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Energiewende in der Automobilfabrik

05.10.2018

Im EU-Forschungsprojekt AREUS (Automation and Robotics for EUropean Sustainable manufacturing) haben 13 Partner aus Industrie und Wissenschaft eine zukünftige Energieplattform für Produktionsanlagen in der Automobilindustrie erprobt. Ziel der Branche ist es, die Energieeffizienz zu steigern und die Nachhaltigkeit durch den Einsatz von regenerativen Energien in Verbindung mit modernen Energiespeichern sicherzustellen. Darüber hinaus galt es, den Ressourcenbedarf bei der Installationstechnik und die elektromagnetische Verträglichkeit der Produktionsanlage zu optimieren.

"Achtung Probelauf." Das Schild warnt prophylaktisch, denn gerade steht alles still. Hinter dem Sicherheitszaun recken vier Roboter starr ihre Hälse in die Luft, die Greifer halten die Karosserieteile so, als wären sie in ihrer Bewegung eingefroren. Doch schon bald werden die Maschinen ihren Betrieb wieder aufnehmen, werden schweißen, kleben, nieten und die fertigen Türscharniere für den Mercedes-Benz CLS in Ladungsträgern ablegen.

In der TECFabrik, dem Innovations- und Entwicklungszentrum für Produktionstechnik in Sindelfingen, entwickelt Daimler neue Produktionsprozesse und testet sie unter realen Bedingungen. Der Ansatz des Projektes war, eine Wechselstromtopologie auf eine Gleichstromtopologie, das sogenannte Industrial Smart DC Grid, zu heben. Das Layout der AREUS-Anlage basiert auf einer realen Produktionszelle aus der Karosseriefertigung, wurde aber um die notwendigen Technologien einer Gleichstromarchitektur angepasst und mit modifizierten Aggregaten und Gerätschaften zum Anschluss an die Gleichspannung ausgestattet.

Die Zukunft braucht Gleichstrom

Mit der Kopie einer echten Produktionseinheit will Daimler im Kleinen untersuchen, wie sich Produktionsprozesse energieeffizienter gestalten und Energien aus erneuerbaren Quellen einfach integrieren lassen. Das Ausgangsproblem kennt jeder von zuhause: Aus der Steckdose kommt Wechselstrom, sämtliche elektronischen Geräte benötigen aber Gleichstrom - wofür im Haushalt mittlerweile dutzende Steckernetzteile zuständig sind, die zum Beispiel Smartphones und Notebooks aufladen. Gleichzeitig haben immer mehr Haushalte eine Photovoltaikanlage auf dem Dach und teilweise schon eine Batterie im Keller, in der Garage parkt demnächst ein Elektroauto - ein Szenario, das geradezu nach einem Gleichstromnetz ruft.

In Produktionsanlagen ist das ähnlich, nur mit viel höheren Leistungen. So benötigen drehzahlveränderliche Antriebe zur Drehzahlregelung einen Gleichstrom, der von Frequenzumrichtern aus Wechselstrom umgewandelt werden muss. Auch dort entstehen beim Umwandeln thermische Verluste, die man gerne vermeiden möchte. Außerdem sollte die rekuperierende Energie beim Bremsen der Antriebe für den weiteren Bedarf sichergestellt werden oder wie bei Hybridautos in Batterien zwischengespeichert werden.

Die Anbindung von regenerativen Energien in Form von Photovoltaik oder Windenergie direkt an das Industrial Smart DC Grid reduziert die Wandlungsverluste gegenüber herkömmlichen Lösungen. Überschüssige Energien in Pausenzeiten oder auch am Wochenende werden in Batterien gespeichert und anschließend verwendet. Bei herkömmlichen Lösungen muss der Gleichstrom einer PV-Anlage zum Einspeisen in das öffentliche Netz zunächst in Wechselstrom gewandelt und bei den Verbrauchern wiederum in Gleichstrom zurückgewandelt werden.

Mehr Erneuerbare, weniger Fluktuationen

Zählt man alle Anforderungen zusammen, steht unterm Strich die klare Erkenntnis, dass es sinnvoll wäre, über kurz oder lang die Fabriken auf die durchgängige Nutzung von Gleichstrom umzustellen. Der Einstieg in die Gleichstrom-Versorgung bringt viele Vorteile, etwa eine effizientere Ausnutzung von Energie, insbesondere auch aus Erneuerbaren. Außerdem würde eine Gleichstrom-Infrastruktur der Automobilindustrie helfen, Fluktuationen und eine möglicherweise geringere Verlässlichkeit im öffentlichen Stromnetz infolge von immer mehr Solar- und Windstrom zu bewältigen, denn Stromspeicher sind ein wichtiger Teil in solchen Szenarien. Vor allem für die Automobilindustrie im Energiewendeland Deutschland, wo 2050 nicht weniger als 80 Prozent des Stroms aus Erneuerbaren stammen sollen, ist das ein wichtiges Thema.

Genau dieses Ziel verfolgt AREUS, ein von der Europäischen Union gefördertes Projekt, in dem 13 Partner, darunter Daimler, Siemens sowie weitere Unternehmen und internationale Universitäten die besagte Arbeitszelle in Sindelfingen simuliert, aufgebaut und schließlich bezüglich der Einsparungen über den Lebenszyklus gemessen und bewertet haben. Das Projekt wurde im Herbst 2016 erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse sind ermutigend: "Mit Hilfe eines solchen DC Automation Grid können Energieeinsparungen von bis zu 20 Prozent erzielt werden", sagt Matthias Jahn, bei Siemens in Nürnberg für die Geschäftsentwicklung mit Daimler verantwortlich. Auch das Ziel, einspeiseseitige Spitzenlasten zu egalisieren, sei voll erfüllt worden.

Sonnenstrom gemixt mit Netzstrom

Dazu ist die AREUS-Anlage bei Daimler mit einer Photovoltaikanlage außen an der Halle gekoppelt, die annähernd die Grundlast der Anlage abdeckt. Weil die Sonne nicht immer scheint, kommt weitere Energie aus dem Stromnetz.

Das Industrial Smart DC Grid stellt mit dem Active Front-End die zentrale Komponente der Energieproduzenten und -konsumenten dar und basiert auf einer 600V-DC-Architektur.

Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen, wird das Industrial Smart DC Grid von mehreren Speichern unterstützt, wie zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie für Langzeitspeicherung und einer Kondensatorbank für kurze Energiestöße, die durch dynamische Bewegungen beim Beschleunigen oder Bremsen der Roboter auftreten.

Um die Lücke zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und der Kondensatorbank zu schließen, wird zusätzlich als weiterer Speicher ein Flywheel installiert. Ein Flywheel basiert auf einer rotierenden Schwungmasse, die mit einem starr verbundenen Elektromotor gekoppelt ist. Je nach Bedarf wird der Lade- und Entladevorgang über die Drehzahlvorgabe des Flywheels gesteuert.

Sollten alle Energiespeicher geladen sein, kann weitere einfließende Energie aus Sonne und Wind oder aus dem Prozess über das Active Front-End in das öffentliche AC-Versorgungsnetz zurückgespeist werden.

Das notwendige Energieflussmanagement der einzelnen Energieproduzenten und der Energiespeicher erfolgt über eine separate Steuerung.

Große Wirkung in großen Fabriken

Aufgrund des zusätzlichen identifizierten Optimierungspotenzials kann mit einer bis zu 20prozentigen Energieeinsparung gegenüber der ursprünglichen Anlage gerechnet werden.

AREUS wurde inzwischen abgeschlossen und wird im vom BMWi geförderten Nachfolgeprojekt DC-INDUSTRIE weitergeführt, in dem sich nunmehr 26 Partner der nächsten Generation der Gleichstrom-Infrastruktur widmen; der Fokus liegt hier außerhalb der Automobilbranche. Die Daimler AG und Siemens sind als Innovationstreiber natürlich federführend wieder dabei.

Einige Hausaufgaben sind noch zu erledigen: Zum einen bedarf es eigener Normen und Standards für Gleichstromkomponenten. Und zum anderen eines Entwicklungsschubs für maßgeschneiderte und effiziente Anlagen, sowohl für kleine Fertigungszellen als auch große Fabrikhallen. Die Anlage in Sindelfingen wird noch mindestens bis 2019 betrieben, daneben sollen die Erkenntnisse künftig in Daimler-Werken angewandt werden. In zehn Jahren könnten ganze Produktionen auf diese Weise versorgt werden.

Von Bernd Müller

Quelle: Siemens Pictures of the Future-Newsletter

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