Elektrische Versorgung

Die Energiewende hat den Wechsel der primären Energieträger unserer Gesellschaft zum Ziel. Der Wandel wird getrieben von dem Ziel den Ausstoß von Kohlenstoff­di­oxid­emissionen zu minimieren.

Industrieunternehmen sind auf eine sichere und kosteneffiziente Versorgung mit Energie hoher Qualität und gesicherter Ver­füg­bar­keit angewiesen. Gefährdet wird diese Ver­sorgung durch zunehmende In­sta­b­i­litäten im elektrischen Netz sowie stei­gende Ar­beits­preise und Netzentgelte. Die Nutzung fossiler Ener­gie­­träger wird künstlich verteuert durch die Be­prei­sung von Kohlen­stoff­dioxid­emis­sionen aus der Verbrennung fossiler Energie­träger wie Öl oder Gas.

Das Fraunhofer IPA versteht diesen Wandel als Chance Ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Unser Ansatz steigert Ihren Hand­lungs­spielraum zum Beispiel in Rich­tung Flexibilisierung oder Energie­träger­we­chsel heute und in der Zukunft.

Doch anstatt einer herstellerspezifischen ge­schlos­senen Lösung, bietet unser Ansätze die Möglichkeit, Ihr Unternehmen schon heute für die zukünftigen Ent­wick­lungen zu rüsten.

Unsere Leistungen und Kompetenzen für Sie:

  • Wir unterstützen Sie bei der Planung, Auslegung und Inbetriebnahme Ihres industriellen Mikronetzes.
  • Wir entwickeln Ihren technischen Industriestandard für eine nachhaltige Energieversorgung.
  • Wir verringern Ihre elektrischen Energieverbrauch durch die Versorgung Ihrer Produktionsmaschinen mit Gleichstrom.
  • Wir befähigen Ihre Energiemanagementlösung dazu Energieströme zur Laufzeit intelligent zu steuern.
  • Wir automatisieren die Inbetriebnahme Ihrer Produkte durch eine intelligente Regelung.
  • Wir evaluieren Ihren Produktprototypen hinsichtlich der Integration in das industrielle Energieversorgungsystem und unterstützen Sie bei der Weiterentwicklung.
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    Können Sie mit Gleichstrom Energie in Ihrer Produktion einsparen?

    Leistungswandler (z.B. Umrichter) setzen leistungsstarke Halbleiter ein, und erreichen einen Wirkungsgrad von über 95 % bei der Wandlung von Gleichspannungen – eine moderne Alternative zum Transformator. Mehr noch setzten stark automatisierte Produktionen auf Umrichter, um gezielte Bewegungsabläufe zu erlauben und ein steigender Anteil der Industrieantriebe für Pumpen, Transportbänder, Sägen und Ventilatoren wird mit Frequenzumrichtern betrieben.

    Leistungswandler setzen dabei Ihre Energie über zwei Wandlungsstufen um: Zunächst wird die Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung gewandelt, um anschließend ein Wechselspannungssignal variabler Frequenz und Amplitude zu erzeugen.

    Zusammen mit Partnern aus der Industrie entwickeln wir ein industrielles Versorgungssystem, das Gleichspannung zur Energieübertragung einsetzt. Es spart Wandlungsstellen ein und ermöglicht in den Prozessen gespeicherte Energie erneut zu nutzen.

    »Messungen an CNC-Maschinen zeigen eine Energieeinsparpotential von mehr als 6 % pro Arbeitszyklus«.

    Schon heute integrieren wir Gleichstromnetze mit Vorreitern einer effizienten und klimaneutralen Versorgung. Wir zeigen Ihnen wie ein Gleichstromnetz aussieht, welche Vorteile Ihre Firma davon hat und wie wir unsere Partner bei Ihren Projekten unterstützen.

    Wissenswertes zum Thema Gleichstromnetze:

    Die Elektrische Energieübertragung kann Gleich- oder Wechselspannung nutzen, um Ströme zu erzeugen. Mit der Pearl Street Station in New York entstand 1880 das erste kommerzielle elektrische Netz mit Gleichspannung. Die heutige Dominanz der Wechselspannung ist der Erfindung des Transformators durch Galard und Gibbs 1885 sowie der Erfindung des Wechselstrommotors durch die Firma Westinghouse, geschuldet. Der Transformator erlaubt eine effiziente Wandlung der Spannung und ermöglichte es Elektrizität über weite Strecken zu übertragen. Der Wechselstrommotor eröffnete den Weg in die industrielle Anwendung. Leistungswandler sorgen heute dafür, dass wir auf Transformatoren und direkt betriebene Wechselstromantriebe angewiesen sind.

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    Sind Mikronetze eine strategische Option für Sie?

    Ein Mikronetz ist ein lokaler Verbund von elektrischen Erzeugern, Speichersystemen und Verbrauchern, die durch ein eigenes Regelungssystem autark vom externen Netz betrieben werden können.

    Mikronetze eröffnen ein Spektrum an Optimierungsmöglichkeiten für Ihre elektrischen Versorgung. So können Sie zum Beispiel die Ausfallsicherheit der Versorgung, der Eigenverbrauch regenerativer Erzeugung, Lastspitzenkappung oder ein energieflexibler Betrieb von Verbrauchern realisieren.

    Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht Sie bei dem Transformationsprozess zu einer nachhaltigen und sicheren elektrischen Versorgung zu begleiten. Daher bieten wir Ihnen unterschiedliche Planungsaufgaben an, die über den Stand der Technik hinaus gehen:

    Entwicklung eines strategischen Transformationsprozesses zu einer nachhaltigen Versorgung

    • Wir weisen Ihnen den Weg zu welchen Zeitpunkt Investitionen in neue Technologien sinnvoll sind. Lassen Sie   uns eine langfristige Roadmap für Ihre nachhaltige Transformation entwickeln.

    Optimieren des Gesamtsystems mit Modellen

    • Wir erstellen für Sie ein digitales Abbild Ihrer Versorgungsinfrastruktur und führen Parameterstudien durch, um die lokale regenerative Erzeugung am Produktionsstandort zu maximieren, Ihre Versorgung gegenüber Ausfällen der externen Versorgung zu schützen oder Überkapazitäten zu identifizieren und Kosten einzusparen.
    • Unser Ziel ist nicht allein die sinnvolle Größe und Leistung von Anlagen, sondern wir überführen Ihre Auslegung in reale Regelungsalgorithmen.

    Entwicklung eines Industriestandards am realen Prototypen

    • Sie möchten neue Versorgungstechnologien an einem prototypischen Standort erproben und daraus einen Industriestandard für Ihre weltweite Produktion entwickeln? Wir begleiten Sie beim Ermitteln von Lasten für einzelne Geräte und zertifizieren Lieferanten mit Ihnen. Zusätzlich lösen wir technologische Problemstellungen und befähigen Ihre Lieferanten Geräte nach Ihren Wünschen zu liefern.

     

    Wissenswertes zum Thema industrielle Mikronetze:

    Elektrizität ist ein Energieübertragungsmedium, Erzeugung und Verbrauch finden zeitgleich aber räumlich voneinander getrennt statt. Elektrizität wird nur im geringen Maß zwischengespeichert.

    Das Verbundnetz verknüpft einen Großteil der elektrischen Verbraucher und Erzeuger in einem gemeinsamen Versorgungsystem. Der Vorteil der Größe besteht darin, dass sich der schwankende Abruf von elektrischer Leistung mit steigender Anzahl an Verbrauchern in der Summenlast stochastisch ausgleicht. Mit steigendender Verbundnetzgröße steigt erwartungsgemäß die installierte Kraftwerkskapazität, allerdings sinkt im Verhältnis die Reservekapazität Maximallasten und damit die Versorgungskosten.

    Im Zuge der Energiewende wird diese Modell in Frage gestellt:

    1. Die Erzeugungsleistung regenerativer Erzeugungsanlagen ist von meteorologischen Bedingungen abhängig. Für eine stabile Energieversorgung müssen Verbraucher und Energiespeicher sich der aktuellen Erzeugungssituation anpassen.
    2. Regenerative Erzeugungsanlagen werden lokal im Firmennetz angeschlossen müssen aber in die Betriebsführung des Netzes eingebunden werden.
    3. Regenerative Erzeugungsanlagen besitzen eine wesentlich geringere Erzeugungsleistung im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken. Damit führt die Integration von erneuerbaren Erzeugern zu einem komplexeren Regelungssystem.

    Wandeln Sie diese Bedrohung Ihrer Produktion in einen Wettbewerbsvorteil.

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    Wie steuern Sie Ihre Energieflüsse in der Zukunft?

    Energieeffizienz nach DIN ISO 50001 ist bisher durch Einzelmaßnahmen getragen: Einsatz von Frequenzumrichtern für elektrische Antriebe oder LED-Beleuchtung der Produktionshallen. Der Erfolg dieser Maßnahmen lässt sich leicht quantifizieren, doch das Potential weitere isolierte Effizienzpotentiale zu erschließen sinkt  mit steigendem Reifegrad.

    Erst wenn Sie „Energie im System“ denken, können weitere Potentiale in Richtung einer nachhaltigen Energieversorgung realisiert werden. Zum Beispiel durch die Installation von regenerativen Erzeugern oder Speichersystemen, die es ermöglichen Ihren Verbrauch auf der Ebene der Produktionshalle zu optimieren.

    Unsere Lösung für die steigende Komplexität ist ein Energieleitsystem, das automatisch Energieflüsse lenkt. Mehr noch forschen wir daran, wie dieses sich in Zukunft autonom auf veränderte Umweltbedingungen einstellt.

    Entscheiden Sie während des Betriebs welche Ihrer Energiequellen Kosten minimiert und nutzen Sie diese sofort

    • Eine Investition in Speichersysteme ist kostspielig. Ein Einsatz zur Spitzenlastkappung kann Ihre   Netzentgelte drastisch reduzieren. Aber wissen Sie wie Ihre Lastspitze entsteht und wann der   Speichereinsatz gerechtfertigt ist?

    Minimieren Sie Ihre lokalen Kohlenstoffdioxidemissionen und maximieren Sie den Eigenverbrauch ihrer regenerativen Anlagen

    • Die Erzeugungssituation regenerativer Erzeuger schwankt in Abhängigkeit des Wetters. Für   eine optimale Nutzung sollte die Betriebsstrategie Ihres Netzes viertelstündlich geprüft werden.

    Betreiben Sie Lasten flexibel, um Strom aus dem Netz günstig beziehen zu können

    • Großverbraucher wie Lüftungen, Pumpen oder Wärmepumpen müssen nicht dauerhaft eingeschaltet sein, um Ihre Versorgungsaufgabe zu erfüllen. Reduzieren Sie automatisch den Energiebezug im Netz, um auf Schwankungen des Energiepreises zu reagieren.
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    Kann Künstliche Intelligenz Ihr Produkt einfacher machen?

    Produktionsmaschinen zeigen hohe Lastschwankungen am Netzanschluss. So liegt die Maximalleistung in Beschleunigungsphasen häufig um das 5 bis 10-fache höher als im Normalbetrieb. Leistungsspeicher, wie zum Beispiel Doppelschichtkondensatoren oder Schwungmassenspeicher ermöglichen es diese Leistungsspitzen zu reduzieren.

    Doch wollen Sie jedes dieser Systeme einzeln und auf die Gegebenheiten einer Maschine einstellen? An diesem Problem arbeiten wir: Das Fachgebiet der Computational Intelligence umfasst unter anderem künstliche neuronale Netze. Wir verknüpfen diese Methoden, um industrielle Regelungssysteme für den speziellen Anwendungsfall einzustellen.

    Stellen Sie sich vor – eine neue Maschine und keine Inbetriebnahme notwendig. Lassen Sie uns am Beispiel eines Schwungmassenspeichers zeigen, wie Maschinen in Zukunft in Betrieb genommen werden.

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    An unserem Standort in Stuttgart betreiben wir ein Forschungslabor, in dem wir gemeinsam mit unseren Industriepartnern am Übertrag neuer Ideen in die Praxis arbeiten.

    Wir haben einige aktuelle Beispiele für Sie heraus gesucht, in denen wir Ihnen zeigen, wie Sie von unseren Ergebnissen im Labor profitieren können. Sollten Ihnen die Informationen nicht reichen, besuchen Sie uns doch persönlich an unserem Standort in Stuttgart.

    Realer Aufbau eines Gleichstromnetzes

    • Der Aufbau eines Gleichstromnetzes ist vergleichbar mit der Planung und Auslegung einer AC Versorgungsinfrastruktur. Ist es so einfach?

    DC-Ready: Umrüstung einer Produktionsmaschine für den Betrieb mit Gleichstrom

    • Während Umrichter ohne Probleme mit einem Gleichstromnetz betrieben werden können, stehen bei dem Betrieb einer Produktionsmaschine teilweise bauliche Gegebenheiten im Weg. In unserem Labor zeigen wir Ihnen wie wir diese am Beispiel einer Umrüstung einer Spritzgussmaschine identifizieren.

    Parallel betriebene Leistungswandler

    • In einem Gleichstromnetz werden Leistungswandler parallel geschaltet. Deren Regelungen stehen in Wechselwirkung und können die Stabilität der Versorgungsspannung gefährden. Ein von uns entwickeltes Messgerät für die Ausgangsimpedanz hilft dieses Problem in der Inbetriebnahme zu vermeiden

    Selbsteinstellender Schwungmassenspeicher

    • Unsere Simulationen zeigen, das künstliche Intelligenz das Einstellen von   Geräten in der Inbetriebnahme für uns übernehmen kann. Wir untersuchen wie komplexe Algorithmen mit Echtzeitanforderungen in die Praxis übertragen werden können

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