Fabryka przyszłości zasilana prądem stałym

W Blombergu powstał obiekt produkcyjny, który redefiniuje podejście do zarządzania energią w przemyśle. All Electric Society Factory to demonstrator technologii, w którym centralnym elementem infrastruktury energetycznej jest wewnętrzna sieć prądu stałego (DC). Zakład pokazuje, że rezygnacja z klasycznego modelu konwersji AC/DC na rzecz spójnego ekosystemu DC może istotnie zwiększyć efektywność energetyczną, ograniczyć zużycie surowców i obniżyć koszty operacyjne.

 

fot. Phoenix Contact
 

Od dachu po linię produkcyjną – spójny ekosystem DC

Na dachu obiektu zainstalowano system fotowoltaiczny o powierzchni około 11 000 m². W konwencjonalnych instalacjach energia z modułów PV (naturalnie wytwarzana jako prąd stały) jest przekształcana przez falowniki na prąd przemienny, aby zasilić zakładową sieć AC.

W All Electric Society Factory energia z PV trafia bezpośrednio do lokalnej magistrali DC, eliminując jeden z etapów konwersji. To fundamentalna zmiana architektury systemu.

Jak podkreśla Tobias Lüke, ekspert ds. sieci DC w Phoenix Contact, większość współczesnych urządzeń i tak pracuje wewnętrznie na prądzie stałym:
● systemy magazynowania energii,
● napędy z przekształtnikami,
● roboty przemysłowe,
● elektronika sterująca,
● infrastruktura ładowania pojazdów.

Sieć DC optymalizuje cały łańcuch: wytwarzanie – dystrybucję – magazynowanie – zużycie energii, minimalizując straty konwersji.

 

Dwukierunkowa infrastruktura ładowania i magazynowanie energii

Przed budynkiem funkcjonuje dziesięć punktów ładowania DC. W przyszłości umożliwią one dwukierunkowy przepływ energii (vehicle-to-grid/vehicle-to-building). Oznacza to, że akumulatory pojazdów służbowych będą mogły nie tylko pobierać energię, lecz także oddawać ją bezpośrednio do zakładowej sieci DC – bez dodatkowej konwersji.

Kluczowym elementem stabilizacji systemu jest również stacjonarny magazyn energii. W środowisku opartym na OZE kompensuje on wahania generacji i pozwala realizować tzw. peak shaving, czyli redukcję szczytów zapotrzebowania mocy.

W praktyce oznacza to:
● ograniczenie przekroczeń mocy umownej,
● stabilizację pracy dużych napędów podczas rozruchu,
● redukcję kosztów energii nawet do 80% w obszarze opłat za moc szczytową.

 

fot. Phoenix Contact

 

Centralny system sterowania i konwersji

W podziemnej części obiektu znajduje się „centrum nerwowe” systemu – rzędy modułowych szaf sterowniczych DC. Integrują one:
● instalację PV,
● magazyny energii,
● infrastrukturę ładowania,
● połączenie z publiczną siecią AC.

Dwukierunkowe przekształtniki AC/DC umożliwiają zarówno pobór energii z sieci publicznej, jak i jej zwrot w przypadku nadwyżek.

Modułowa konstrukcja pozwala skalować system wraz ze wzrostem zapotrzebowania mocy.

 

Mniej miedzi, wyższa sprawność

Jedną z mniej oczywistych, lecz istotnych zalet sieci DC jest redukcja zużycia miedzi. Dzięki uproszczonej architekturze przesyłu możliwe jest ograniczenie ilości tego surowca nawet o 55% w porównaniu z klasycznymi systemami AC.

Energia z magistrali DC zasila bezpośrednio:
● oświetlenie obiektu,
● systemy automatyki,
● napędy maszyn produkcyjnych.

Szczególnie istotna jest możliwość wykorzystania energii hamowania robotów i napędów. W tradycyjnych systemach energia ta jest rozpraszana w rezystorach lub wymaga dodatkowej konwersji. W sieci DC trafia bezpośrednio z powrotem do magistrali, zwiększając efektywność systemu nawet o 20% w zależności od aplikacji.

 

Aparatura łączeniowa i bezpieczeństwo

Bezpieczne przełączanie obciążeń DC realizowane jest m.in. z wykorzystaniem wyłączników CONTRACTON ELR HDC. Urządzenia te integrują funkcje:
● ochrony,
● monitorowania,
● wstępnego ładowania,
● komunikacji sieciowej.

Specjalne liczniki energii DC umożliwiają precyzyjne monitorowanie przepływów, a rozwiązania takie jak złącza ArcZero DC pozwalają na rozłączanie pod obciążeniem bez powstawania łuku elektrycznego – co jest kluczowe w instalacjach wysokoprądowych DC.

Nadrzędne zarządzanie systemem realizowane jest poprzez platformę PLCnext Engineer, integrującą dane operacyjne z:
● cenami energii na rynkach hurtowych,
● prognozami pogody,
● aktualnymi danymi z instalacji PV.

System zarządzania energią budynku (BEMS) podejmuje decyzje na podstawie danych predykcyjnych, co dodatkowo zwiększa efektywność energetyczną.

 

fot. Phoenix Contact

 

Fabryka jako źródło i magazyn energii

All Electric Society Factory pełni podwójną funkcję: zakładu produkcyjnego oraz aktywnego uczestnika systemu energetycznego.

Projekt ma charakter pilotażowy i badawczy. W planach znajduje się:
● integracja małej elektrowni wiatrowej,
● instalacja elektrolizera do produkcji wodoru,
● wykorzystanie ogniw paliwowych do konwersji wodoru z powrotem w energię elektryczną.

Phoenix Contact jest współzałożycielem inicjatywy Open Direct Current Alliance (ODCA), której celem jest standaryzacja i rozwój przemysłowych technologii DC. Jeszcze kilka lat temu brakowało komponentów i norm dla takich instalacji. Dziś rynek oferuje coraz szerszy ekosystem rozwiązań, co znacząco obniża barierę wejścia dla kolejnych inwestorów.

 

Wnioski dla przemysłu

Implementacja sieci prądu stałego w przemyśle niesie wymierne korzyści:
● redukcja szczytów obciążenia nawet o 85%,
● wzrost efektywności energetycznej do 20%,
● znaczące obniżenie kosztów energii,
● mniejsze zużycie miedzi i komponentów infrastrukturalnych,
● pełna integracja OZE i magazynów energii.

Projekt z Blombergu pokazuje, że koncepcja „fabryki jako aktywnego elementu systemu energetycznego” jest możliwa do realizacji już dziś – przy użyciu dostępnych technologii i w realnych warunkach produkcyjnych.

Sieci DC przestają być koncepcją laboratoryjną. Stają się realnym narzędziem transformacji energetycznej przemysłu.

 

fot. Phoenix Contact