Im Autoland Deutschland zählen nach wie vor die großen Autobauer zu den Vorzeigeunternehmen der Bundesrepublik. Sie stellen die größte Branche des verarbeitenden Gewerbes und sind somit gemessen am Absatz der bedeutendste Industriezweig des Landes. Dementsprechend groß sind die Fertigungsanlagen. Sie gleichen je nach Standort kleinen Städten, bieten Hunderten von Menschen in Deutschland Arbeitsplätze und: Sie arbeiten mit einem immer höheren Grad an Automatisierung. Für das Stanzen, Schweißen, Nieten und Kleben in einer Karosseriebaulinie wird eine Vielzahl an Robotern eingesetzt, die die Bauteile mit höchster Präzision bearbeiten. Und sie wiederum brauchen eine Menge Strom. „In Zukunft wahrscheinlich mehr und mehr Gleichstrom“, präzisiert Alois Heimler, Strategic Marketing Manager Intralogistik & Automotive, von LAPP und weiß: „Das Zauberwort heißt weniger Spannungswandlungen.“
Für Besucher:innen der Produktionsanlage im BMW Group Werk Dingolfing bleibt dieser Zauber zunächst auch verborgen, denn die Innovation der Karosseriebauanlage im Werk ist erst auf den zweiten Blick sichtbar. Alle Roboter und Maschinen arbeiten wie gewohnt in gleicher Geschwindigkeit und Präzision. Bauteil um Bauteil taucht in die Fertigungsstraße ein, durchläuft Arbeitsschritt um Arbeitsschritt und wird der finalen Karosserie von Minute zu Minute ähnlicher. Einziger Unterschied: Die Anlage wird mit Gleichstrom betrieben – in unserer Wechselstrom-Welt eine bisher noch seltene Weise der Energieversorgung im industriellen Umfeld. Die Verbindungslösungen für die Fertigungslinie stammen aus dem Hause LAPP.
Mit Rekuperation Energie sparen
Gerade beim Karosseriebau bietet sich die Umstellung von Wechsel- auf Gleichstrom an. Auf Maschinen und Roboter entfällt bisher ein großer Teil des Stromverbrauchs einer Industrieanlage, dabei bieten sie entsprechend große Einsparpotentiale. Besonders hoch sind die Einsparpotentiale an hochdynamischen Prozessen wie sie etwa bei Industrierobotern vorkommen. Die Fertigungslinien bewegen sich auf programmierten Bahnen, um die einzelnen Bauteile einer Karosserie zu einem Fahrzeug zusammenzufügen. Dabei beschleunigen sie kurzzeitig und bremsen dann wieder ab. Das bedeutet, ein Roboter entnimmt kurzzeitig viel Energie, um einen Bewegungsablauf zu initiieren oder in kinetische Energie zu wandeln. Im Abbremsmoment oder im Senkbetrieb, wird jedoch aus der kinetischen Energie wieder elektrische Energie erzeugt (Der Antrieb befindet sich nun im Generatorbetrieb). Diese kinetische Energie wird in Wechselstromsystemen (AC) in der Regel nicht gespeichert und geht als Wärmeenergie verloren; so wurden bisher Bremswiderstände eingesetzt um die überschüssige Energie zu „verbrennen“. Anders im Gleichstrom (DC)-Netz: „Hier wird die Energie in den DC-Zwischenkreis, andere DC-Verbraucher oder Energiespeicher gespeist. Somit kann die Energie, die bei Abbremsvorgängen frei wird, ohne große Wandlungsverluste zentral für alle Verbraucher an das Netz zurückgeschickt werden“, erklärt Alois Heimler die Bremsrekuperation. Sie erlaubt demnach den direkten Energieaustausch zwischen allen Antrieben, wie sie etwa in Robotern vorkommen.
Gerade in Zeiten, in denen Nachhaltigkeit zunehmend gefordert und gefördert wird, ist die Verwendung der bislang ungenutzten Bremsenergie nützlich, denn so kann eine erhebliche Menge Energie eingespart werden. Und das ist nicht der einzige Vorteil, den ein DC-Netz mit sich bringt: Anstatt vieler dezentraler Wandlungen von AC zu DC gibt es nur noch eine zentrale Energiewandlung, die alle Anlagen mit Gleichstrom versorgt. Bonuspunkt: Stammt der Strom aus regenerativen Quellen wie beispielsweise Photovoltaik oder Windkraft, liegt er als Gleichspannung vor, wenn auch die Verbraucher zunehmend auf Gleichstrom ausgelegt sind. „DC ist demnach ein Kernelement für die Energiewende“, so Alois Heimler. Die genauen Einsparungen bei einer Umstellung auf DC variieren je nach Anlage und ihrer Auslastung. Ergebnisse zwischen 15 und 20 % sind jedoch realistisch.
Gleichstromportfolio von LAPP für die Automobilindustrie
Genau an diesem Nachhaltigkeitsgedanken hat LAPP bereits vor einigen Jahren angesetzt und als erster Hersteller ein Leitungsportfolio für verschiedene Anwendungen im Niederspannungsbereich entwickelt, das auf immer größeres Interesse stößt. Auch in der Karosserieproduktion in Dingolfing kommen die Leitungen zum Einsatz. Darunter die ÖLFLEX® DC 100. Mit ihrer maximalen Spannung von 0,75 / 1,5 kV ist sie die ideale Grundlage für energieeffiziente DC-Netze in industriellen Anlagen und macht sie zur ersten Wahl für Automobilhersteller. Ebenso verbaut ist die ÖLFLEX® DC Grid 100. Als DC-Infrastruktur- und Erdkabel für Gleichstromnetze bietet sie in industriellen Anlagen einen flexiblen, feindrähtigen Aufbau, der selbst in trockenen, feuchten und nassen Umgebungen eingesetzt werden kann. Somit ist sie ideal für Anbindung von Industrieanlagen an das DC – Netz. Im Roboter der Anlage kommt die ÖLFLEX® DC Robot zum Einsatz. In der Automobilfertigung sind die Anforderungen an Robotikanwendungen hoch. Das Kabel wurde speziell entwickelt, um diesen extremen Bedingungen standzuhalten. Seine außergewöhnliche Flexibilität ermöglicht es den Robotern, sich präzise zu bewegen, während es gleichzeitig widerstandsfähig gegenüber Torsions- und Wechselbiegungsbelastungen bleibt. Seine kompakte Bauweise spart darüber hinaus wertvollen Platz. Unverzichtbar für die Fertigungslinie sind bewegliche Anwendungen und auch hierfür hat LAPP die passende Lösung. Die ÖLFLEX® DC Chain 800 kann in Schleppketten mit langen Verfahrwegen oder hohen Beschleunigungen eingesetzt werden. Der spezielle Verseilverbund mit kurzen Schlaglängen erlaubt kleinste Biegeradien. Ihr Außenmantel aus speziell entworfenem thermoplastischem Polymer ist chemisch beständig und erhöht ölbeständig.
Alle Leitungen vereint ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten AC-Leitungen: Während für Wechselspannung 5-adrige Leitungen benötigt werden, kommen bei Gleichspannung ein bis zwei Leiter weniger zum Einsatz. Die geringere Leiteranzahl sorgt dementsprechend für weniger Materialeinsatz: Somit wird für DC-Leitungen weit weniger Kupfer benötigt als für ihre AC-Schwestern. Das macht sie darüber hinaus deutlich platzsparender und gerade für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen oder auch in Schaltschränken interessant. Das Material-Einsparpotenzial liegt hier bei etwa 40 %.
Die Karosseriebauanlage im BMW Group Werk Dingolfing ist ein Anwendungspilot, der die DC-Technologie derzeit in der Praxis testet. Sie wurde im Rahmen des Projekts DC-INDUSTRIE2 initiiert. Das deutsche Forschungsprojekt untersuchte die Chancen und Herausforderungen der Gleichstromtechnik in industriellen Produktionsanlagen. Langfristig planen Forschende, ganze Fabrikhallen auf Gleichstrom umzustellen. Die Ergebnisse von DC-INDUSTRIE2 sind hierfür richtungsweisend, um energieeffiziente Lösungen und Standards zu kreieren. Auch LAPP ist Projektpartner. Die ÖLFLEX® DC 100, die im Rahmen des Projekts entstanden ist, ist heute als Serienprodukt auf dem Markt. Doch nicht nur das Forschungsprojekt verbindet die beiden Unternehmen, sondern auch eine langjährige Partnerschaft. DC-Leitungen mit besonderen Leitungsquerschnitten wurden von LAPP eigens und in kürzester Zeit für den Automobilhersteller als Prototyp angefertigt.
„Wir glauben daran, dass in Zukunft mehr und mehr Produktionsanlagen mit Gleichspannung versorgt werden“, fasst Alois Heimler zusammen. Dafür spricht auch das große Interesse, das dem DC-Portfolio von LAPP zunehmend zukommt und einen wichtigen Schritt Richtung Energiewende markiert. Dementsprechend richtet sich das Familienunternehmen für die Zukunft aus und hat nicht nur die globale Forschung und Entwicklung, sondern auch die Steuerung von Labor- und Testzentrumsaktivitäten neu aufgestellt, um schneller und agiler auf die Entwicklungen in der Industrie antworten zu können.
Whitepaper „Kabelquerschnitt bei Gleichstrom berechnen“
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DC-INDUSTRIE2
Sowohl BMW als auch LAPP waren Teil des Forschungsprojekts DC-Industrie2. Das Projekt und die daran Forschenden haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Konzept für ein intelligentes DC-Versorgungssystem zu entwickeln. Getestet wurde unter anderem, ob ein DC-System eine Produktionshalle günstig mit Gleichstrom versorgen kann. Das Projekt fand im März 2023 einen erfolgreichen und planmäßigen Abschluss mit dem Fazit: DC eignet sich für ein nachhaltiges, elektrisches Netz und kann leicht in die Produktion eingebunden werden. Die Erkenntnisse werden in der vom ZVEI gegründeten Arbeitsgemeinschaft Open Direct Current Alliance (ODCA) aufgenommen und weiterentwickelt. LAPP erforschte in dem Projekt die Langzeitstabilität von Isolationsmaterialien für DC-Kabel und Leitungen.
ODCA
Die Open Direct Current Alliance (ODCA) wurde vom Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) in Kooperation mit Unternehmen aus Industrie, Wissenschaft und Forschung gegründet, um die Entwicklung und Markteinführung von Gleichstromnetzen voranzutreiben. Mit 56 beteiligten Unternehmen (33 beim Start im Jahr 2022), darunter auch LAPP, setzt sich die ODCA für eine ressourcenschonende und CO2-neutrale Welt ein. Durch den Einsatz von Gleichstromtechnologie strebt die Allianz eine effizientere Energieübertragung an, um das gesellschaftliche Ziel der Nachhaltigkeit zu unterstützen.