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Die Industrie ist für ca. 30 % des CO2-Ausstoßes in Deutschland verantwortlich. Durch die sukzessiv steigende CO2-Steuer hat sich der Strompreis in der Schwerindustrie seit Beginn des Jahres 2021 nahezu verdoppelt, was die Geschäftsmodelle einzelner Unternehmen gefährdet und die Wettbewerbsfähigkeit im weltweiten Vergleich verringert.

Um trotz steigender Strompreise konkurrenzfähig wirtschaften zu können, muss die Energieversorgung erneuerbar gestaltet und die Energieeffizienz gesteigert werden, um den Stromverbrauch relativ zu verringern. So werden Treibhausgasausstoß und Bezugsgröße beim Verbraucher verringert und die Kosten gesenkt. Die einfachste Möglichkeit zur Reduktion der Bezugsgröße aus dem Netz ist die Integration eines Batteriespeichers, um Lastspitzen zu glätten, Umwandlungsverluste zu minimieren und Netzanschlusskosten zu sparen. Die AXSOL Energy Container Solutions bieten eine skalierbare Plattform zum Aufbau von Batteriegroßspeichern. Diese sind in Kapazität, Ausgangsleistung und Eingangskanälen frei konfigurierbar. Durch die Unabhängigkeit gegenüber der Stromquelle können zusätzlich erneuerbare Erzeuger integriert werden, die den Verbrauch und den CO2-Ausstoß weiter senken.

Aktuell nutzen wir fast ausschließlich Wechselstrom (AC) für Arbeit, Leistung oder Wärme. Wechselstrom kann einfacher zu hohen Spannungen transformiert werden und unterliegt deshalb weniger Verlusten bei weiten Transportwegen. Der Nachteil von Wechselstrom in der Anwendung ist jedoch der, verglichen zum Gleichstrom geringere Effizienzgrad. Bei kurzen Transportwegen – wie z. B. einem Stromnetz einer Produktionshalle oder eines Industriestandortes, sind die Transportverluste durch Gleichspannung zu vernachlässigen. Diese werden durch den höheren Effizienzgrad zwischen Sekundär- und Nutzenergie mehr als ausgeglichen. Eine Umstellung auf Gleichstromindustrie (DC Industry) würde 30% des Strombedarfes senken und somit die Bezugskosten der Unternehmen verringern.

WAS IST DC-INDUSTRY?

Der grundlegende Unterschied zwischen DC und AC Industrie ist die Auslegung der Fabrik und Gebäude internen Stromnetze. Aktuell wird ein Standort durch das öffentliche AC Stromnetz versorgt und der eingespeiste Strom vor jeder Maschine oder jedem Roboter durch Frequenzumrichter auf die für den respektiven Elektromotor notwendige variable Spannung und Frequenz gerichtet. Dabei geht durch die doppelte Umwandlung von AC auf DC und wieder auf AC ein Teil der Energieeffizienz in Form von Wärme verloren. Für jede Anwendung in Einzelnen betrachtet sind diese Verluste zu vernachlässigen, in großen und stromintensiven Industriestandorten kumuliert sich der Verlust und sorgt für enorme Ineffizienzen. Durch die Umstellung auf DC-Industrie kann relativ am Strom gespart werden.

Abbildung 1: konventionelle AC Netzarchitektur

Bei DC Industrie speist ein zentraler Wechselrichter das Stromnetz des Standortes direkt mit Gleichstrom und alle Anwendungen werden durch einen zentralen DC-Bus versorgt. Dadurch werden erhebliche Effizienzverluste vermieden und weitere intelligente Vorteile realisiert werden. Durch die Verringerung der Kupferleiter von drei auf zwei in den Stromleitungen kann bis zu 40% Kupfer eingespart werden, was die Gesamtkosten der Leitungen senkt. Aktuell wird evaluiert, ob man die vorhandenen Wechselstromleitungen in Standorten, aber auch im Stromnetz verwenden kann, um ein Gleichstromnetz aufzubauen.

Abbildung 2: industrielle smart DC Netzarchitektur

ENORME EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH DC-INDUSTRY

Effizienzverluste in AC Netzen entstehen zum großen Teil durch Wärmeverluste. Diese entstehen durch die doppelte Umwandlung zur Steuerung von Frequenz und Spannung und damit der variablen Geschwindigkeit in Elektromotoren. In einem DC-Netz werden alle Verbraucher direkt aus dem DC-Bus versorgt, was in den meisten Fällen keine Umwandlung benötigt. Die meisten Geräte und Maschinen werden mit Gleichstrom betrieben. Hierfür muss nur die Spannung den DC-Bus auf die des Verbrauchers angeglichen werden. Durch die Platz- und Materialeinsparungen an der Leistungselektronik, kann diese näher am oder im Verbraucher direkt verbaut werden und weniger Frequenzumrichter werden benötigt.

Grundlegend werden zum Bsp. Roboterarme beschleunigt und abgebremst. Ein Gleichstromnetz erlaubt nun zusätzlich die Rückgewinnung von Bremsenergie. Dieses Prinzip ist den meisten als Rekuperation aus der Elektromobilität bekannt. In Wechselstromnetzen kann die Bremsenergie nicht wieder in das Netz aufgenommen werden und sie geht in Wärme auf. Diese zusätzliche Wärme führt in großen Produktionsstätten dazu, dass zusätzliche Klimatisierung notwendig wird und der Stromverbrauch zusätzlich steigt. In Gleichstromnetzen stellt sich diese Problematik nicht. Der durch Bremsenergie rückgewonnene Strom wird in das DC-Netz aufgenommen und kann direkt wieder von anderen Verbrauchern konsumiert werden

BATTERIESPEICHER IN DER DC-INDUSTRY

Um Effizienzpotentiale zusätzlich auszureizen können Batteriespeicher in das DC-Netz integriert werden. Batterien speichern grundlegend nur Gleichstrom. Durch eine direkte Anbindung an den DC-Bus kann zurückgewonnener Strom eingespeichert und zum Glätten von Lastspitzen verwendet werden. Gerade in der Energie lastigen Industrie wie, z.B. Stahlindustrie, Chemieindustrie oder bei häufigem Auftreten von Lastspitzen durch Schweißarbeiten o.Ä. können durch das Vermeiden von Spitzenleistungen Kosten vermieden werden. Je nach Systemauslegung können so bis zu 80% der Netzanschlussleistung eingespart werden. Zudem können Batteriespeicher bei unregelmäßiger Fahrweise der Anlagen und Verbraucher Schwankungen im Netz ausgleichen, ohne das der Strom das Netz verlässt.

Ein zusätzlicher Nutzen von Batteriespeichern zur Pufferung in DC-Netzen ist die Möglichkeit zur einfachen Integration von erneuerbaren Erzeugern. Die meisten erneuerbaren Erzeuger werden DC gekoppelt und können dementsprechend ohne große Umwandlungsverluste an das Gleichstromnetz oder den Batteriespeicher angeschlossen werden. So kann die Überschusserzeugung an Ruhetagen zur Minderung der Bezugsgröße aus dem Netz verwendet werden. Durch das DC-Netz wird der direkte Austausch zwischen Erzeuger und Verbraucher vereinfacht.

Neben den Vorteilen für den eigenen Energieverbrauch und die Effizienz der Maschinen können die Batteriespeicher bei zu viel gespeicherter Kapazität theoretisch am Markt handeln und Strom ins AC-Netz abgeben. So können Unternehmen und Betriebe genau wie Privatpersonen als Prosumer am Markt auftreten und aktiv an der Energiewende teilhaben. Voraussetzung hierfür ist ein Bi-direktionaler Wechselrichter am Netzanschlusspunkt des Standortes.

EIGENVERBRAUCHSOPTIMIERUNG, LASTSPITZENKAPPUNG UND NETZANSCHLUSSKOSTENREDUKTION

Wirklich sinnvoll ist der Aufbau eines mit Gleichstrom betriebenen Standortes aktuell nur bei Neu- oder Umbauten an bestehenden Standorten. Bei bestehenden Hallen, Anlagen und Maschinen dagegen, ist im ersten Schritt eine Optimierung des Eigenverbrauchs durch die Integration eines Batteriespeichers und entsprechenden erneuerbaren Erzeugern zu empfehlen.

Allein durch die Integration von erneuerbaren Energien kann die Energieersparnis bis zu 15% betragen. Mit Hilfe von Batteriespeichern kann schon heute der Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Strom erhöht werden. Die hohen Fluktuationen von erneuerbaren Erzeugeranlagen aufgrund externer Einflüsse erlauben es meist nicht, die Gesamte erzeugte Kapazität selbst zu nutzen. Gerade bei bestehenden Anlagen, die aus der EEG-Förderung fallen, oder gefallen sind, macht es Sinn einen entsprechend skalierten Speicher als Erweiterung zu installieren. Durch die Flexibilisierung von hohen Erzeugerlasten in der Mittags- und Nachmittagszeit, wird eigens erzeugter Überschussstrom abends oder nachts verfügbar gemacht (Peak Shifting). Die Batterienutzung kann auch zu einer Entlastung der internen und externen Netze beitragen und dabei helfen, die Leistungsspitzen der Photovoltaikanlagen am Mittag abzufangen.

Bei entsprechender Auslegung des Batteriespeichers kann zusätzlich – gerade in Netzabschnitten mit größeren Ausfallwahrscheinlichkeiten und Spannungsfluktuationen, als USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) dienen. Die Auswahl und Installation des Speichersystems erfordert eine sorgfältige Planung und Vorbereitung. Ein hoher Eigenverbrauch mit gutem Verhältnis von Aufwand zu Nutzen ist möglich, wenn die Stromspeicherkapazität der Batterien möglichst genau auf die Leistung der Photovoltaikanlage sowie den Haushaltsstrombedarf abgestimmt ist.

Durch die Integration von Erzeuger- und Speichereinheiten kann bei steigendem Stromverbrauch oder Spitzenlast ein teurer Ausbau des Netzanschlusspunktes verzichtet werden. Die höheren Lasten werden dabei direkt aus dem Speicher bedient und die Spitzenlast gekappt (Peak Shaving).

AXSOL ENERGY CONTAINER SOLUTIONS – eine Plattform von der Speicherlösung bis zum Energiesystem

Die AXSOL Energy Container Solutions bieten alle benötigten Grundlagen, um die angesprochenen Anwendungsbeispiele für Industrie und Gewerbe abbilden zu können. Sie dienen als Plattform für reine Speicherlösungen zur Integration in bestehende Erzeugeranlagen bis hin zu kompletten Microgrids und Energiesystemen für einzelne Standorte. Jeder ECS ist an die Anforderungen der Anwendung und der Verbraucher anpassbar. Von der modularen Speicherkapazität, über die Anbindung verschiedener Erzeugerquellen gleichzeitig, bis hin zur modularen Leistungselektronik, kann jede Komponente individuell zusammengestellt werden.

Die Speicherlösungen der AXSOL GmbH basieren auf einem integrierten DC-Bus. So können alle Erzeuger und Speicher frei miteinander verbunden werden. Gesteuert wird alles über eine übergeordnete Steuerungssoftware, die den Energiefluss steuert und so den idealen und effizientesten Energiemix aus dem DC-Bus ausspeist.

Unsere ECS sind modular anpassbar und können im Verbund bis zu Großspeichern aufgebaut werden. Für kleinere Anforderungen kann unsere ausgewählte Technik in Outdoor-Gehäuse integriert werden, was die Flexibilität unserer Speicherlösungen erhöht und jedem Kunden die perfekte Lösung für dessen Anforderungen ermöglicht.

Bild- und Informationsquellen:

https://www.ipa.fraunhofer.de/de/referenzprojekte/DC-INDUSTRIE.html
https://experience.dc-industrie.zvei.org/01_acgrid.html
https://experience.dc-industrie.zvei.org/01_acgrid.html