DC statt AC Fertigung mit Gleichspannung bietet Verbrauchsvorteile

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Um Anwendern von robotergestützten Fertigungslinien die Vorteile einer Anlage mit Gleichstromversorgung zu demonstrieren, hat Kuka eine Fertigungsanlage entsprechend umgerüstet.

Auf den ersten Blick erscheint die Anlage, die das Unternehmen Kuka in seiner Halle aufgebaut hat, wie eine ganz normale Roboteranlage in der Fertigung eines Unternehmens. „Unser Smart Production Center besteht aus weitestgehend standardisierten Zellen, die mit vier Robotern und Werkzeugwechslern ausgerüstet sind. Diese werden durch fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV) vernetzt. Fertigungsaufträge werden über eine eigens entwickelte, KI-basierte Software angestoßen. Diese legt das Rüsten der Zellen mit Werkzeugen und Vorrichtungen sowie den späteren Transport der Bauteile und Baugruppen fest“, erläutert Dipl.-Ing. (FH) Matthias Paukner, Project Manager Technology Center Systems EMEA bei Kuka in Augsburg.

Doch diese Anlage unterscheidet sich von anderen Demonstrationsanlagen bei Kuka durch ihre Stromversorgung. Denn zurzeit arbeitet man daran, einen Teil des Smart Production Centers auf Gleichstromversorgung umzubauen. „Damit sind wir künftig in der Lage, potenziellen Kunden neben der bestehenden Fähigkeit eines hochflexiblen Anlagenkonzepts auch unsere DC-​Kompetenz zu vermitteln und direkt die Vorteile der Technik zu demonstrieren“, so Paukner. „Unser Ziel als Anlagenbauer ist es stets, die Potenziale neuer Technologien zu nutzen, um unsere Anlagen performanter, wirtschaftlicher und energieeffizienter zu gestalten. Beispielsweise ermöglicht uns die DC-Technik, Leistungsspitzen durch die Einbindung dezentraler Energiespeicher zu reduzieren und generatorische Energie zu nutzen.“

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Doch es gibt noch einen weiteren Grund, warum man diese Matrixzelle auf DC-Versorgung umgerüstet hat. „Wir sind somit in der Lage, einen Vorher-nachher-Vergleich hinsichtlich Performance, Kosten und Energieverbrauch durchzuführen“, führt Peter Klüger, Marktsegmentmanager Automotive bei Kuka, aus. Dabei arbeitet man mit einem Spannungsband um 650 V. „Konkret werden wir die vier Industrieroboter, die Zentriereinheiten, die Werkzeugwechsler, die Schweißinverter und das Ladegerät für die AGVs mit Gleichstrom versorgen“, führt Paukner weiter aus.

Laut Klüger hat eine Simulation zur Auslegung des Speichersystems eine deutliche Reduktion der Anschlussleistung und eine Verbrauchsreduzierung von nahezu 10 % ergeben. Dies hat natürlich auch Vorteile hinsichtlich des Spitzenverbrauchswertes, nach dem sich dann auch die Energiepreise richten.

Beim Umbau der Demonstrationsanlage beschränkt sich der technische Aufwand auf die Auslegung der zu ersetzenden und neuen Komponenten. Allerdings müssen die Wechselstrom(AC)-Verbraucher in Gleichstrom(DC)-Technik beschafft werden. Paukner erläutert: „In unserer Matrixzelle sind dies die Roboter, die Schweißinverter, das AGV und die Energieverteilung. Hinzu kamen das Active Frontend und der Energiespeicher sowie spezielle DC-Sicherungseinheiten.“

Doch das ist noch nicht alles. „Weiterhin müssen wir das Active Frontend, vereinfacht gesagt den Gleichrichter, als Einspeisung für unsere Anlage und den Energiespeicher auslegen, beschaffen und integrieren. Vor und nach Umbau der Anlage kamen beziehungsweise kommen dann noch die Aufwände der Validierung hinzu. Eine Aussage zum wirtschaftlichen Aufwand ist noch nicht belastbar, da es sich bei einigen Komponenten noch um Sonderanfertigungen handelt“, sagt Klüger.

Natürlich spart man auch Bauteile ein. Da die Bauteile größtenteils auf Komponentenebene entfallen, können hierzu die Komponentenhersteller eher dazu Auskunft geben. Anlagenseitig können die Einspeiseleistungen und damit die Kupferquerschnitte sowie die vorgelagerten Komponenten kleiner ausgelegt werden. Außerdem reduziert sich die Aderzahl der Leitungen auf drei (+, –, PE).

Zu den Einsparungen während des Betriebs kann man jedoch noch nichts sagen, weil der Umbau aufgrund noch nicht verfügbarer Komponenten nicht abgeschlossen ist.

Weitere Einsätze für die Gleichstromtechnik in der Fabrik plant man derzeit nach Aussage von Paukner nicht: „Derzeit beläuft sich die Planung nur auf die Umsetzung und Erprobung in der angesprochenen Demozelle.“

Ein Nachteil ist laut Paukner natürlich momentan noch die eingeschränkte Verfügbarkeit von Komponenten für eine DC-Anlage. Deshalb ist es Paukner zufolge noch notwendig, weiter zu forschen, um Komponenten zu entwickeln und bereitstellen zu können. Darüber hinaus ist es notwendig, Methoden zur einfachen Projektierung und Inbetriebnahme zu entwickeln. Zudem ist es laut Paukner wichtig, Modellanlagen zu entwickeln und zu erproben: „An diesen und weiteren Aufgaben arbeiten wir zusammen mit Partnern im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Ener­gie geförderten Projekt DC-​Industrie 2.“

Aussagen zu den Kosten, die entstehen, wenn man eine Anlage komplett neu aufbaut, können jedoch noch nicht getroffen werden, weil diese stark von den verwendeten Anlagenkomponenten abhängig sind. „Da diese aktuell noch nicht in einer breiten Auswahl verfügbar sind, können wir hierzu noch keine Aussage treffen“, so Klüger.

Wie die Anlage im Betrieb arbeitet, können Sie in in dem Video, das Sie unter diesem Link finden, sehen:

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