsatz in Industrieunternehmen entwickelt.
Aufgabe der DC-Speicherbatterie ist es, für eine konstante Spannung zu sorgen, auch wenn unterschiedliche Verbraucher mit Energie versorgt werden und die zur Verfügung gestellte Stromleistung Schwankungen unterliegt. (Foto: inesco)
DConnect bildet quasi das Rückgrat der Gleichstromversorgung im Betrieb. Es handelt sich um ein selbstregelndes DC-Microgrid, in das sich DC-Produzenten und DC-Verbraucher einfach einbinden und miteinander verbinden lassen. DConnect kommt ohne externen Controller aus und benötigt keinen Internetanschluss. Damit ist das System vor Cyberkriminalität sicher geschützt.
Aufgabe der DC-gekoppelten Speicherbatterie solistore max ist es, für eine konstante Spannung zu sorgen, auch wenn unterschiedliche Verbraucher mit Energie versorgt werden und die zur Verfügung gestellte Stromleistung Schwankungen unterliegt. Inesco bietet die mit Natriumsalz arbeitenden Solarspeicherbatterien in unterschiedlichen Größen mit Speicherkapazitäten bis 500 kWh an. Die Natrium-Ionen-Batterien erreichen die gleiche Energiedichte und das gleiche Volumen wie herkömmliche Lithium-Batterien (LFP), können aber mit viel höheren Leistungen geladen und entladen werden. Die Natrium-Ionen-Batterie ist deutlich umweltfreundlicher und auch sicherer als herkömmliche Lithium-Batterien. Sie kommt ohne bedenkliche Materialien aus und lässt sich am Ende ihrer Nutzungsdauer vollständig recyceln. Sie benötigt zudem keine Klimatisierung und kann sowohl innen bei höheren Temperaturen bis 55 °C als auch außen bei niedrigen Temperaturen bis -20 °C betrieben werden.
Das DC-Microgrid ermöglicht die einfache Einbindung von DC-Produzenten und DC-Verbrauchern. Durch die Reduktion von Wandlungsverlusten steigt die Energieeffizienz. (Abb.: inesco)
Zur Einbindung in das DConnect Microgrid bietet Wittmann in einem ersten Schritt Spritzgießmaschinen der EcoPower-Baureihe sowie Linearroboter vom Typ WX in DC-Ausführung an. Kontinuierlich werden weitere Maschinenmodelle und Peripheriegeräte für die Einbindung in Gleichstromnetze entwickelt. Neu stellte Wittmann auf seinen Competence Days im Juni 2024 beispielsweise DC-Temperiergeräte vor. Um diese sicher betreiben zu können, musste auch die Verbindungstechnik angepasst werden. Gezielt für diese Anwendung wurde von der Harting-Technologiegruppe ein Prototyp für einen elektrisch verriegelbaren Steckverbinder entwickelt. Im Betrieb schützt dieser sowohl die Anlage als auch die Mitarbeiter vor unbeabsichtigtem Ziehen und den damit verbundenen Lichtbögen. Durch die integrierte Signalanzeige ist jederzeit ersichtlich, ob am Steckverbinder Spannung anliegt oder nicht.
Die vollelektrischen EcoPower-Maschinen, die mit hochdynamischen Servomotoren zum Antrieb der Hauptbewegungen ausgerüstet sind, eignen sich besonders für den Einsatz im DC-Netz. Sie sind mit dem KERS (Kinetic Energy Recovery System) ausgestattet, das bei Bremsvorgängen Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Im klassischen AC-Betrieb lässt sich diese Strommenge nur innerhalb der Maschine, zum Beispiel für die Zylinderheizung, nutzen. Integriert in ein DC-Netz, kann die zurückgewonnene Energie auch ins DC-Netz zurückgespeist werden, um sie auch anderen Abnehmern zur Verfügung zu stellen oder in der Batterie zu speichern.
Auch der Wittmann-Roboter in DC-Ausführung, der direkt über den Gleichspannungszwischenkreis der EcoPower Maschine versorgt wird, speist beim Abbremsen überschüssige Energie zurück in den Zwischenkreis.
Die auf den zuletzt stattgefundenen Messen präsentierte Produktionszelle mit einer EcoPower B8X 180/750+ Spritzgießmaschine produzierte mit der installierten Salzspeicherkapazität von 45 kWh über den gesamten Messetag von acht Stunden unterbrechungsfrei, ohne dass zwischendurch auf das AC-Netz umgeschaltet werden musste.
Energiebedarf um bis zu 15 % reduziert
Die ersten Praxistests zeigen, dass allein durch die Reduktion von Wandlungsverlusten der Energiebedarf einer direkt mit DC versorgten Produktionszelle um bis zu 15 % sinkt. Dabei geht es bei allen Überlegungen zur Etablierung von DC-Netzen nicht um ein Entweder-Oder. Vielmehr werden sich Gleichstromnetze in immer mehr Bereichen parallel zur bestehenden Versorgung mit Wechselstrom etablieren. Sollte zum Beispiel an trüben Tagen mit weniger Sonneneinstrahlung der Batteriespeicher irgendwann erschöpft sein, schaltet das von Wittmann gemeinsam mit inesco entwickelte System automatisch auf AC-Versorgung um. Der Übergang ist in der Produktion nicht zu spüren, die Maschine wird kontinuierlich mit konstanter Leistung versorgt.
Das Angebot an DC-fähigen Maschinen und Anlagen wächst. Auf seinen Competence Days im Juni 2024 stellte Wittmann ein neues DC-Temperiergerät vor. (Foto: Wittmann)
Auch auf lange Sicht ist es wahrscheinlich, dass AC- und DC-Netze parallel existieren werden. Dies bietet den Vorteil, dass für jede Anwendung individuell entschieden werden kann, welche Stromversorgung die größte Gesamteffizienz bietet.
Technische Herausforderungen sind gelöst
Wie schnell wird sich DC in der spritzgießverarbeitenden Industrie etablieren? Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, hängt sie doch von vielen Faktoren ab. Zunächst geht es darum, die Möglichkeiten und Vorteile der DC-Technologie breiter zu kommunizieren, noch mehr Referenzanwendungen zu finden und Erfahrungen branchenübergreifend intensiver auszutauschen.
Die technischen Herausforderungen jedenfalls sind gelöst. Es sind industrietaugliche Lösungen, Komponenten und Schutzmechanismen verfügbar. Was es darüber hinaus aber vor allem braucht, ist ein Mindchange. Die DC-Technologien muss in den Köpfen von Werksplanern, Architekten, Elektrikern und Energieberatern ankommen, um bei Neuinvestitionen von Beginn an evaluiert werden zu können.
Gefordert sind außerdem die Politik und die Branchenverbände. Angesichts der zentralen Bedeutung regenerativer Energien für die Energiewende, startete die deutsche Bundesregierung bereits 2016 ein erstes Verbundforschungsprojekt, aus dem 2022 die Arbeitsgemeinschaft Open DC Alliance (ODCA) im Verband der Elektro- und Digitalindustrie (ZVEI) hervorging. Viele namhafte, global agierende Unternehmen haben sich der ODCA angeschlossen, darunter auch inesco.
Zur sicheren Anbindung von Temperiergeräten entwickelte die Harting Technologiegruppe einen neuen Steckverbinder mit elektrischer Verriegelung und Statusanzeige. Grün bedeutet, das Temperiergerät kann von der Maschine gelöst werden. Rot bedeutet, die Steckverbindung kann aktuell nicht getrennt werden. (Foto: Harting)
ROI unter Umständen schon in wenigen Sekunden
Bestehende Photovoltaikanlagen lassen sich für die direkte Nutzung der DC-Energie zwar umrüsten, der Austausch sämtlicher Wechselrichter durch DC-DC-Wandler ist jedoch mit einem sehr großen Aufwand verbunden. Am schnellsten rechnet sich der Aufbau und Betrieb eines DC-Microgrids bei der Installation einer neuen DC-gekoppelten Photovoltaik-Anlage. So lässt sich das Energie- und Lastenmanagement von Beginn an passend auslegen.
Zu empfehlen ist außerdem, nicht allein die Spritzgießproduktionszellen, sondern auch die Peripherie und Teile der Infrastruktur, wie die Druckluftversorgung, die Beleuchtung und Klimatisierung, ins DC-Netz zu integrieren.
Den größten Einfluss auf den ROI nimmt jedoch die Stabilität der Stromversorgung am jeweiligen Standort. Kommt es regelmäßig zu Unterbrechungen der Stromversorgung und gibt es Begrenzungen der zur Verfügung gestellten Leistung, rechnet sich ein DC-Microgrid mit DC-gekoppeltem Batteriespeicher besonders schnell. Bei sehr kritischen Bauteilen kann sich die Investition in eine Energieversorgung mit Gleichstrom schon bei einem Blackout von wenigen Sekunden amortisieren.
Autoren: Mario Bruckner (Area Sales Manager, Wittmann Battenfeld GmbH) und Max Ursin (Leiter Entwicklung und Projekte, inesco AG)
