Im Zoom-Interview befragte Konstruktion & Entwicklung Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding von der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Institut für Energieforschung, Mitverfasser der Vorabstudie des ZVEI zu DC-Industrie und wissenschaftlicher Leiter von DC-Industrie, zu den Vorteilen einer Gleichspannungsversorgung industrieller Produktionsanlagen. Ein wichtiger Impuls für die Energiewende könnte der Einsatz von Gleichstrom in der Industrie sein, denn die dort eingesetzten Umrichter für Maschinen und Anlagen nutzen intern Gleichstrom...
Herr Prof. Dr.-Ing. Borcherding, Sie waren Mitautor der Vorabstudie für die Projekte DC Industrie1 und 2 des ZVEI und sind Mitautor des Buches „Die Gleichstromfabrik“ des Carl Hanser Verlages. Was sind für Sie die 3 schlagenden Argumente für den Einsatz von Gleichstrom in den Fabriken?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Das Hauptargument ist, dass Gleichstrom sowieso in elektronischen Geräten verwendet wird – das war eigentlich auch der Hauptansatzpunkt. Damit kann man durch Verbinden der internen Gleichspannung gleich mehrere Punkte erreichen. So vor allem eine bessere Energieeffizienz, weil weniger umgewandelt wird. Das ist auch der Hauptpunkt für das Projekt und der für die Beantragung beim BMWI (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) wichtig war. Natürlich ist ein weiterer Grund der der Nebeneffekte, die dadurch entstehen.
Die da wären?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Zum Beispiel kann man Rekuperations-Energie, die mit elektrischen Antrieben beim Abbremsen entsteht, direkt nutzen. Vorher wurde die Energie durch Bremswiderstände vor allem in Frequenzumrichtern „verbrannt“ – und damit nicht mehr genutzt – und oft musste man noch die entstehende Abwärme beseitigen. Das war der zweite Hauptpunkt.
Dann hat man viele Probleme im Gleichstromnetz nicht, die in den gegenwärtigen Drehstromnetzen Probleme bereiten. Zum Beispiel verursacht durch die vielen Frequenzumrichter, ist da das Thema Netzstabilität, Netzrückwirkungen oder der Einsatz von Netzfiltern. Das alles haben Sie in DC nicht, denn da gibt es keine Nulldurchgänge, die man irgendwie verzerren kann.
Ein weiterer positiver Effekt beim Einsatz von DC ist, dass Speicher direkt eingebunden werden können mit deutlich einfacheren Methoden – das Thema Energiespeicher kommt gerade massiv. Und natürlich werden die Geräte einfacher. Das sind wirtschaftliche Gründe, die natürlich für den Einsatz von Gleichstrom sprechen: Energieeffizienz, alles wird einfacher und damit werden die Geräte auch günstiger. Das ist genau das, was 2015 Ergebnis der ersten Studie war, die Sie genannt haben und das Buch „Die Gleichstromfabrik“ ist sozusagen die Ergebniszusammenfassung der ersten Phase von DC-Industrie, die im Jahr 2019 zu Ende war.
Ihre Projektvorstellung „DC-Industrie2“ am 16.11.2020 zeigt den aktuellen Stand der Entwicklungen auf, die den Weg für das industrielle Gleichstromnetz ebnen sollen. Welche Meilensteine wurden bereits erreicht?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Erstmal muss man sagen, dass wir natürlich ein dreijähriges Großprojekt hinter uns haben. Jetzt ist das Hauptziel (DC-Industrie 2) die Erweiterung aller Dinge auf eine komplette Halle. Während wir vorher nur Fertigungszellen hatten, und die auch gut beherrschen, wollen wir jetzt alle Fertigungszellen in der Halle verbinden und dazu auch alles was mit der Halle, dem Gebäude möglich ist integrieren. Das sind eigentlich die Hauptziele der zweiten Projektphase. Trotzdem machen wir natürlich bei den Einzelergebnissen weiter. Wir sind jetzt ein Jahr dabei und haben viele Zwischenziele erreicht.
Was sind denn die Zwischenziele von DC-Industrie in der derzeitigen Projektphase?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Das ist zum Beispiel, dass wir erarbeitet haben, was genau wir in Modellanlagen im zweiten Projekt untersuchen werden – Welche Schwerpunkte die haben werden. Dazu gehört auch das Thema Transferzentrum. Das haben wir definiert und wir wissen, wo wir im Projekt arbeiten wollen.
Dazu muss man ein solches Konsortium auch erst einmal zum Leben bringen – das war sicher auch einer der Meilensteine. Dann haben wir die Spezifikationen erweitert – die haben sehr hohe Umfänge und beschreiben eigentlich alle technischen Zusammenhänge und Anforderungen, die wir in einer solchen Gleichstromfabrik haben und haben werden. Diese Erweiterung ist auch verabschiedet. Wir haben auch über die Modellanlagen die Ausstattung definiert, die wir innerhalb des Projektes bereitstellen, oder auch noch entwickeln müssen. Es ist zwar schon vieles da, aber längst noch nicht alles.
Und gerade das Thema Netzdienlichkeit über die gesamte Fabrik zum übergeordneten Versorgungsnetz, das ist auch ein Punkt, den wir in dieser Erweiterung aufgenommen haben. Dazu gehört auch die Definition der benötigten Planungstools, die wir noch erarbeiten müssen, und das ganze Thema „Schutz des DC-Netzes intern“. Es sind noch viel, viel mehr Einzelheiten, aber das sind grob gesagt die wichtigsten Meilensteine, die wir bereits abhaken konnten. In der zweiten Phase geht es darum, nachzuweisen und den Anwendern außerhalb des Projektes zu zeigen, wie gut das alles funktioniert.
DC-Industrie2 wird vom BMWi gefördert und läuft bis September 2022. 39 Partner aus Industrie und Forschung sind beteiligt. Wie läuft da die Zusammenarbeit ab?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Es ist ein großes Konsortium und wir arbeiten intensiv zusammen. Wir haben regelmäßig, trotz Corona, Online-Meetings mit Teilnehmerzahlen um 80 bis 100. Es ist ein riesiges Projekt, gut organisiert durch die Firma Eaton, die die Projektleitung innehat. Ich bin hochzufrieden damit. Ich kenne diese Art der produktiven Zusammenarbeit aus anderen, ähnlich gelagerten Groß-Projekten eher nicht. Daran sieht man auch, das alle wollen, dass das etwas wird – das sieht man an dieser intensiven und guten Zusammenarbeit.
DC-Industrie1 war mehr oder weniger eine „Machbarkeitsstudie“. Mit DC-Industrie2 geht es nun an die Umsetzung auch bei den notwendigen Komponenten, vom Kabel über Steckverbinder bis zum Umrichter. Dazu bedarf es herstellerübergreifender Standards/Normungen, im Bereich der DC-Technologien. Wie weit ist man da?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Zunächst eines: Die Motorenhersteller sind ja jetzt durch die EU-Richtlinien gezwungen IE3-Motoren zu entwickeln und marktweit anzubieten. Sie haben sich damit natürlich intensiv beschäftigt.
Wenn man es aber genau nimmt: Die richtigen Potenziale sind bei drehzahlgeregelten Antrieben zu finden, weil ich da bei jedem Motor den optimalen Arbeitspunkt einstellen und massiv Energie einsparen kann! Das wird mit der EU-Richtlinie für Netzmotoren natürlich ein bisschen ausgehebelt. Trotzdem sind wir der Meinung – und das ist bei DC-Industrie so – möglichst keine Netzmotoren mehr zu haben. Das heißt, alle Motoren laufen über Elektronik und damit drehzahlgeregelt. Damit haben wir hier den Hauptunterschied! Das ist für die, die einen Motor am Netz mit einem Schütz einsetzen wollen, natürlich nicht so beliebt. Die großen Potenziale erreicht man mit IE3 jedenfalls nicht, denn das bringt ja nur was im Promillebereich – das hätte man sich sparen können!
Aber nun zu der Normung: Wir haben natürlich sehr starke Kontakte über den DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik). Es gibt dort die Aktivitäten zu Gleichströmen auch im Gebäude. Parallel dazu sind wir – weltweit – diejenigen, die in der Industrie am meisten machen und am weitesten sind.
Wir haben mit den beteiligten Partnern auch die Substanz, um das Ganze auch in die Norm reinzubringen und umzusetzen. Wir haben die Spezifikationen aus dem ersten Teil des Projektes DC-Industrie schon in die Normenwelt gegeben, und die ist dort auch bekannt und wird gelesen.
Der nächste Schritt ist, das Ganze auch in Normprojekte reinzubringen. Insbesondere im IEC (International Electrotechnical Commission) sieht man, dass da sehr viel an Gleichstromnormen gearbeitet wird. Parallel zu uns haben die dort breit schon Dinge gestartet, und die muss man auch teilweise wieder mit unserer Vorarbeit zusammenbringen.
Wir gehen ganz klar davon aus, dass wir diese Vorarbeit, die wir in DC-Industrie geleistet haben, jetzt auch durch die Größe des Projektes und die vielen Partner – europa- und teils weltweit –in der Normung etablieren können.
Erste Modellanlagen bei BMW (Fertigungszelle), Mercedes Benz (Factory 56) und Homag sowie Transferzentren in Ihrem Hause (TH-OWL) und dem Fraunhofer IISB sind bereits im Betrieb. Was sind da die Themen beziehungsweise Ziele?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Wir wollen natürlich nicht in jeder Modellanlage das Gleiche machen. Fangen wir an mit der größten: Das ist die Factory 56. Dort ist vor allem oben auf dem Hallendach ein mehrere Meter großes DC-Netz vorhanden – Das ist sogar redundant aufgebaut, sodass man im Betrieb zwischen diesem Netz und dem auch vorhandenen redundanten AC-Netz umschalten kann. Daher kann man auch dazwischen immer wieder Umbauten machen und testen, um das Ganze im Vergleich zu sehen. Das ist eine große Halle und die ist natürlich auch mit großen Investitionen verbunden, und dort wollen wir alles testen, was mit einem sehr großen Netz zu tun hat.
Homag möchte für seine Kunden besonders zeigen, was die Vorteile des direkten Energieaustausches sind, wie viele Effizienzvorteile sich ergeben und wie zukunftsgerichtet ein Gleichstromsystem ist.
In den Transferzentren haben wir unterschiedliche Schwerpunkte. Während das beim Fraunhofer IPA in Stuttgart das Thema „Anbindung an das übergeordnete Netz“ – also Netzdienlichkeit und Planung – ist, ist es beim Fraunhofer IISB vor allem das Thema DC-DC-Steller im Megawattbereich, also im Prinzip „Kopplung von Gleichspannungen“ – das brauchen wir zukünftig immer mehr.
Und in Lemgo, an meinem Institut, geht es sehr stark um die Abbildung realer Maschinen und deren realen Energieaustausch über das DC-Netz. Also kein digitaler Zwilling, sondern so eine Art analoger-digitaler Zwilling gemischt. Es geht darum zu zeigen, dass etwas in DC funktioniert – auch energetisch. Wir wollen Anwendern zeigen, dass Maschinen, die bisher auf AC laufen, in DC in allen Betriebsbereichen funktionieren. Dazu haben wir von Mercedes Benz die vorhandenen Anlagen, die wir immer wieder nutzen für EMV-Messungen und für Effizienzmessungen.
Wenn ich richtig informiert bin, hat man bei Daimler in diesem Zuge auch festgestellt, wenn das Ganze über DC läuft, dann gibt es keine Störungen in der Kommunikation?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Das war ja auch ein Hauptpunkt im Projekt. Wir haben ja offene DC-Leitungen. Die sind ja nicht geschirmt. Das heißt, die haben die gleichen Regeln, die für AC-Leitungen auch gelten – auch ähnliche, ich sage mal, „Antennenfaktoren“. Es ist aber insgesamt einfacher DC-Netze zu entstören. Ich habe eine Leitung weniger, ich habe keine wechselnden Spannungen – es ist also einfacher. Dennoch hat der genannte Fall bei Daimler nicht unbedingt mit DC zu tun. Das sind komplexere Zusammenhänge, die insgesamt mit den Schaltvorgängen von Leistungselektronik zu tun haben.
Ungehinderter Energiefluss, direkte Nutzung von generatorischer Energie, geringe Wandlungsverluste, geregelte Antriebe, keine Blindleistung und dadurch energieeffizienter, kleinere und günstigere Geräte, einfache Solar- und Speicherintegration und damit geeignet für ein netzdienliches Smart Grid, das sind einige Vorteile von DC. Inwieweit ist da der „Smart Grid-Gedanke“ fester Bestandteil von DC-Industrie?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Zuerst einmal, das propagieren wir auch in unserem Logo, ist DC-Industrie das Netz für Industrie 4.0! Wir haben die ganze Steuerung des Netzes im Paket schon drin. Das wird nicht noch extra draufgepackt, wie das bei AC der Fall ist, sondern wir haben das gleich in der DC-Struktur drin.
Wir erarbeiten die ganzen Dinge, die für die Digitalisierung erforderlich sind, gleich mit. Und weitere Dinge, wie Simulationstechniken mit digitalen Zwillingen, werden in Parallelprojekten bearbeitet. Für uns ist völlig klar: Das DC-Netz ist einfacher zu führen, und damit hat man zugleich die Möglichkeiten des Smart Grid, wie Speicher und so weiter, gleich mit eingebaut. Damit wird klar, wenn man ein Smart Grid etablieren will, muss man sich in jedem Fall mit DC-Industrie-Struktur auseinandersetzen, weil sie einem sofort hilft. Das DC 4.0 Industrienetz wird sich langfristig durchsetzen, wenn man diese Funktionen alle nutzen möchte, die Smart Grid anbietet.
Wird Gleichstrom auch ein Kern der „Ultraeffizienzfabrik“ sein – dabei geht es um die Vision eine symbiotisch-verlustfreie Produktion – ein Projekt der Fraunhofer-Gesellschaft, dass im Vorbericht zu DC-Industrie erwähnt wurde?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Die ultraeffiziente Fabrik hat natürlich mehrere Ebenen. Aber insgesamt sehen wir überall: Energie wird elektrisch und geht weg von fossilen Energieträgern…Ich bin sicher, wenn die ultraeffiziente Fabrik in einigen Jahren da sein wird, dann ist eine DC-Versorgung Kern des Ganzen – nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Bürokommunikation und so weiter.
Worum genau geht es in Ihrem Transferzentrum der TH-OWL mit dem energetisch/funktionalen Testen von virtuellen Maschinen in DC-Ausführung? Soll der virtuelle Zwilling an die Realitäten angeglichen werden?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Prinzipiell war die Idee, es gibt den digitalen Zwilling der per se die Simulation des energetischen Verhaltens abbildet. Das ist eine Möglichkeit, da gibt es Ergebnisse, das sieht sehr gut aus.
Dann gibt es die Verwaltungsschale von Industrie 4.0, die bildet die Klammer, um den ganzen Datenaustausch möglich zu machen. Ich bin sicher, das Thema Verwaltungsschale setzt sich durch im gesamten Engineering. Unser Ansatz ist folgender: Was muss man den Leuten nachweisen, die ihre Maschine jetzt in DC bauen wollen? Da reicht vielleicht die Simulation nicht, denn die Leute wollen auch sehen, ob ein Fehlerfall auch richtig weggeschaltet wird. Man will es nicht bloß simulieren, man will einfach sehen, was dabei oder ob etwas kaputtgeht!
Wir können mit unserer Anlage, die Antriebe, die in einer realen Werkzeugmaschine sind, oder in einem Roboter, zum Drehen bringen. Dazu wird die Mechanik gerechnet und simuliert in Echtzeit. Dazu wird die Leistung der Gegenmoments, die in diesem Beispiel der Roboter in der Mechanik benötigt, über Belastungsantriebe gegen die realen Antriebe – die wir testen wollen – zurückgespielt. So wird auf der „Prüflingsseite“ die AC-Maschine in DC nachgebildet.
So können wir das energetische Verhalten und Fehlerzustände nachbilden und den Leuten zeigen, welche Vorteile sie insgesamt erreichen können und wie das Ganze in DC aussehen würde, um Ihnen die Skepsis zu nehmen.
Natürlich wollen wir dort auch Personen schulen zu den Themen Installationen, der Inbetriebnahme und so weiter. Dazu haben wir nicht nur die Antriebe integriert, es ist dort auch eine kleine Solaranlage auf unserem Dach dabei, wir haben ein Blockheizkraftwerk mit 50 KW integriert und wir können dort auch beliebige Leitungslängen zwischenschalten. Darum gibt es diese Transferzentren, die den Transfer aus dem Projekt DC-Industrie heraus unterstützen sollen.
Herr Professor Borcherding, Sie beschäftigen sich nun bereits seit einigen Jahren mit dem Thema DC-Industrie. Ist bereits abzusehen, wann die Skalierung im größeren Maßstab in der Industrie Einzug halten kann?
Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding: Ich denke, es geht jetzt los. Das Hauptproblem ist, dass wir noch nicht ganz alles haben. Die Frequenzumrichter funktionieren teilweise schon aus der Serie heraus, aber es gibt da noch Spezialitäten, die wir noch machen müssen. Also, es sind noch nicht alle Geräte da, um die kompletten Potenziale nutzen zu können. Das wird auch noch ein bisschen dauern.
Ich würde sagen in 3-4 Jahren hat man alles. Wenn man davon so überzeugt ist, wie Mercedes Benz, dann kann ich das schon heute bauen, habe aber noch mehr Aufwand in der Planung. Meine Vision ist, dass ich in meinem Berufsleben noch einen sehr hohen Marktanteil sehen werde – im Greenfield-Bereich aber auch im Brownfield-Bereich – bestimmt zweistellig in Prozent. Davon gehe ich aus in den nächsten 10 bis 15 Jahren. Wo das dann endet oder eingeschwungen ist, das kann ich Ihnen nicht sagen, soweit kann ich nicht schauen.
