Industrielle Gleichstromnetze für die energieeffiziente Fabrik der Zukunft
Der DC-Demonstrator des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ist ein industrienahes Reallabor für hybride AC/DC-Energienetze in Produktionsumgebungen.
Er bildet reale industrielle Energiesysteme ab und zeigt, wie Gleichstromnetze die Energie- und Materialeffizienz in der Produktion signifikant steigern können. In bestehenden Anwendungen werden Energieeinsparungen von 10–15 % sowie Kupfereinsparungen von bis zu 40 % erreicht.
Der Demonstrator integriert industrielle Verbraucher, Speicher und erneuerbare Erzeuger in einer modularen DC-Infrastruktur und ermöglicht deren Betrieb, Analyse und Optimierung unter realen Bedingungen.
Digitale Zwillinge, simulationsbasierte Planung, VR-Anwendungen sowie Power-Hardware-in-the-Loop-Ansätze ergänzen den physischen Aufbau zu einer durchgängigen Entwicklungs- und Validierungsplattform.
Warum Gleichstrom in der Industrie?
Moderne Produktionsanlagen arbeiten intern bereits überwiegend mit Gleichstrom. Konventionelle AC-Netze führen daher zu zusätzlichen Wandlungsstufen, Verlusten und erhöhtem Materialeinsatz.
- 10–15 % Energieeinsparung durch reduzierte Wandlungsverluste
- Bis zu 40 % Kupfereinsparung durch kleinere Leiterquerschnitte
- Höhere Effizienz durch DC-DC-Wandler mit Wirkungsgraden bis 99 %
- Direkte Integration von erneuerbaren Energien und Speichern
- Rekuperation & Peak-Shaving von Prozessenergie
- Keine Blindleistung und vereinfachte Regelung
Der DC-Demonstrator am Standort Erlangen
Am FAPS-Standort Erlangen wurde ein industrielles DC-Reallabor aufgebaut, das den parallelen Betrieb verschiedener Gleichstrom-Netzformen ermöglicht.
- Hybride AC/DC-Netzstruktur
- Parallelbetrieb eines DC-TN- und DC-IT-Netzes
- Über 10 industrielle Schaltschränke mit Prototypen
- Modulares Stromschienensystem mit Smart Grid Boxen
- Betrieb realer Verbraucher, Speicher und Erzeuger
Produktionsebene
Die Produktionsebene bildet reale industrielle Prozesse ab und ermöglicht den direkten Vergleich von AC- und DC-Versorgung im Parallelbetrieb.
- Industrieroboter
- Linearachsen und Handlingsysteme
- Power-Hardware-in-the-Loop zur Emulation komplexer Lastprofile
Energieebene
Die Energieebene stellt eine hochflexible, bidirektionale Infrastruktur bereit.
- Bidirektionale Netzanbindung
- Second-Life- und Spitzenlastspeicher
- Ultracap-Systeme für hochdynamische Prozesse
- Anbindung regenerativer Erzeuger
Digitaler Zwilling, Simulation und PHIL
Der Demonstrator wurde vollständig simulationsbasiert geplant. Ein digitaler Zwilling dient als zentrales Werkzeug zur Auslegung, Analyse und Optimierung industrieller Gleichstromnetze.
Ergänzend ermöglicht ein Power-Hardware-in-the-Loop-System (PHIL) die Kopplung realer Hardware mit simulierten Energiesystemen. Dadurch können auch nicht physisch vorhandene Netzteilnehmer unter realen Bedingungen untersucht werden.
Erweiterung zur integrierten Engineering-Plattform
Aufbauend auf dem physischen Demonstrator wurden am Lehrstuhl FAPS Softwarewerkzeuge entwickelt, die eine durchgängige Planung, Simulation und Visualisierung von Gleichstromnetzen ermöglichen.
VR-Demonstrator
Der VR-Demonstrator ermöglicht die virtuelle Begehung des realen Systems. Nutzer können das DC-Netz interaktiv erkunden und Energieflüsse, Zustände und Systemzusammenhänge visuell analysieren.
- Virtuelle Repräsentation des Demonstrators
- Visualisierung von Energieflüssen und Zuständen
- Didaktische Ebenen für unterschiedliche Zielgruppen
- Remote-Zugriff für Industriepartner und Forschung
Plant Simulation Energiebaustein
Der entwickelte Energiebaustein ermöglicht die Berücksichtigung elektrischer Lastflüsse bereits in der Produktionsplanung.
Auf Basis von Produktionsmodellen werden zeitabhängige Lastprofile generiert, die zur Auslegung von DC-Netzen, Speichern und Leistungselektronik genutzt werden können.
- Automatische Generierung von Lastprofilen
- AC/DC-Vergleich bereits in der Planungsphase
- Dimensionierung von Netzkomponenten
- Integration in bestehende Fabrikmodelle
DCign – Konfigurator für industrielle DC-Netze
Mit DCign wurde ein Konfigurator zur systematischen Auslegung von Gleichstromnetzen entwickelt.
Basierend auf strukturierten Eingaben werden Topologien, Schutzkonzepte und Netzparameter automatisiert erzeugt und für Simulation und Bewertung bereitgestellt.
- Konfiguration von Netzstrukturen und Spannungsebenen
- Auswahl von Schutz- und Erdungskonzepten
- Automatische Simulation und Validierung
- Bewertung von Effizienz und Wirtschaftlichkeit
Kooperation & Technologietransfer
Der DC-Demonstrator verbindet reale Infrastruktur, Simulation und digitale Werkzeuge zu einer durchgängigen Entwicklungsumgebung für industrielle Gleichstromnetze.
Er steht Industriepartnern für Forschung, Validierung und gemeinsame Entwicklung zur Verfügung.