Energiemanagement in Industrie 4.0

DC-netwerken bieden nieuwe mogelijkheden

Gelijkspanning (DC) wordt steeds vaker toegepast in de gebouwde omgeving en datacentra, meestal bij lagere spanningen. Hoewel de industrie minder enthousiast lijkt te zijn, kunnen hier ook volop voordelen worden behaald. Dit is aangetoond door het onderzoek van Thomas Vandenhove naar de mogelijkheden van een industrieel DC-netwerk. Hij concludeert dat dit, in het kader van Industrie 4.0, inderdaad voordelen oplevert op het gebied van monitoring en energiemanagement.

De algemene aandacht voor gelijkspanning is de afgelopen jaren aanzienlijk gegroeid, mede door de toenemende behoefte aan duurzame energieopwekking via wind en zon, en de voortdurende ontwikkelingen op het gebied van energieopslag, zoals grote batterijsystemen. Zowel wind- als zonne-energie produceren namelijk gelijkspanning, en ook batterijtechnologie is gebaseerd op gelijkspanning.

Thomas Vandenhove is application engineer bij Flanders Make, een strategisch onderzoekscentrum voor de maakindustrie in Vlaanderen. Hij heeft de afgelopen drie jaar onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van een industrieel gelijkspanningsnetwerk. "Gelijkstroom wordt al gebruikt in datacentra en er worden ook projecten met gelijkstroom in de gebouwde omgeving gerealiseerd. In de industrie is het gebruik van gelijkstroomdistributie echter nieuw, omdat de elektriciteitsdistributie traditioneel via wisselstroom verloopt en overstappen moeilijk is. Om de industrie te laten zien wat zij eigenlijk missen, hebben we samen met verschillende industriële partners en de KU Leuven/EnergyVille onderzoek gedaan naar de haalbaarheid en zin van het opzetten van een industrieel gelijkspanningsnetwerk."

Mogelijkheden en voordelen

Energiebesparing

Er is geen discussie mogelijk over de zinvolheid van gelijkspanning, aangezien de voordelen ervan groot en relevant zijn. Vandenhove legt uit: "Een eerste voordeel is een hogere efficiëntie vanwege lagere verliezen. Bij gelijkspanning zijn er namelijk minder stappen nodig voor energieomzetting, en met een gelijkstroomnetwerk kunnen de machines direct op gelijkstroom worden aangestuurd. Hoewel de energiewinst per machine mogelijk niet erg groot is, gezien de huidige efficiëntie van omvormers die al boven de 90% ligt, kan het totaal aan machines in de meeste gevallen wel een significant verschil maken."

"Vooral bij dynamische machines die met grote versnellingen werken, kan gelijkspanning een aanzienlijk verschil maken in het energieverbruik"

Daarnaast biedt gelijkspanning de mogelijkheid om remenergie eenvoudiger terug te winnen en op te nemen in het netwerk of op te slaan in een accu. Hierdoor kan de energie hergebruikt worden en wordt het niet omgezet in verlieswarmte die verloren gaat in de omgeving. Vandenhove legt uit: "We hebben deze functionaliteit getest bij inductiemotoren om remenergie terug te winnen. Vooral bij dynamische machines die met grote versnellingen werken, kan dit een aanzienlijk verschil maken in het energieverbruik."

Aansturing en data verzamelen

In het kader van Industrie 4.0, waarbij machines onderling gekoppeld zijn en communiceren met zowel elkaar als met de bovenliggende besturing, biedt DC het voordeel van eenvoudigere aansturing. Dit vereenvoudigt de realisatie van complexe regelingen en bespaart daarmee (ontwikkel)tijd.

Vanwege de bidirectionele aard van DC is niet alleen het aansturen van machines eenvoudiger, maar ook het verkrijgen van gegevens van machines. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor onderhoudsdoeleinden of energiebeheer. Met een DC-netwerk kan een slim netwerk gerealiseerd worden, waarin alle energiestromen dynamisch geregeld kunnen worden met behulp van een slim energiebeheerssysteem (EMS).

De praktijk

In de praktijk biedt dit mogelijkheden om productieprocessen op elkaar en op de beschikbare energiehoeveelheid af te stemmen. Bovendien kan het energieverbruik van machines optimaal worden gemonitord via een DC-netwerk. Dit maakt het niet alleen mogelijk om calamiteiten snel te detecteren, maar vergroot ook het inzicht van de gebruiker of eigenaar in het energieverbruik van verschillende processen, met als doel optimalisatie.

Vandenhove legt uit: "Je kunt bijvoorbeeld de verschillende productiestappen van verschillende machines zo op elkaar afstemmen dat er nooit (te) veel energie op hetzelfde moment nodig is. Dit kan voorkomen dat er een zwaardere aansluiting nodig is, wat extra kosten met zich meebrengt, en maakt het mogelijk om zoveel mogelijk gebruik te maken van lokaal opgewekte energie. Het meest ideale scenario is dat je alles zelf gebruikt en dus geen energie terug hoeft te leveren aan het openbare lichtnet."

Hij vervolgt: “We hebben verschillende algoritmes geschreven in het kader van ons onderzoek en het prototype DC-netwerk dat we ontwikkelden. Deze algoritmes maken keuzes met betrekking tot energiemanagement op basis van factoren zoals productiviteit en beschikbaarheid van duurzame energie, en daarmee ook de prijs. Het slimme EMS-systeem dat we hebben ontwikkeld zorgt voor verbeterde betrouwbaarheid, vermindering van verliezen en een betere stroomkwaliteit. Dit resulteert uiteindelijk in een algemene verbetering van de prestaties van het DC-netwerk.”

"DC-netwerken dragen bij aan een verhoogde stabiliteit van het netwerk, wat de betrouwbaarheid van de machines ten goede komt"

Harmonische vervuiling en stabiliteit

Een ander voordeel van DC-netwerken, zoals aangegeven door Vandenhove, is dat ze bijdragen aan een goede stabiliteit en minder harmonische vervorming veroorzaken. Hij legt uit: "Het is van belang dat een groot elektrisch netwerk zo min mogelijk vervorming heeft. In fabrieken hebben we vaak te maken met aandrijvingen met variabele snelheid, die gevoed worden door een passieve gelijkrichter, wat kan leiden tot harmonischen. Helaas is er geen standaardoplossing voor dit probleem, omdat elk net en zijn elektrische belasting verschillend zijn. Echter, in DC-netwerken kunnen we met een centrale actieve gelijkrichter zorgen voor een betere balans en kunnen storingen dynamisch worden gebalanceerd. In principe kan dit ook voor elke individuele motor, maar dat wordt al snel duur. Door de actieve gelijkrichter centraal te plaatsen en het gehele DC-netwerk te voeden, kunnen de extra kosten worden beperkt. Daarnaast zorgen DC-netwerken ook voor een verbeterde stabiliteit van het netwerk, wat de betrouwbaarheid van de machines ten goede komt."

Uitdagingen

Tot zover de bespreking van de mogelijkheden en voordelen van een DC-netwerk voor Industrie 4.0. Het is echter belangrijk om ook de bijbehorende uitdagingen te erkennen. Enerzijds worden bedrijven nog steeds beperkt door wet- en regelgeving, wat het moeilijker maakt om een eigen DC-netwerk op te zetten. Daarnaast zijn er ook technische uitdagingen waar rekening mee gehouden moet worden.

Energieopslag

Vandenhove: "De huidige infrastructuur is niet geschikt voor het ontvangen van gelijkstroom van PV-panelen of windturbines, omdat deze energiebronnen kunnen fluctueren. Dit hangt niet alleen af van het weer of het tijdstip van de dag, maar ook van de seizoenen. Daarom is het noodzakelijk om elektrische energie op te slaan. Dit betekent dat we grote buffers moeten creëren om te zorgen dat we pieken in de energievraag kunnen opvangen, maar ook voldoende energie kunnen leveren wanneer er weinig duurzame energie wordt geproduceerd."

De ontwikkelingen op het gebied van energieopslag gaan momenteel snel, niet alleen binnen de gebouwde omgeving, maar ook binnen de industrie. Voor de gebouwde omgeving wordt er gekeken naar het opslaan van elektriciteit en warmte, bijvoorbeeld door middel van zoutbatterijen of het omzetten van elektriciteit naar waterstof. Binnen de industrie wordt er gekeken naar directe opslag van elektrische energie in elektrochemische batterijen, zoals Li-ionbatterijen.

Er zijn al mooie voorbeelden beschikbaar van bedrijven die batterijen ontwikkelen met zowel een hoge energiedichtheid als een slimme aansturing die rekening houdt met vraag en aanbod. Deze batterijen kunnen op basis van kunstmatige intelligentie slimme beslissingen nemen. Door deze intelligentie te koppelen aan informatie over de productieprocessen, kunnen ook het laad- en ontlaadproces geoptimaliseerd worden.

"Het aantal DC-componenten op de markt is vandaag de dag nog relatief beperkt"

Compatibiliteit

Een laatste uitdaging die Vandenhove aanhaalt, is de compatibiliteit van verschillende onderdelen van een machine of fabriekshal wanneer ze niet van dezelfde producent komen. In het eerder genoemde prototype van het DC-netwerk, dat Flanders Make samen met haar partners ontwikkelde, zijn daarom vijf merken gecombineerd: Siemens, Lenze, ABB, Beckhoff en Schneider.

Een uitdaging is dat er nooit afspraken zijn gemaakt over het spanningsniveau, waardoor het moeilijk is om ze te combineren. Vandenhoven zegt: “Daarbij is het aantal DC-componenten op de markt nog relatief beperkt. Toch was het niet de bedoeling om deze componenten zelf te ontwikkelen, maar om een lijst van standaard, in de handel verkrijgbare componenten op te stellen. Het is namelijk belangrijk dat deze componenten direct toegepast kunnen worden in de industrie, dus de beschikbaarheid is essentieel."

Conclusie

Uit het onderzoek is onder meer naar voren gekomen dat een DC-netwerk leidt tot meer efficiëntie door energieverliezen met 5 – 10% te beperken. Daar komt de recuperatie van remenergie nog bij. Verder heeft de proefopstelling bewezen dat een DC-netwerk leidt tot meer stabiliteit terwijl decentrale energieopwekking uit zon en wind eenvoudig en efficiënt in het netwerk is te implementeren. Dankzij batterijopslag in combinatie met het toegepaste EMS-systeem heeft het team ook de piekstroom aan de active frontend (verbonden met het AC-netwerk) kunnen beperken. Zo zou het mogelijk zijn een transformator van 1 MW te vervangen door een exemplaar van 300 kW om de interactie met het AC-netwerk mogelijk te maken. Dit zou leiden tot aanzienlijke kostenbesparingen.

Met de ontwikkeling van het prototype, waarbij een industrieel DC-netwerk is gerealiseerd met behulp van 'off-the-shelf'-componenten, heeft Flanders Make een unieke mijlpaal bereikt die ze verder willen ontwikkelen. Vandenhove: “Het heeft ons gepositioneerd als een belangrijke speler in duurzaamheid, energie-efficiëntie en innovatie met betrekking tot industrieel elektriciteitsverbruik. Nu is de tijd om deze kennis te delen en onze partners te ondersteunen om samen het prototype verder te ontwikkelen tot een proof of concept.”