De industrie kent een gigantisch stroomverbruik. Voor het grootste deel is die energie ook nog eens afkomstig uit fossiele brandstoffen. Onderzoekers van de Fraunhofer Instituten voor Productietechniek en Automatisering IPA en voor Geïntegreerde Systemen en Apparatentechnologie IISB hebben uitgevonden dat er veel zuiniger geproduceerd kan worden als de ondernemingen omschakelen van wisselstroom naar gelijkstroom. Zij werken momenteel aan de energievoorziening van de toekomst voor industriële productie-installaties.
“Er zijn veel redenen voor de industrie om over te schakelen van wisselstroom naar gelijkstroom”, zegt Timm Kuhlmann, wetenschapper bij het Fraunhofer IPA in Stuttgart. “In het dagelijks leven kennen we wisselstroom (AC) als de elektriciteit die uit het stopcontact komt. Maar veel apparaten werken op gelijkstroom (DC): Computers en smartphones, maar ook LED’s werken op gelijkstroom en hebben daarvoor een voedingseenheid nodig”, legt de ingenieur uit. Door andere manieren van energieopwekking is er nu een omslag gaande. Energiecentrales die op kolen, gas of kernenergie draaien, leveren wisselstroom. Maar nieuwe systemen als zonnepanelen leveren juist gelijkstroom. Hetzelfde geldt voor elektrochemische energieopslagsystemen.
Energiebesparende alternatieve aandrijvingen
In het kader van het DC-INDUSTRY 2-project werken Fraunhofer-wetenschappers samen met meer dan 30 partners aan de ontwikkeling van de industriële stroomvoorziening van de toekomst. Daarbij moeten uiteindelijk alle elektrische systemen van de fabriek via een intelligent DC-netwerk met elkaar worden verbonden. Het doel is om de elektriciteitsvoorziening energie-efficiënter, stabieler en flexibeler te maken.
Op basis van de resultaten van het voorgaande project DC-INDUSTRY weten de onderzoekers dat decentrale energiestroomregeling van een DC-voedingsnetwerk in de fabriek mogelijk is. De overgang van wissel- naar gelijkspanning heeft ook geleid tot een verhoging van de efficiëntie met vijf tot tien procent. Dit is met name te danken aan het feit dat “het gebruik van overtollige rem-energie van snelheidsgestuurde aandrijvingen gemakkelijk mogelijk is via een gelijkspanningsnet”.
Tot nu toe zijn vier testsystemen uitgerust met DC-componenten van verschillende fabrikanten. Nu is het tijd om het geteste concept voor een machine-netwerk over te brengen naar een praktijkomgeving, aldus Kuhlmann. “In het vervolgproject DC-INDUSTRY 2 willen we een nog grotere energie-efficiëntie bereiken, de CO2-uitstoot verminderen en flexibel kunnen reageren op de invoering van klimaatneutrale technologieën. Met een lokaal gelijkstroomnet in de fabriek is het gemakkelijker om energieschommelingen te compenseren, die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door weergerelateerde hernieuwbare energieën, of toenemende schommelingen in het openbare voorzieningsnet”.
Heel veel elektromotoren in de industrie draaien feitelijk op gelijkstroom. Daarvoor moet de wisselstroom van het elektriciteitsnetwerk dus eerst worden omgezet naar gelijkstroom. Dat gebeurt met behulp van transformatoren. Die omzetting kost echter op zich ook weer energie. Door een fabriek direct gelijkspanning te leveren vanuit het stroomnet, kan die fase worden overgeslagen. Dat bespaart al veel energie. “Een ander voordeel is dat met name de gelijkrichting van de stroom leidt tot piekbelasting van het wisselstroomnet, waardoor complexe en kostenintensieve filtermaatregelen nodig zijn om de door de norm vereiste spanningskwaliteit te waarborgen”. Met een gelijkstroomnet kan deze inspanning achterwege blijven.
Efficiënte energievoorziening met DC Smart Grid
Bij de nieuwe vorm van energievoorziening is de verdeling van de belastingstromen tussen opslagsystemen, netvoeding en duurzame energiebronnen decentraal georganiseerd. “Het grote potentieel van gelijkstroom in de productie ligt in de koppeling van alle elektrische systemen in de fabriek tot een intelligent gelijkstroomnet. Dit maakt het mogelijk om de beschikbaarheid en kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening ter plaatse te verbeteren en zo de betrouwbaarheid van de productie te verhogen”, zegt de onderzoeker van Fraunhofer IPA. “Concreet zijn we bezig met het opzetten van micro-grid-topologieën. Dat zijn controle-eenheden waarmee we energieopslag, -opwekking en -verbruik ter plaatse op elkaar afstemmen. Ze kunnen autonoom worden bediend”, zegt Kuhlmann.
De elektriciteit komt in het nieuwe systeem als wisselspanning binnen. Het wordt op een centraal punt omgevormd. Alle geïnstalleerde apparaten en machines, maar ook verlichting en procestechnologieën worden rechtstreeks gevoed met gelijkstroom. Dat komt van een gemeenschappelijk gelijkspanningsnet met een nominale waarde van rond de 650 volt. “We kunnen tussen de vijf en tien procent energie besparen door simpelweg gebruik te maken van gelijkstroom”, zegt Kuhlmann.
De eerste tests zijn al aan de gang
Verdere tests worden momenteel uitgevoerd in testopstellingen en in Fabriek 56 in Stuttgart/Sindelfingen. Bovendien worden actieve, bi-directionele gelijkrichters, de zogenaamde Active Infeed Converters, rechtstreeks op het net aangesloten en voorzien zo de eerste systemen van gelijkstroom. “Bi-directioneel” betekent dat energie kan worden teruggeleverd als er grote opwekkingscapaciteiten beschikbaar zijn. Het is dus geen eenrichtingsverkeer. Op deze manier profiteert ook de consument van de energieomslag in Industry 4.0″, aldus Kuhlmann.
Foto: In het gelijkstroomlaboratorium van de Fraunhofer IPA wordt de fabriek van morgen getest. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Ook interessant: Woningen op gelijkstroom
