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Fraunhofer Chemnitz arbeitet an energiesparender Gleichstrom-Fabrik

Um Strom über große Entfernungen zu transportieren, wird Wechselstrom auf hohe Spannungen transformiert und dann in der Nähe der Verbraucher wieder umgespannt - wie hier im Umspannwerk im Technopark Dresden-Nord. Da manche Anlagen, Geräte und Leuchten aber Gleichstrom brauchen, sind oft vor Ort noch weitere Transformationen durch Gleich- und Wechselrichter nötig. In DC-Fabriken sollen viele dieser Umwandlungen wegfallen. Foto: Heiko Weckbrodt

Um Strom über große Entfernungen zu transportieren, wird Wechselstrom auf hohe Spannungen transformiert und dann in der Nähe der Verbraucher wieder umgespannt – wie hier im Umspannwerk im Technopark Dresden-Nord. Da manche Anlagen, Geräte und Leuchten aber Gleichstrom brauchen, sind oft vor Ort noch weitere Transformationen durch Gleich- und Wechselrichter nötig. In DC-Fabriken sollen viele dieser verlustreichen Schritte wegfallen. Foto: Heiko Weckbrodt

IWU-Experte: „DC Fabs“ könnten Stromverbrauch um über ein Zehntel senken, da Wandlungsverluste wegfallen

Chemnitz, 10. Januar 2022. Fraunhofer-Ingenieure aus Chemnitz arbeiten derzeit an einem neuen Typ von fast autarken Gleichstrom-Fabriken, die sich selbst mit Sonnen- oder Windstrom versorgen und weitgehend ohne Wechselstrom aus den allgemeinen Netzen auskommen. Dieser Ansatz könnte den Energiebedarf der Industrie und die damit verbundenen Umweltbelastungen deutlich senken.

Dachinstallation mit organischen Solarfolien aus Dresden in La Rochelle. Foto: Heliatek GmbH I Olivier Benoit

Dachinstallation mit organischen Solarfolien aus Dresden in La Rochelle. Foto: Heliatek GmbH I Olivier Benoit

Direkt von der Solaranlage in die Maschine

In solchen Fabriken kann beispielsweise der Gleichstrom (englisch: „Direct current”, kurz: DC) von der Solaranlage auf dem Dach direkt die Maschinen, Roboter und auch Leuchten in der Werkhalle versorgen. Die heute noch üblichen Wandlungsverluste zwischen Wechsel- und Gleichstrom sollen wegfallen. DC-Fabs würden dadurch zehn bis 15 Prozent weniger elektrische Energie verbrauchen als herkömmliche Fabriken, schätzt Hauptabteilungsleiter Mark Richter, der im Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz für die „Fabrik der Zukunft“ zuständig ist.

Um Industrieproduktion umweltfreundlicher zu machen, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz an einer "Grünen Kette". Dort wollen die Forscher gemeinsam mit Industriepartnern unter anderem auch Konzepte für "DC-Fabriken" erproben, die den Gleichstrom aus Solaranlagen und Brennstoffzellen gar nicht erst in Wechselstrom umwandeln müssen. Grafik: Fraunhofer-IWU

Um Industrieproduktion umweltfreundlicher zu machen, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz an einer „Grünen Kette“. Dort wollen die Forscher gemeinsam mit Industriepartnern unter anderem auch Konzepte für „DC-Fabriken“ erproben, die den Gleichstrom aus Solaranlagen und Brennstoffzellen gar nicht erst in Wechselstrom umwandeln müssen. Grafik: Fraunhofer-IWU

„Grüne Kette“ mit Solar, Windkraft, Wasserstoff-Systemen und Gleichstrom entsteht

„Am Institut bauen wir derzeit eine ,Grüne Kette’ auf, um neue energietechnische Ansätze erstmals im Komplex zu erproben“, berichtete Mark Richter im Oiger-Gespräch. Installiert sind bereits eine Solaranlage, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) und einige Stromspeicher. Nun kommen noch ein Windkraftrad, ein Elektrolyseur, ein Wasserstoffspeicher und eine Brennstoffzelle hinzu. Außerdem entstehen vor Ort Gleichstromnetze, um deren Zusammenspiel mit Maschinen und Robotern in der Praxis gründlich auszutesten. Die Elektrolyseure sollen die Energie der Solar- und Windanlagen nutzen, um Wasserstoff zu erzeugen, der dann wiederum bei Flauten die Brennstoffzellen versorgt. „Dies liefert einen direkten Beitrag zu dem Ziel, Fabriken zukünftig klimaneutral zu betreiben“, meint Mark Richter.

Kleine Puffer an Maschinen könnten auch kleine Spitzen ausgleichen

Um auch kleinere Schwankungen auszugleichen, will das IWU sogar einzelne Maschinen mit dezentralen elektrischen Energiespeichern ausstatten. Die Idee dahinter: Solch ein abgestuftes Puffersystem könnte es Fabrikbetreibern erlauben, billigere Stromtarife zu buchen, die nicht mehr so sehr an Verbrauchspitzen ausgerichtet sind. Gegen Ende des Jahres 2022 soll diese „Grüne Kette“ betriebsbereit sein. „Damit wollen wir dann auch Partnern aus der Wirtschaft eine Test-Infrastruktur bieten, mit der sie eigene neue Energiekonzepte erproben können.“

Forscher wollen große Industriepartner für das Testfeld begeistern

Mark Richter und sein Team hoffen, auch große Automobilhersteller samt Zulieferern im Schlepptau für die ,Grüne Kette’ zu begeistern. „Wenn jemand wie Volkswagen hier eine komplette Gleichstrom-Fertigungslinie erproben würde, würden mit Sicherheit auch die großen Ausrüster mitziehen.“

Bisher sind viele Transformationsschritte üblich – und jeder sorgt für Verluste

Technologische Herausforderungen sind allerdings noch viele zu lösen auf dem Weg zur DC-Fabrik. Denn viele Infrastrukturen und Komponenten in heutigen Fabriken sind für Wechselstrom ausgelegt und lassen sich nicht über Nacht ersetzen. Und natürlich gab und gibt es gute Gründe für die elektrische Infrastrukturen, die heute noch die Industrie speisen: Drei-Phasen-Wechselstrom lässt sich nämlich leichter als Gleichstrom auf hohe Spannungen und niedrige Stromstärken umwandeln, die für den Energietransport über Hunderte Kilometer nötig sind. Heutige Generatoren in Kraftwerken erzeugen Wechselstrom. Der wird dann auf höhere Spannungen transformiert, um ihn verlustärmer über Hunderte Kilometer transportieren zu können. Vor Ort, in den Fabriken und Wohngebäuden, wandeln die elektrischen Anlagen diesen Strom dann teilweise in Gleichstrom und zurück in Wechselstrom.

Tragbare Hochtemperatur-Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz. Herzstück des kleinen Energiekraftwerks ist ein Keramik-Stapel ("Stack") von Fraunhofer Dresden, in dem Wasserstoff-Verbindungen und Sauerstoff reagieren, dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Foto: Heiko Weckbrodt

Tragbare Hochtemperatur-Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz. Herzstück des kleinen Energiekraftwerks ist ein Keramik-Stapel („Stack“) von Fraunhofer Dresden, in dem Wasserstoff-Verbindungen und Sauerstoff reagieren, dabei entstehen Wasser, Wärme – und Gleichstrom, der bisher noch durch Wechselrichter in Wechselstrom gewandelt werden muss. Foto: Heiko Weckbrodt

Solaranlagen und Brennstoffzellen liefern „von Natur aus“ Gleichstrom

Diese Lösung hat sich über viele Jahrzehnte hinweg etabliert. Allerdings hat sich die elektrische Welt seit dem „Stromkriegen“ von Thomas Edison, Nikola Tesla und George Westinghouse um Gleich- kontra Wechselstrom weitergedreht: Solaranlagen spielen inzwischen in vielen Ländern eine wachsende Rolle für den Energiemix, liefern aber „von Natur aus“ Gleichstrom. Um den Sonnenstrom in die allgemeinen Netze einspeisen zu können, brauchen die Photovoltaik-Systeme daher Wechselrichter. Diese zusätzliche Leistungselektronik erhöht freilich die Gesamtkosten der Anlage und sorgt auch für Wandlungsverluste in Form von Abwärme. Ähnliches gilt für den Strom, den wasserstoffbetankte Brennstoffzellen liefern. Besonders absurd erscheint die Konversion in Wechselstrom, wenn dieser dann beim Verbraucher wieder in Gleichstrom transformiert werden muss, um zum Beispiel Leuchtdioden (LEDs) zu speisen.

DC-Ansatz könnte auch Kosten für Solaranlagen und Brennstoffzellen senken

Und das ist eben ein Grund, warum die IWU-Teams bei ihren „Zukunftsfabrik“-Forschungen auch das Konzept durchgängiger Gleichstromnetze verfolgen. Da dabei der Strom lokal aus Sonne, Wind oder Wasserstoff erzeugt und vor Ort auch wieder verbraucht wird, fallen in solchen DC-Fabs die Energietransport-Argumente für Wechselstrom weitgehend weg. Womöglich könnten Gleichspannungsfabriken sogar die Investitionskosten in der Industrie drücken, da dann allerlei Leistungselektronik und Wandlungstechnik unnötig wäre.

100-prozentig autarke Fabriken bleiben eher unwahrscheinlich

Ob das aber auch in der Praxis tatsächlich so funktioniert und welche bisher unerkannte Hürden zu überwinden sind, das soll eben die „Grüne Kette“ in Chemnitz am Praxisbeispiel zeigen. Dabei rechnen die Forscher nicht unbedingt damit, dass die Industriepartner diese Kette später 1 zu 1 in ihren Fabriken kopieren, sondern vielmehr eigene Konzepte daraus entwickeln. So werden sicher viele Unternehmer das Risiko scheuen, sich völlig auf eine autarke Energieversorgung zu verlassen und alle Verbindungen zum allgemeinen Wechselstromnetz zu kappen. Anderseits zeigen Beispiele wie die eigenen Energieversorgungszentren am Chipwerk von Globalfoundries in Dresden, wie groß gerade in den Hightech-Industrien der Wunsch ist, sich gegen Stromausfälle besser abzusichern. Von daher werden in der Praxis wahrscheinlich vor allem Hybridlösungen gefragt sein.

Luftbild von Globalfoundries Dresden. Hinten sind die Schornsteine der beiden Energieversorgungs-Centren (EVC) zu sehen. Foto: GF DD

Luftbild von Globalfoundries Dresden. Hinten sind die Schornsteine der beiden Energieversorgungs-Centren (EVC) zu sehen. Foto: GF DD

„Grüne Kette“ soll auch Exportchancen regionaler Maschinenbauer verbessern

Und für solch einen großen Wurf im Fabriksystemdesign sei jedenfalls kaum ein anderer Standort so geeignet wie Sachsen, meint Mark Richter: „Wir haben hier große Automobilfabriken, innovative Technologieunternehmen und starke Forschungseinrichtungen – das würde gut passen.“ Verbessern könne dieses Projekt auch die Exportchancen der sächsischen Maschinenbauer: Wer Fabrikausrüstungen liefern könne, die weniger Strom verbrauchen, Netzschwankungen automatisch abfangen und weitgehend autark arbeiten, der habe sowohl in Ländern mit hohen Energiepreisen gute Marktchancen wie auch in Staaten mit instabilen öffentlichen Stromnetzen.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: Fraunhofer IWU, Oiger-Archiv

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