Konkrete Einspar- und Materialpotenziale durch industrielle Gleichstromnetze (DC-INDUSTRIE 2)

Die zunehmende Belastung durch steigende Netzentgelte und die verschärften EU-Effizienzvorgaben treiben den Maschinen- und Anlagenbau dazu, Energieeffizienz und Netzflexibilität bereits im Schaltplan und in der Steuerungssoftware zu verankern. Durch die Kombination von Elektrokonstruktion, industrieller Antriebstechnik und intelligentem Energiemanagement entstehen in einer DC-Fabrik messbare Kosteneinsparungen, Materialreduktionen und neue betriebswirtschaftliche Spielräume – ein Trend, der im groß angelegten ZVEI-Forschungsprojekt DC-INDUSTRIE 2 umfassend belegt wurde.

Warum die elektrische Antriebstechnik im Fokus steht

Elektrische Antriebe stellen mit etwa 70 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs in Deutschland den größten Einzel-Stromverbraucher (Quelle S1, 2023) dar. Deshalb ist jede Optimierung des Antriebssystems ein bedeutender Hebel zur Senkung der Energiekosten und zur Erfüllung der EU-Ecodesign-Regulierung.

Ecodesign-Verordnung und ihre Vorgaben für Motoren und Frequenzumrichter

Seit Juli 2023 verlangt die EU-Verordnung 2019/1781 für Drehstrommotoren im Kernleistungsbereich von 75 kW bis 200 kW die höchste Effizienzklasse IE4 (Super Premium Efficiency). Frequenzumrichter von 0,12 kW bis 1 000 kW unterliegen erstmals einer verbindlichen Mindestwirkungsgrad-Klasse IE2 (Ermittlung nach IEC 61800-9-2, 2021). Diese regulatorischen Leitplanken geben Konstrukteuren klare Vorgaben für die Auswahl hocheffizienter Komponenten.

Gleichstromnetze und die DC-Fabrik der Zukunft

Industrielle Gleichstromnetze (DC-Zwischenkreise) reduzieren die üblichen Umwandlungsverluste von AC-nach-DC-und-zurück und ermöglichen die direkte Rekuperation von Bremsenergie. Durch die höhere Stabilität von 650 V DC-Zwischenkreisspannungen kann zudem auf AC-spezifische Phasenleiter verzichtet werden, was den Materialeinsatz im Schaltschrankbau deutlich senkt.

Forschungsnachweis DC-INDUSTRIE 2

• Gesamtenergieeinsparung im Fabriknetz: 10-20 % (Modell- und Pilotanlagen, 2023)
• Einsparung beim Kupferbedarf für Leitungen: ~50 % (Verzicht auf AC-Phasenleiter, 2023)
• Reduktion der Netzanschlussleistung / Spitzenlast: bis zu 80 % (Lokale Pufferung mit Batterie/Kondensator, 2023)

Die Abschlussberichte des ZVEI-koordinierten Projekts bestätigen, dass die direkte Vernetzung von DC-Zwischenkreisen den fabrikspezifischen Energiebedarf um bis zu 20 % senken kann. Bremsenergie von Hubwerken und Handlingsystemen wird im Gleichstromnetz sofort an benachbarte Verbraucher weitergeleitet, anstatt in Bremswiderständen in Wärme zu verlustieren. Gleichzeitig reduziert sich der Installationsaufwand, weil die höhere Spannungsstabilität den Bedarf an Blindleistungen verringert.

Finanzielle Dimension von Lastspitzen und Peak-Shaving

Nach § 19 Abs. 2 StromNEV wird der Netznutzungs-Leistungspreis in der industriellen Mittel- und Hochspannung nach der höchsten registrierten 15-Minuten-Spitze des Jahres abgerechnet. Typische industrielle Höchstlastpreise liegen bei 80-160 € / kW Jahr (2025, regional unterschiedlich). Ungesteuerte gleichzeitige Motoranläufe können diesen Preis um mehrere zehntausend Euro erhöhen und die Vergünstigungen bei atypischer Netznutzung gefährden.

Wie SPS-gestütztes Peak-Shaving funktioniert

• Softwareseitige Verriegelung von gleichzeitig anzuschaltenden Antrieben
• Gezieltes Anfahren im Millisekunden-Versatz
• Einbindung dezentraler Pufferkondensatoren oder Batteriespeicher am DC-Zwischenkreis
• Glättung dynamischer Stromspitzen führt zu einer Senkung der für Betriebe kostenintensiven Leistungspreise

Durch diese Maßnahmen können Unternehmen die für den Netzbezug anfallenden Leistungspreise signifikant reduzieren, ohne die Produktivität oder Taktzeit zu beeinträchtigen.

Rechtliche Hebel und Risikofaktoren

Die EU-Ecodesign-Verordnung (IE4 für Motoren, IE2 für Frequenzumrichter) liefert die verbindliche regulatorische Basis. Gleichzeitig gelten besondere technische Anforderungen im DC-Netz:

• Schutz- und Schalttechnik: Fehlende Lichtbogen-Nulldurchgänge erfordern teurere elektronische Halbleiterschalter oder spezialisierte DC-Schütze, was die Anfangskosten des Schaltschrankbaus erhöht.
• Risiko Netzentgelt-Befreiungen zu verlieren: Unkoordinierte Batterie-Peak-Shaving-Strategien können die Schwellenwerte für Netzentgelt-Rabatte (mind. 7.000 Nutzungsstunden) überschreiten und zu Nachzahlungen im sechsstelligen Bereich führen.

FAQ – Häufig gestellte Fragen

• Warum reicht die Erfüllung der IE3-Norm für Motoren heute oft nicht mehr aus?
  Seit Juli 2023 schreibt Stufe 2 der EU-Verordnung 2019/1781 für Drehstrommotoren von 75-200 kW zwingend die Klasse IE4 vor. Zusätzlich müssen vorgelagerte Frequenzumrichter mindestens den Wirkungsgrad IE2 nachweisen.
• Wie viel Energie spart eine DC-Fabrik im Vergleich zu herkömmlichen AC-Topologien?
  Das ZVEI-Projekt DC-INDUSTRIE 2 zeigte Gesamteinsparungen von 10-20 % und betonte den größten Hebel in der direkten Nutzung der generatorischen Bremsenergie sowie dem Wegfall von AC/DC-Gleichrichtern an jedem Einzelantrieb.
• Wie kann die SPS Lastspitzen (Peak-Shaving) ohne Taktzeitverlust reduzieren?
  Durch softwareseitige Verriegelung von Gleichzeitigkeiten beim Hochlauf, Millisekunden-Versatz beim Anfahren und die Einbindung dezentraler Batteriespeicher am DC-Zwischenkreis wird die Stromspitze geglättet, ohne die Produktions-Taktzeit zu beeinträchtigen.

Fazit

Die Kombination aus strengeren Ecodesign-Vorgaben, dem wirtschaftlichen Potenzial industrieller Gleichstromnetze und gezieltem Peak-Shaving schafft für den Maschinen- und Anlagenbau ein robustes Fundament, um steigende Netzentgelte zu begegnen und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. Konkrete Kennzahlen aus dem ZVEI-Forschungsprojekt DC-INDUSTRIE 2 belegen, dass Einsparungen von bis zu 20 % des Fabrik-Energieverbrauchs, eine Reduktion des Kupferbedarfs um etwa 50 % und eine Verringerung der Netzanschlussleistung um bis zu 80 % realisierbar sind. Gleichzeitig geben die EU-Ecodesign-Verordnung und § 19 StromNEV klare regulatorische Leitplanken, während die richtigen Schutz- und Schalttechniken sowie eine sorgfältig abgestimmte SPS-Strategie die Risiken minimieren. Unternehmen, die diese Synergien frühzeitig umsetzen, sichern nicht nur betriebswirtschaftliche Vorteile, sondern stärken auch ihre Wettbewerbsfähigkeit im industriellen Energiemarkt der Zukunft.